JP6861706B2 - 接合区域の領域において2つの構成部分を少なくとも1つのレーザービームによって接合する方法ならびに連続した接合シームを形成する方法 - Google Patents
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Description
QB1=ρ1・A1・sB1・cp1・(Tm1−T0) 第1の構成部分において局所的な溶融ナゲットを生成するために必要なエネルギ
であって、この場合、
ρ1=第1の構成部分の密度
A1=レーザービーム広がり方向で投影される溶融ナゲットの面積
sB1=第1の構成部分の厚さ
cp1=第1の構成部分の熱容量
Tm1=第1の構成部分の溶融温度
T0=周囲温度
であって、
dHM1 第1の構成部分における物質相変化のエンタルピ
QB2=ρ2・A2・sB2・cp2・(Tm2−T0) 第2の構成部分において局所的な溶融膜を生成するために必要なエネルギ
であって、この場合、
ρ2=第2の構成部分の密度
A2=レーザービーム広がり方向で投影される溶融膜の面積
sB2=第2の構成部分における溶融膜の厚さ
cp2=第2の構成部分の熱容量
Tm2=第2の構成部分の溶融温度
T0=周囲温度
であって、
dHM2 第2の構成部分における物質相変化のエンタルピ、である。
吸収エネルギ=
QB1=ρ1・A1・sB1・cp1・(Tm1−T0) 第1の構成部分において局所的な溶融ナゲットを生成するために必要なエネルギ
ρ1=第1の構成部分の密度
A1=レーザービーム広がり方向で第1の構成部分に投影される溶融ナゲットの面積
sB1=第1の構成部分の厚さ
cp1=第1の構成部分の熱容量
Tm1=第1の構成部分の溶融温度
T0=周囲温度
dHM1 第1の構成部分における物質相変化のエンタルピ
QB2=ρ2・A2・sB2・cp2・(Tm2−T0) 第2の構成部分において局所的な溶融膜を生成するために必要なエネルギ
ρ2=第2の構成部分の密度
A2=レーザービーム広がり方向で第2の構成部分に投影される溶融膜の面積
sB2=第2の構成部分における溶融膜の厚さ
cp2=第2の構成部分の熱容量
Tm2=第2の構成部分の溶融温度
T0=周囲温度
dHM2 第2の構成部分における物質相変化のエンタルピ
これで、方法の第1段階が終了する。
T(z,t):時点tでの深さzにおける第2の構成部分における温度推移
T∞:周囲温度
ierfc:積分誤差関数補数(integral error function complement)
qF:第2の構成部分2への熱導入、この場合、
α:第1および第2の構成部分1,2の間の熱伝達係数
T1:第2の構成部分2に溶融物9が接触する時点におけるIGrenzwert第1の構成部分1の温度
T2:第2の構成部分2に溶融物9が接触する時点における第2の構成部分2の温度
t:第2の構成部分2への溶融物9の最初の接触以降の時間
AKontakt:溶融物9と構成部分2上の金属層との間の接触面積
k:下側の(第2の)構成部分2の熱伝導率
ρ:下側の(第2の)構成部分2の密度
cp:下側の(第2の)構成部分2の熱容量
z:第2の構成部分2の上面から測定された構成部分における深さ。
Claims (10)
- 2つの構成部分の結合すべき自由面を規定する接合区域の領域において2つの構成部分を少なくとも1つのレーザービームによって接合する方法であって、
前記接合区域の領域に第1の構成部分を、第2の構成部分の厚さ方向で見て、前記第2の構成部分に対して間隔を置いて熱的に分離するように配置して、接合ギャップを形成する方法ステップであって、前記第2の構成部分は、前記第1の構成部分に面した側に金属層を有している、方法ステップと、
第1段階において、前記構成部分の厚さ方向で、前記第1の構成部分の、前記第2の構成部分とは反対側の表面にレーザービームを向ける方法ステップであって、前記レーザービームによって照射される表面積を入射面積(AL)と呼び、前記第1の構成部分を局所的に、少なくとも前記接合区域に相当する大きさでその厚さ全体にわたって溶融させ、これにより前記レーザービームを介して前記第1の構成部分に吸収されるエネルギ(QL,a)を、以下の条件を満たすように選択し、前記条件が、
吸収エネルギ=
であって、
QB1=ρ1・A1・sB1・cp1・(Tm1−T0) 第1の構成部分において局所的な溶融ナゲットを生成するために必要なエネルギ
であって、この場合、
ρ1=第1の構成部分の密度
A1=レーザービーム広がり方向で投影される溶融ナゲットの面積
sB1=第1の構成部分の厚さ
cp1=第1の構成部分の熱容量
Tm1=第1の構成部分の溶融温度
T0=周囲温度
であって、
dHM1 第1の構成部分における物質相変化のエンタルピ
QB2=ρ2・A2・sB2・cp2・(Tm2−T0) 第2の構成部分において局所的な溶融膜を生成するために必要なエネルギ
であって、この場合、
ρ2=第2の構成部分の密度
A2=レーザービーム広がり方向で投影される溶融膜の面積
sB2=第2の構成部分における溶融膜の厚さ
cp2=第2の構成部分の熱容量
Tm2=第2の構成部分の溶融温度
T0=周囲温度
であって、
dHM2 第2の構成部分における物質相変化のエンタルピ、であって、
これにより、第1の構成部分において溶融材料から溶融ナゲットが形成される、方法ステップと、
次いで第2段階で、前記第1の構成部分から前記第2の構成部分に向かう方向で前記溶融ナゲットに少なくとも1つの圧力パルスを付与する方法ステップであって、前記圧力パルスは、前記溶融ナゲットが前記圧力パルスにより前記接合ギャップ内へと転移し、前記接合ギャップを橋渡しし、前記第2の構成部分に接触するまで付与され、前記溶融ナゲットと前記第2の構成部分との前記接触により、前記第2の構成部分へのエネルギ伝達が行われ、前記第2の構成部分への前記エネルギ伝達により、前記第2の構成部分の上面で前記第2の構成部分の溶融温度が達成され、溶融膜が形成されるような温度推移が生じ、熱進入深さは、
によって規定され、
前記第2の構成部分では、前記溶融ナゲットと前記第2の構成部分との最初の接触と、前記溶融ナゲットにおける溶融材料の凝固との間の時間を意味する接触時間(tKontakt)に基づき、前記第2の構成部分の所定の深さにおいて、前記第2の構成部分を損傷する損傷温度(Tschaedigung)が超過されないように調節されており、前記第2の構成部分における前記損傷温度(Tschaedigung)は、前記第2の構成部分の厚さ方向で見た前記第2の構成部分の深さ(zkrit,B2)において、前記第2の構成部分の前記金属層の下方に位置する材料の損傷が生じる、または前記第2の構成部分上の前記金属層が、その下に位置する前記材料から剥離する、温度Tとして規定されている、方法ステップと、
を有する、方法。 - 前記第2段階における前記レーザービームを介した前記溶融ナゲットへのエネルギ導入を、前記レーザービームが、まず前記第2の構成部分において溶融物を形成することなく前記第1の構成部分を貫通するように行い、前記接合ギャップを橋渡しする前記溶融物の温度はそれ以上高くならず、次いで前記第2の構成部分を、前記接合ギャップ内に位置する前記溶融物内に蓄えられた熱エネルギによって加熱し、表面を溶融させ、これにより前記両構成部分の前記溶融物が互いに接続し、次いで前記第1の構成部分における前記溶融ナゲットへの圧力パルスを材料の蒸発により発動する、請求項1記載の方法。
- 前記第2段階で付与される前記圧力パルスを、前記レーザービームの様々な変調により発動する、請求項1または2記載の方法。
- 前記第1の構成部分において前記レーザービームによって生じた表面温度を、前記第2段階で、レーザー出力はほぼ同じである状態で前記入射面積の大きさをプロセス段階に応じて拡大および縮小することにより、時間的に変調させる、請求項3記載の方法。
- 前記少なくとも1つのレーザービームに重畳する別のレーザービームによって前記少なくとも1つの圧力パルスを実施し、前記両レーザービームは異なる強度、焦点直径、パルス長さ(ms−パルス、ns−パルス)、および/または波長を有している、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
- 前記別のレーザービームは、第1のワークピースの上方で集束させられる、かつ/または前記第1の構成部分の上方の周囲雰囲気/プラズマ雲内での吸収を高める波長を有している、請求項5記載の方法。
- 前記接合を、前記溶融ナゲットの所望の表面張力分布に合わせた周囲雰囲気内で行い、選択された前記周囲雰囲気により、前記溶融ナゲットの中心における溶融物の流れが前記第1の構成部分から前記第2の構成部分に向かう方向で発生する、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
- 前記溶融ナゲットの領域において、前記第1の構成部分の温度、または前記温度に関連するサイズの測定を行い、前記温度の低下、または前記関連するサイズの減少により、前記接合ギャップにおける前記溶融ナゲットと前記第2の構成部分との接触の時点を導き出し、前記時点で、前記第1の構成部分への前記エネルギ(QL,a)のさらなる吸収を減じる、または終了する、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
- 前記第1の構成部分の上面に沿った前記溶融ナゲットの動きを前記入射面積の領域において検出し、前記吸収エネルギ(QL,a)の範囲を、前記溶融ナゲットの検出された前記動きに応じて調節する、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
- 請求項1から9までのいずれか1項記載の方法により形成されたスポット溶接を、オーバラップすることにより組み合わせて1つの連続的な接合シームを形成して、連続的な接合シームを形成する方法であって、前記オーバラップの際に、形成したい接合シームに沿ってレーザービームをステップバイステップ式にずらし、ずらされた位置でその都度スポット溶接を行う、連続的な接合シームを形成する方法。
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