WO2024061944A1 - VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM LASERSTRAHLSCHWEIßEN VON BAUTEILEN - Google Patents

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM LASERSTRAHLSCHWEIßEN VON BAUTEILEN Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for laser beam welding, in particular laser beam deep welding, of a first component with a second component, in which a laser beam device directs a welding laser beam onto the outer surface of the first component in order to abut the first component along a weld seam to be formed brought to weld the second component by forming a cross-component melt pool.
  • the field of application of the invention extends to cohesive connections, which are to be produced primarily for large-format, flat components of all kinds, in particular metal sheets or metal foils.
  • Laser deep beam welding which is of interest here, can be used not only on metal components but also on plastic components with appropriate adjustment of the process parameters.
  • a laser beam device generates a vertical laser beam with a deep welding laser beam component, which is moved at a feed speed along a weld seam to be formed, the deep welding laser beam component being in Material creates a vapor capillary that is surrounded by a melt pool and that moves with the laser beam in the welding direction through the material of the components.
  • the first component is welded through and the laser beam only partially penetrates the second component underneath in order to melt it only over a portion of its thickness.
  • Capillary flow is formed, in which a metal melt located on the capillary front flows through melt pool channels formed on both sides of the steam capillary towards the back of the capillary and solidifies there.
  • melt drops can be detached from the highly dynamic melt pool, which can be deposited as weld spatter on the outer surface of the upper component and adhere to it. These usually have to be removed mechanically or otherwise after the welding process in order to obtain the smoothest possible external surface. In extreme cases, such a detachment of melt drops even requires the steam capillary to be refilled with melt flowing back in order to ensure a sufficiently stable weld seam. This can only be monitored and implemented with considerable effort in terms of control technology.
  • the so-called secondary nozzle process is already used to avoid spatter during laser beam welding.
  • a gas flow that is opposite to the welding laser beam is directed onto the melt pool, which is generated by a secondary nozzle and, as a result of the transfer of the flow impulse to the melt pool, leads to capillary expansion.
  • the process parameters of the gas stream and its focusing can only be set with great effort and within narrow effectiveness limits.
  • the invention includes the technical teaching that a conventional welding laser beam for laser beam welding is combined with at least one secondary laser beam in such a way that the secondary laser beam, running at an acute angle a to the welding laser beam, is directed at an edge region of the melt pool generated by the welding laser beam in the first component in order to be directed at this To create an expansion of the melt pool at the edge.
  • melt pool expansion also includes an associated capillary expansion in the melt pool, which occurs around the laser beam.
  • the edge region of the melt pool is also understood to be the boundary formed on the outer surface of the first component during welding between the solid material and the liquid melt pool.
  • the advantage of the solution according to the invention is, in particular, that the melt pool expansion achieves a spatter-reducing capillary expansion of the melt pool usually generated by the welding laser beam.
  • the secondary laser beam provided for this purpose is freely scalable via the laser beam device with regard to its process parameters, such as wavelength and spot diameter, the effectiveness in terms of minimal spatter emission can be flexibly adjusted, even with different materials.
  • an electronic control unit is provided for synchronously controlling the first laser beam device and the second laser beam device in such a way that the secondary laser beam is aligned at the above-specified acute angle a to the welding laser beam.
  • the control unit preferably ensures simultaneous output of the welding laser beam and the secondary laser beam.
  • the two laser beam devices can be combined into a common structural unit.
  • the secondary laser beam is aligned opposite to the feed direction of the welding laser beam at the acute angle a crossing the welding laser beam.
  • the secondary laser beam aims at the rear part of the melt pool, which solidifies piece by piece due to the feed movement to form the weld seam.
  • the secondary laser beam creates an optical pressure on the capillary rear wall. This results in a seam modification, which results in the solidified weld seam and ensures a higher material bond between the upper and lower component. Thanks to the steam capillary expanded according to the invention, faster welding is also possible with a higher feed rate compared to conventional laser beam welding, without this increasing spatter formation.
  • the melt pool expansion generated by the secondary laser beam extends over a smaller area Q than the melt pool generated by the welding laser beam.
  • the conventional welding laser beam has a higher share in the creation of the weld seam to be formed than the secondary laser beam, which primarily serves to expand the capillary and thus reduce spatter.
  • the welding laser beam preferably consists of a melting laser beam component to generate the melt pool width B and a deep welding laser beam component surrounded by it to generate the melt pool depth T.
  • a stable weld seam can be achieved while avoiding spatter by selecting a material-specific wavelength of the welding laser beam in the range between 343 nanometers (nm) to 10,600 nm.
  • the wavelength of the welding laser beam is preferably 400 nm to 1070 nm. This preferred range, which was determined through tests, is based in particular on the relatively high absorption coefficients for technically relevant metals, for example iron-based, copper, aluminum or titanium alloys, and therefore depends on the material as is known .
  • the same process parameters can be selected in the preferred ranges, as is the level of Capillary expansion is directly related to the absorption coefficients of metals.
  • the welding laser beam and the additional laser beam assigned to it in a movement-coordinated manner can be operated with a synchronous feed speed V in the range between 1 meter per minute (m/min) to 120 m/min.
  • V synchronous feed speed
  • particularly small feeds can be achieved in order to reliably connect large material thicknesses with little spatter.
  • diameter values between 15 pm and 1200 pm can be selected. This makes it possible to create particularly fine weld seams, particularly in thin components, whereas the solution according to the invention also makes it possible to form particularly thick weld seams in correspondingly thick components.
  • a spot diameter between 50 and 200 pm is preferably suggested. This is particularly advantageous for applications in which relatively thin components (in the tenth of a mm range) need to be connected to one another quickly and reliably, i.e. with sufficient connection in a possibly corrosive environment.
  • a lower component is preferably welded to an upper component, for example metal sheets or metal foils, in particular via an overlap joint.
  • an upper component for example metal sheets or metal foils
  • Fig. 1 is a schematic side view of a device for laser beam welding a first component to a second component
  • Fig. 2 is a flowchart to illustrate the process steps for carrying out laser beam welding according to the invention.
  • a device for laser beam welding comprises a first laser beam device 1a, which generates a substantially vertical welding laser beam 2, and an adjacent second laser beam device 1b for generating a secondary laser beam 3 positioned at an acute angle a thereto.
  • the welding laser beam 2 and the secondary laser beam 3 are on an outer surface 4 of a first upper flat
  • Component 5 directed.
  • a second lower flat component 6 is arranged under the first upper flat component 5 and fixed in the desired position.
  • the first component 5 and the second component 6 to be cohesively connected to it consist of a steel sheet of the same material.
  • the welding laser beam 2 generated by the laser beam device 1 a is set in terms of its process parameters in such a way that the first component 5 is completely welded through and the second component 6 is melted by forming a melt pool 7 across the components, so that after the melt pool 7 has solidified in the rear area of the Welding laser beam 2 - i.e. against the feed direction - forms a weld seam 8 for the desired cohesive component connection
  • the welding laser beam 2 is combined with the secondary laser beam 3 generated by the laser beam device 1 b in such a way that the secondary laser beam 3, running at an acute angle a to the welding laser beam 2, aims at a rear edge region 9 of the melt pool 7 generated by the welding laser beam 2 in the upper component in order to be at this point to create an edge-side melt pool expansion 10.
  • the secondary laser beam 3 is aligned opposite to the feed direction V of the welding laser beam 2 and crossing the welding laser beam 2 at the acute angle a. Since the secondary laser beam 3 of the laser beam device 1 b is connected to the laser beam device 1 a for the welding laser beam 2 to form a structural unit, the welding laser beam 2 and secondary laser beam 3 move at the same feed speed in the feed direction V shown.
  • the melt pool expansion 10 obviously extends over a smaller area Q as the melt pool 7 generated by the welding laser beam 2.
  • the dashed line between the first laser beam device 1 a and the second laser beam device 1 a indicates that both laser beam units 1 a and 1 b can optionally also be designed separately. In any case, both laser beam units 1a and 1b are controlled synchronously by an electronic control unit 100, with which they are therefore in communicative connection.
  • the welding laser beam 2 consists of a melting laser beam portion 11 of larger diameter, which essentially produces the melt pool width B. This includes a deep welding laser beam portion 12 of the welding laser beam 2, which is used to generate the melt pool depth T and the vapor capillary.
  • the method for laser beam welding of the two components 5 and 6 by the device described above is based on a provision A of the two fixed components 5 and 6 arranged one above the other.
  • the vertical welding laser beam 2 is then generated by the first laser beam device 1a as part of a process step B and immediately following or simultaneously by means of the second laser beam device 1b the secondary laser beam 3 aimed at the edge region of the melt pool is generated as part of the process step C.
  • the two components 5 and 6 are finally welded with little spatter.
  • the invention is not limited to the preferred embodiment described above. Rather, modifications of this are also conceivable, which are included within the scope of protection of the following claims.
  • the welding parameters such as in particular the wavelength, spot diameter and feed speed of the welding laser beam and the secondary laser beam, must be adapted to the material and geometry.
  • the welding laser beam is aligned orthogonally. It is conceivable that this itself falls on the component at an acute angle. It is important to maintain an acute angle between the welding laser and the secondary laser beam. It is also conceivable, for example, to operate the welding laser beam at an angle of incidence of 20° and the secondary laser beam at 50°, so that an angle of 30° is established between the two beams.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen eines ersten Bauteils (6) mit einem zweiten Bauteil (5), bei der eine erste Laserstrahleinrichtung (1a) einen Schweißlaserstrahl (2) auf die Außenoberfläche (4) des ersten Bauteils (5) richtet, um entlang einer zu bildenden Schweißnaht (8) das erste Bauteil (5) mit dem hieran zur Anlage gebrachten zweiten Bauteil (6) durch Bildung eines bauteilübergreifenden Schmelzbads (7) zu verschweißen, wobei der ersten Laserstrahleinrichtung (1a) zur Erzeugung des Schweißlaserstrahls (2) mindestens eine zweite Laserstrahleinrichtung (1b) zur Erzeugung eines Nebenlaserstrahls (3) zugeordnet ist, wobei der Nebenlaserstrahl (3) in einem spitzen Winkel (α) zum Schweißlaserstrahl (2) verlaufend auf einen Randbereich (9) des vom Schweißlaserstrahl (2) im ersten Bauteil (5) erzeugten Schmelzbads (7) ausgerichtet ist, so dass sich eine randseitige Schmelzbadaufweitung (10) ausbildet.

Description

Beschreibung
Titel:
Vorrichtung und Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen, insbesondere Laserstrahltiefschweißen, eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, bei dem eine Laserstrahleinrichtung einen Schweißlaserstrahl auf die Außenoberfläche des ersten Bauteils richtet, um entlang einer zu bildenden Schweißnaht das erste Bauteil mit dem hieran zur Anlage gebrachten zweiten Bauteil durch Bildung eines bauteilübergreifenden Schmelzbads zu verschweißen.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf stoffschlüssige Verbindungen, welche vornehmlich für großformatige flächige Bauteile aller Art, insbesondere Metallbleche oder Metallfolien, herzustellen sind. Das hier interessierende Lasertiefstrahlschweißen kann neben Metallbauteilen auch auf Kunststoffbauteile unter entsprechender Anpassung der Prozessparameter angewendet werden.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2021 113 430 A1 geht ein Verfahren zum Laserstrahltiefschweißen zweier flacher Bauteile hervor, bei dem eine Laserstrahleinrichtung einen vertikalen Laserstrahl mit einem Tiefschweiß- Laserstrahlanteil erzeugt, der mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang einer zu bildenden Schweißnaht bewegt wird, wobei der Tiefschweiß-Laserstrahlanteil im Werkstoff eine Dampfkapillare erzeugt, die von einem Schmelzbad umgeben ist und die sich mit dem Laserstrahl in Schweißrichtung durch den Werkstoff der Bauteile bewegt. Dabei wird das erste Bauteil durchschweißt und der Laserstrahl dringt nur teilweise in das darunterliegende zweite Bauteil ein, um dieses nur über einen Teilbereich seiner Dicke aufzuschmelzen. Dabei wird eine Kapillarumströmung gebildet, bei der eine an der Kapillarfront befindliche Metallschmelze über beidseitig der Dampfkapillare gebildete Schmelzbadkanäle in Richtung Kapillarrückseite strömt und dort erstarrt.
Beim Laserstrahlschweißen der hier interessierenden Art kann es zu einer Ablösung von Schmelztropfen aus dem hochdynamischen Schmelzbad kommen, welche sich als Schweißspritzer an der Außenoberfläche des oberen Bauteils ablagern und hieran anheften können. Diese sind gewöhnlich nach dem Schweißvorgang mechanisch oder anderweitig zu entfernen, um eine möglichst glatte Außenoberfläche zu erhalten. Im Extremfall erfordert eine solche Ablösung von Schmelztropfen sogar ein Wiederauffüllen der Dampfkapillare mit zurückfließender Schmelze, um eine hinreichend stabile Schweißnaht sicherzustellen. Dies lässt sich steuerungstechnisch nur recht aufwändig überwachen und umsetzen.
Gemäß dem allgemein bekannten Stand der Technik wird zur Vermeidung von Spritzern beim Laserstrahlschweißen bereits das so genannte Nebendüsenverfahren verwendet. Hierbei wird eine gegenüber dem Schweißlaserstrahl angestellte Gasströmung auf das Schmelzbad gerichtet, die von einer Nebendüse erzeugt wird und infolge der Übertragung des Strömungsimpulses auf das Schmelzbad zu einer Kapillaraufweitung führt. Allerdings lassen sich die Prozessparameter des Gasstroms und dessen Fokussierung nur recht aufwändig und innerhalb enger Wirksamkeitsgrenzen einstellen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass eine Ablösung von Schmelztropfen aus dem Schmelzbad mit geringem technischem Aufwand vermieden oder zumindest reduziert wird. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schließt die technische Lehr ein, dass ein herkömmlicher Schweißlaserstrahl zum Laserstrahlschweißen mit mindestens einem Nebenlaserstrahl derart kombiniert wird, dass der Nebenlaserstrahl in einem spitzen Winkel a zum Schweißlaserstrahl verlaufend auf einen Randbereich des vom Schweißlaserstrahl im ersten Bauteil erzeugten Schmelzbads gerichtet ist, um an dieser Stelle eine randseitige Schmelzbadaufweitung zu erzeugen. Unter dem Begriff Schmelzbadaufweitung fällt auch eine hiermit verbundene Kapillaraufweitung im Schmelzbad, die um den Laserstrahl entsteht. Als Randbereich des Schmelzbades wird ferner die sich an der Außenoberfläche des ersten Bauteils beim Schweißen gebildete Grenze zwischen dem festen Werkstoff und dem flüssigen Schmelzbad verstanden.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass durch die Schmelzbadaufweitung eine spritzerreduzierende Kapillaraufweitung des gewöhnlich vom Schweißlaserstrahl erzeugten Schmelzbads erzielt wird. Da der hierfür vorgesehene Nebenlaserstrahl hinsichtlich seiner Prozessparameter, wie insbesondere Wellenlänge und Spotdurchmesser über die Laserstrahleinrichtung frei skalierbar ist, lässt sich die Wirksamkeit hinsichtlich einer minimalen Spritzeremission auch bei unterschiedlichen Materialien flexibel anpassen.
Vorzugsweise ist eine elektronische Steuereinheit zum derart synchronen Ansteuern der ersten Laserstrahleinrichtung und der zweiten Laserstrahleinrichtung vorgesehen, dass der Nebenlaserstrahl in dem vorstehend spezifizierten spitzen Winkel a zum Schweißlaserstrahl verlaufend ausgerichtet ist. Die Steuereinheit stellt vorzugsweise eine gleichzeitige Ausgabe des Schweißlaserstrahls und des Nebenlaserstrahls sicher. Die beiden Laserstrahleinrichtungen können dabei zu einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefasst sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Nebenlaserstrahl entgegen der Vorschubrichtung des Schweißlaserstrahls unter dem spitzen Winkel a den Schweißlaserstrahl kreuzend ausgerichtet. Hierdurch zielt der Nebenlaserstrahl auf den rückwärtigen Teil des Schmelzbads, der zur Bildung der Schweißnaht aufgrund der Vorschubbewegung stückweise erstarrt Mit anderen Worten wird bei dieser speziellen Anordnung durch den Nebenlaserstrahl ein optischer Druck auf die Kapillarrückwand erzeugt Hierdurch ergibt sich eine Nahtmodifikation, welche sich in der erstarrten Schweißnaht abzeichnet und einen höheren Stoffschluss zwischen oberem und unterem Bauteil gewährleistet Dank der erfindungsgemäß aufgeweiteten Dampfkapillare, ist auch ein schnelleres Schweißen mit im Vergleich zum herkömmlichen Laserstrahlschweißen höherer Vorschubgeschwindigkeit möglich, ohne dass hierdurch eine Spritzerbildung verstärkt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die vom Nebenlaserstrahl erzeugte Schmelzbadaufweitung über einen kleineren Bereich Q als das vom Schweißlaserstrahl erzeugte Schmelzbad. Hierdurch hat der herkömmliche Schweißlaserstrahl einen höheren Anteil an der Entstehung der zu bildenden Schweißnaht als der Nebenlaserstrahl, welcher primär der Kapillaraufweitung und damit Spritzerreduzierung dient.
Der Schweißlaserstrahl besteht zum Laserstrahlschweißen vorzugsweise aus einem Aufschmelz-Laserstrahlanteil zur Erzeugung der Schmelzbad-Breite B und einem hiervon umgebenen Tiefschweiß-Laserstrahlanteil zur Erzeugung der Schmelzbad-Tiefe T.
Hinsichtlich der Prozessparameter für die Laserstrahleinrichtung lässt sich Spritzer vermeidend eine stabile Schweißnaht dadurch erzielen, dass eine materialspezifische Wellenlänge des Schweißlaserstrahls im Bereich zwischen 343 Nanometern (nm) bis 10.600 nm gewählt wird. Vorzugsweise beträgt die Wellenlänge des Schweißlaserstrahls 400 nm bis 1070 nm. Dieser über Versuche ermittelte Vorzugsbereich beruht insbesondere auf den relativ hohen Absorptionskoeffizienten bei technisch relevanten Metallen, beispielsweise Eisenbasis-, Kupfer-, Aluminium- oder Titanlegierungen, und richtet sich daher bekannter Maßen nach dem Material.
Hinsichtlich des Nebenlaserstrahls können analog dieselben Prozessparameter in den Vorzugsbereichen gewählt werden, da auch das Maß an Kapillaraufweitung in direktem Zusammenhang mit den Absorptionskoeffizienten von Metallen steht. Es ist jedoch auch möglich, für den Schweißlaserstrahl und den Nebenlaserstrahl im Rahmen des angegebenen Bereichs unterschiedliche Wellenlängen zu wählen, sofern ein Aufschmelzen des Materials sichergestellt bleibt.
Der Schweißlaserstrahl sowie der diesem bewegungskoordiniert zugeordnete Nebenlaserstrahl kann mit einer synchronen Vorschubgeschwindigkeit V im Bereich zwischen 1 Meter pro Minute (m/min) bis 120 m/min betrieben werden. Somit sind hinsichtlich der unteren Bereichsgrenze besonders geringe Vorschübe darstellbar, um insbesondere große Materialdicken zuverlässig spritzerarm zu verbinden. Diese Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich insbesondere auch bei relativ dünneren Bauteilen bis zu einer Vorschubgeschwindigkeit von 120 m/min aufrechterhalten. Somit sind auch besonders schnelle Vorschubgeschwindigkeiten realisierbar, welche es insbesondere ermöglichen an großflächigen Bauteilen besonders lange Schweißnähte innerhalb einer kurzen Bearbeitungszeit herzustellen.
Hinsichtlich des Spotdurchmessers des Schweißlaserstrahls sowie des Nebenlaserstrahls an der Außenoberfläche des oberen Bauteils können Durchmesserwerte zwischen 15 pm bis 1200 pm gewählt werden. Hierdurch lassen sich insbesondere bei dünnen Bauteilen besonders feine Schweißnähte ziehen, wohingegen es die erfindungsgemäße Lösung auch ermöglicht, besonders dicke Schweißnähte in entsprechend dicken Bauteilen auszubilden. Vorzugsweise wird ein Spotdurchmesser zwischen 50 bis 200 pm vorgeschlagen. Dies ist besonders für solche Anwendungen von Vorteil, bei denen relativ dünne Bauteile (im Zehntel mm-Bereich) schnell und gleichzeitig prozesssicher, d.h. mit ausreichender Anbindung in ggf. korrosiver Umgebung miteinander verbunden werden sollen.
Es ist jedoch auch möglich, für den Schweißlaserstrahl und den Nebenlaserstrahl im Rahmen des angegebenen Bereichs unterschiedliche Spotdurchmesser zu wählen, beispielsweise einen geringeren Spotdurchmesser für den Nebenlaserstrahl im Vergleich zum Schweißlaserstrahl, um eine nur geringfügige Schmelzbadaufweitung zu erzielen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise ein unteres Bauteil mit einem oberen Bauteil, beispielsweise Metallbleche oder Metallfolien miteinander verschweißt, insbesondere über einen Überlappungsstoß. Es ist jedoch auch denkbar, mehrere übereinander gestapelte oder selbst runde Bauteile sowie nebeneinander auf einer Ebene liegende Bauteile auch per Stumpfstoß mit der erfindungsgemäßen Lösung zu verbinden.
Detailbeschreibung anhand Zeichnung
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, und
Fig. 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißens.
Gemäß Fig. 1 umfasst eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen eine erste Laserstrahleinrichtung 1 a, welche einen im wesentlichen vertikalen Schweißlaserstrahl 2 generiert sowie eine benachbarte zweite Laserstrahleinrichtung 1 b zur Erzeugung eines in einem spitzen Winkel a hierzu angestellten Nebenlaserstrahl 3. Der Schweißlaserstrahl 2 sowie der Nebenlaserstrahl 3 sind auf einer Außenoberfläche 4 eines ersten oberen flachen
Bauteils 5 gerichtet. Unter dem ersten oberen flachen Bauteil 5 ist ein zweites unteres flaches Bauteil 6 angeordnet und in der Solllage fixiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel bestehen das erste Bauteil 5 und das hiermit stoffschlüssig zu verbindende zweite Bauteil 6 aus einem materialgleichen Stahlblech. Der von der Laserstrahleinrichtung 1 a generierte Schweißlaserstrahl 2 ist hinsichtlich seiner Prozessparameter derart eingestellt, dass das erste Bauteil 5 vollständig durchschweißt wird und das zweite Bauteil 6 durch Bildung eines bauteilübergreifenden Schmelzbades 7 aufgeschmolzen wird, so dass sich nach Erstarren des Schmelzbades 7 im rückwärtigen Bereich des Schweißlaserstrahls 2 - also entgegen der Vorschubrichtung - eine Schweißnaht 8 für die gewünschte stoffschlüssige Bauteilverbindung ausbildet
Der Schweißlaserstrahl 2 ist mit dem von der Laserstrahleinrichtung 1 b erzeugten Nebenlaserstrahl 3 derart kombiniert, dass der Nebenlaserstrahl 3 einen spitzen Winkel a zum Schweißlaserstrahl 2 verlaufend auf einen rückwärtigen Randbereich 9 des vom Schweißlaserstrahl 2 im oberen Bauteil erzeugten Schmelzbades 7 zielt, um an dieser Stelle eine randseitige Schmelzbadaufweitung 10 zu erzeugen. Dabei ist der Nebenlaserstrahl 3 entgegen der Vorschubrichtung V des Schweißlaserstrahls 2 und unter dem spitzen Winkel a den Schweißlaserstrahl 2 kreuzend ausgerichtet. Da der Nebenlaserstrahl 3 der Laserstrahleinrichtung 1 b mit der Laserstrahleinrichtung 1 a für den Schweißlaserstrahl 2 zu einer Baueinheit verbunden ist, bewegen sich Schweißlaserstrahl 2 und Nebenlaserstrahl 3 mit derselben Vorschubgeschwindigkeit in der gezeigten Vorschubrichtung V. Die Schmelzbadaufweitung 10 erstreckt sich ersichtlicherweise über einen kleineren Bereich Q als das vom Schweißlaserstrahl 2 erzeugte Schmelzbad 7.
Die Strichlinie zwischen der ersten Laserstrahleinrichtung 1 a und der zweiten Laserstrahleinrichtung 1 a deutet an, dass beide Laserstrahleinheiten 1 a und 1 b optional auch separat ausgeführt sein können. In jedem Fall werden beide Laserstrahleinheiten 1 a und 1 b durch eine elektronische Steuereinheit 100 synchron angesteuert, mit der diese somit in kommunikativer Verbindung stehen.
Der Schweißlaserstrahl 2 besteht zum Laserstrahlschweißen aus einem Aufschmelz-Laserstrahlanteil 11 größeren Durchmessers, welcher im Wesentlichen die Schmelzbad-Breite B erzeugt. Hiervon eingeschlossen ist ein Tiefschweiß-Laserstrahlanteil 12 des Schweißlaserstrahls 2, welcher zur Erzeugung der Schmelzbad-Tiefe T und der Dampfkapillare dient. Gemäß Fig. 2 geht das Verfahren zum Laserstrahlschweißen der beiden Bauteile 5 und 6 durch die vorstehend beschriebene Vorrichtung von einem Bereitstellen A der beiden übereinander liegend angeordnet fixierten Bauteile 5 und 6 aus. Anschließend wird durch die erste Laserstrahleinrichtung 1a der vertikale Schweißlaserstrahl 2 im Rahmen eines Prozessschrittes B generiert und unmittelbar darauf folgend oder gleichzeitig mittels der zweiten Laserstrahleinrichtung 1 b der auf den Randbereich des Schmelzbades zielende Nebenlaserstrahl 3 im Rahmen des Prozessschrittes C. Durch Fortbewegung der beiden Laserstrahleinrichtungen 1 a und 1 b in Vorschubrichtung V erfolgt schließlich die spritzerarme Verschweißung der beiden Bauteile 5 und 6.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise möglich materialgleiche Bauteile unterschiedlicher Art zu verschweißen, beispielsweise auch Kunststoffbauteile. Hierfür sind die Schweißparameter, wie insbesondere Wellenlänge, Spotdurchmesser und Vorschubgeschwindigkeit des Schweißlaserstrahls sowie des Nebenlaserstrahls material- und geometriespezifisch anzupassen. Darüber hinaus ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Schweißlaserstrahl orthogonal ausgerichtet ist. Es ist denkbar, dass dieser selbst unter einem spitzen Winkel auf das Bauteil einfällt. Wichtig ist die Einhaltung des spitzen Winkels zwischen Schweißlaserund Nebenlaserstrahl. So ist es auch denkbar, den Schweißlaserstrahl beispielsweise unter 20° Einfallswinkel zu betreiben und den Nebenlaserstrahl unter 50°, sodass sich zwischen den beiden Strahlen ein Winkel von 30° einstellt.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen eines ersten Bauteils (6) mit einem zweiten Bauteil (5), bei der eine erste Laserstrahleinrichtung (1 a) einen Schweißlaserstrahl (2) auf die Außenoberfläche (4) des ersten Bauteils (5) richtet, um entlang einer zu bildenden Schweißnaht (8) das erste Bauteil (5) mit dem hieran zur Anlage gebrachten zweiten Bauteil (6) durch Bildung eines bauteilübergreifenden Schmelzbads (7) zu verschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Laserstrahleinrichtung (1a) zur Erzeugung des Schweißlaserstrahls (2) mindestens eine zweite Laserstrahleinrichtung (1 b) zur Erzeugung eines Nebenlaserstrahls (3) zugeordnet ist, wobei der Nebenlaserstrahl (3) in einem spitzen Winkel (a) zum Schweißlaserstrahl (2) verlaufend auf einen Randbereich (9) des vom Schweißlaserstrahl (2) im ersten Bauteil (5) erzeugten Schmelzbads (7) ausgerichtet ist, so dass sich eine randseitige Schmelzbadaufweitung (10) ausbildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit (100) zum synchronen Ansteuern der ersten Laserstrahleinrichtung (1 a) und der zweiten Laserstrahleinrichtung (1 b) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenlaserstrahl (3) der zweiten Laserstrahleinrichtung (1 b) entgegen der Vorschubrichtung (V) des Schweißlaserstrahls (2) und unter dem spitzen Winkel (a) den Schweißlaserstrahl (2) kreuzend ausgerichtet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die vom Nebenlaserstrahl (3) der zweiten Laserstrahleinrichtung (1 b) erzeugte Schmelzbadaufweitung (10) über einen kleineren Bereich (Q) erstreckt als das vom Schweißlaserstrahl (2) erzeugte Schmelzbad (7). Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißlaserstrahl (2) der ersten Laserstrahleinrichtung (1 a) aus einem Aufschmelz-Laserstrahlanteil (11) zur Erzeugung der Schmelzbad-Breite (B) und einen hiervon umgebenen Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (12) zur Erzeugung der Schmelzbad-Tiefe (T) besteht. Verfahren zum Laserstrahlschweißen eines ersten Bauteils (6) mit einem zweiten Bauteil (5) mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem durch eine erste Laserstrahleinrichtung (1 a) ein Schweißlaserstrahl (2) auf die Außenoberfläche (4) des ersten Bauteils (5) gerichtet wird, so dass entlang einer zu bildenden Schweißnaht (8) das erste Bauteil (5) mit dem hieran zur Anlage gebrachten zweiten Bauteil (6) durch Bildung eines bauteilübergreifenden Schmelzbads (7) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laserstrahleinrichtung (1 a) zur Erzeugung des Schweißlaserstrahls (2) mit mindestens einer zweiten Laserstrahleinrichtung (1 b) zur Erzeugung eines Nebenlaserstrahls (3) derart kombiniert wird, dass der Nebenlaserstrahl (3) in einem spitzen Winkel (a) zum Schweißlaserstrahl (2) verlaufend auf einen Randbereich (9) des vom Schweißlaserstrahl (2) im ersten Bauteil (5) erzeugten Schmelzbads (7) ausgerichtet wird, um eine randseitige Schmelzbadaufweitung (10) auszubilden. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißlaserstrahl (2) mit einer materialspezifischen Wellenlänge im Bereich zwischen 343 nm bis 10.600 nm, vorzugsweise 400 nm bis 1070 nm generiert wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenlaserstrahl (3) mit einer materialspezifischen Wellenlänge im Bereich zwischen 343 nm bis 10.600 nm, vorzugsweise 400 nm bis 1070 nm generiert wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißlaserstrahl (2) sowie der zugeordnete Nebenlaserstrahl (3) mit einer Vorschubgeschwindigkeit (V) im Bereich zwischen 1 m/min bis 120 m/min bewegt wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spotdurchmesser des Schweißlaserstrahls (2) und des Nebenlaserstrahls (3) an der Außenoberfläche (4) des oberen Bauteils (5) im Bereich zwischen 15 pm bis 600 pm, vorzugsweise 50 pm bis 200 pm, beträgt Bauteilanordnung, umfassend mindestens ein erstes Bauteil (6) und mindestens ein zweites Bauteil (5), die durch ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 10 durch Laserstrahlschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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