DE102015117454B4

DE102015117454B4 - Laser-wärmeleitungsschweissen von aluminiumlegierungen mit doppel-kreuzlaserstrahlen

Info

Publication number: DE102015117454B4
Application number: DE102015117454.5A
Authority: DE
Inventors: Hui-Ping Wang; Blair E. Carlson; Michael G. Poss; David A. Gatny; Perry G. Leggett
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: DE102015117454A1; US20160114428A1; CN105537770A; US10272524B2; CN105537770B

Abstract

Verfahren zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungs-Werkstücken (12, 14), wobei das Verfahren umfasst, dass:ein erstes Aluminiumlegierungs-Werkstück (12) umfassend eine erste oben liegende Oberfläche (18) und ein zweites Aluminiumlegierungs-Werkstück (14) umfassend eine zweite oben liegende Oberfläche (20) vorgesehen werden, die zusammengebracht werden, um eine Schweißnaht (16) zu bilden, wobei die erste und zweite oben liegende Oberfläche (18, 20) entlang einer Achse ausgerichtet und benachbart zu der Schweißnaht (16) sind;Doppellaserstrahlen (22) in Richtung der zwischen den Aluminiumlegierungs-Werkstücken (12, 14) hergestellten Schweißnaht (16) gerichtet werden, wobei die Doppellaserstrahlen (22) einen ersten Laserstrahl (28), der sich entlang einer ersten Längsachse (32) erstreckt, und einen zweiten Laserstrahl (30), der sich entlang einer zweiten Längsachse (34) erstreckt, umfasst, und wobei eine Ebene (36), die die erste und die zweite Längsachse des ersten und des zweiten Laserstrahls schneidet, eine Linie bildet (38), wo die Ebene (36) auf die erste und zweite oben liegende Oberfläche (18, 20) des ersten und zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstücks (12, 14) trifft, wobei die Linie (38) quer zu der Schweißnaht (16) steht, und wobei der erste Laserstrahl (28) eine Abdeckfläche aufweist, und der zweite Laserstrahl (30) eine Abdeckfläche aufweist, wobei diese Abdeckflächen (28, 30) zumindest bis zu einem gewissen Grad überlappen, und wobei die kombinierte Abdeckfläche des ersten und des zweiten Laserstrahlen (28, 30) größer als die Abdeckfläche eines einzigen Laserstrahls (28, 30) ist;die Doppellaserstrahlen (22) zusammen mit einem Schweißdraht (24) entlang der Schweißnaht (16) bewegt werden, ohne ein Stichloch zu produzieren, das in das erste und das zweite Aluminiumlegierungs-Werkstück (12, 14) eindringt, wobei der Schweißdraht (24) ein Arbeitsende (44) aufweist, das der Schweißnaht (16) folgt und sowohl von dem ersten als auch dem zweiten Laserstrahl (28, 30) an der Schweißnaht (16) beaufschlagt wird; unddas Arbeitsende (44) des Schweißdrahtes (24) mit den Doppellaserstrahlen (22) geschmolzen wird, um geschmolzenes Schweißmaterial entlang der Schweißnaht (16) abzuscheiden, während die Doppellaserstrahlen (22) und der Schweißdraht (24) entlang der Schweißnaht (16) bewegt werden, wobei das geschmolzene Schweißmaterial hinter den Doppellaserstrahlen (22) zu einer Laserschweißverbindung (76) erstarrt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und im Spezielleren ein Verfahren zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungs-Werkstücken.
HINTERGRUND
Es gibt viele Gelegenheiten in einem Fertigungsumfeld, wo zwei Aluminiumlegierungs-Werkstücke entlang einer gemeinsamen Grenzfläche gefügt werden müssen. Die Automobilindustrie trifft z. B. oft die Wahl, Aluminiumlegierungs-Bleche laserzuschweißen, wenn bestimmte Fahrzeugkomponententeile gebaut werden. Diese Fahrzeugkomponententeile können das Dach, den Kofferraumdeckel und den Kofferraum umfassen, um nur einige zu nennen. Und wenn ein Laserschwei-ßen an einer Stelle notwendig ist, die eine Klasse-A-Oberfläche des Komponententeils wird, die in der Regel eine gestylte und nicht ebene, sichtbare Oberfläche auf der Fahrzeugaußenseite ist, kommt dem ästhetischen Erscheinungsbild der Schweißverbindung zusätzliche Bedeutung zu. Die Laserschweißverbindung muss insbesondere bestimmte akzeptable Standards hinsichtlich des Aussehens erfüllen, sodass, wenn das Fahrzeugkomponententeil lackiert wird, die Sichtfläche des Teils nicht ästhetisch unattraktiv ausgeführt wird.
Laserschweißen ist ein Metallfügeverfahren, in dem ein Laserstrahl die Energie bereitstellt, die benötigt wird, um ein Schweißen zu bewirken. In der Praxis fokussiert und richtet ein Laseroptikkopf den Laserstrahl auf eine zwischen den zwei Werkstücken hergestellten Schweißnaht, während ein Roboterarm den Laseroptikkopf bewegt, um den Laserstrahl entlang der Schweißnaht zu verschieben. Wenn zwei Aluminiumlegierungs-Werkstücken miteinander laserverschweißt werden, wird in der Regel ein Schweißdraht in Koordination mit der Bewegung des Laserstrahles entlang der Schweißnaht nachgeführt, sodass ein Arbeitsende des Schweißdrahtes von dem Laserstrahl in Gegenwart eines Schutzgases beaufschlagt wird. Der Schweißdraht absorbiert die Energie des Laserstrahls und schmilzt in der schützenden Schutzgasumgebung, um ein geschmolzenes Schweißmaterial entlang der Schweißnaht abzuscheiden. Abschnitte der Aluminiumlegierungs-Werkstücke benachbart zu und entlang der Schweißnaht werden in der Regel ebenfalls gleichzeitig mit dem Schweißdraht geschmolzen. Das geschmolzene Schweißmaterial tritt schließlich mit der an der Schweißnaht vorhandenen geschmolzenen Aluminiumlegierung in Wechselwirkung und mit dem weiteren Vorrücken des Laserstrahles und des Schweißdrahtes kühlt es ab und erstarrt. So wird eine Laserschweißverbindung infolge der koordinierten Bewegung des Laserstrahles und des Schweißdrahtes entlang der Schweißnaht produziert.
Wegen der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen ist in der Regel ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte erforderlich, um während des Laserschweißens Wärme innerhalb der Aluminiumlegierungs-Werkstücke zu konzentrieren. Solch ein starker Laserstrahl neigt dazu, ein Stichloch - das eine Säule aus Wasserdampf und Plasma ist - an der Schweißnaht in der unmittelbar umliegenden Nähe des Laserstrahles zu produzieren. Das Stichloch dringt in die Aluminiumlegierungs-Werkstücke ein und initiiert ein seitliches Schmelzen der Werkstücke, um ein umgebendes geschmolzenes Schweißbad herzustellen, das dem Weg des Stichloches folgt. Während das produzierte Stichloch ein tieferes Schmelzen der Aluminiumlegierungs-Werkstücke entlang der Schweißnaht zulässt, zeigt es die Tendenz, die Glätte und das gesamte sichtbare Erscheinungsbild der Schweißverbindung zu beeinträchtigen. Die Instabilität und die Turbulenz des Stichloches insbesondere führt in das geschmolzene Schweißbad Porosität ein, wenn das Stichloch zusammenbricht, und bewirkt, dass die Schweißverbindung ein welliges und unebenes Oberflächenerscheinungsbild aufweist. Infolgedessen muss die Schweißverbindung üblicherweise poliert oder gebürstet oder geschliffen werden, bevor das lasergeschweißte Teil lackiert werden kann, was dem gesamten Fertigungsprozess Zeit und Komplexität hinzufügt.
Weitere Verfahren zum Schweißen von Werkstücken sind aus den folgenden Druckschriften bekannt: DE 10 2008 061 224 A1 , DE 10 2004 027 229 A1 , DE 10 2004 026 228 B4 , DE 101 31 883 A1 und US 2011 / 0 297 658 A1 .
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungs-Werkstücken gemäß Anspruch 1. Ein Verfahren zum Laserschwei-ßen von Aluminiumlegierungs-Werkstücken beinhaltet die Verwendung von Doppellaserstrahlen in einer Kreuzstrahl-Orientierung. Die Aluminiumlegierungs-Werkstücke werden zuerst zusammengebracht, um eine Schweißnaht herzustellen. Dann werden die Doppellaserstrahlen und ein Schweißdraht entlang der Schweißnaht bewegt, bevorzugt unter der Abdeckung eines inerten Schutzgases, um als deren Folge eine Laserschweißverbindung zu hinterlassen. Als Teil des Formens der Laserschweißverbindung schmelzen die Doppellaserstrahlen ein Arbeitsende des Schweißdrahtes, um geschmolzenes Schweißmaterial an und entlang der Schweißnaht abzuscheiden, und sie können selbst Abschnitte der Aluminiumlegierungs-Werkstücke benachbart zu der Schweißnaht schmelzen, ohne ein Stichloch zu produzieren, das in die Werkstücke eindringt. Anders ausgedrückt werden die Aluminiumlegierungs-Werkstücke durch die Doppellaserstrahlen geschmolzen, wobei solch ein Schmelzen infolge von Energieabsorption- und -leitung (d. h. Wärmeleitungsschweißen) an den Oberflächen der Aluminiumlegierungs-Werkstücke und nicht aus der Bildung eines Stichloches stattfindet. Die Doppellaserstrahlen können in einem Wärmeleitungsschweißmodus fungieren, da ihre kombinierte Laserstrahl-Abdeckfläche größer ist als die eines einzigen Laserstrahls.
Die Doppellaserstrahlen umfassen einen ersten Laserstrahl, der sich entlang einer ersten Längsachse erstreckt, und einen zweiten Laserstrahl, der sich entlang einer zweiten Längsachse erstreckt. Wenn sie in der Kreuzstrahl-Orientierung angeordnet sind, bildet eine Ebene, die die erste Längsachse und die zweite Längsachse des ersten bzw. des zweiten Laserstrahls schneidet, eine Linie, wo sie auf die Aluminiumlegierungs-Werkstücke trifft, die quer zu der Schweißnaht orientiert ist. Die oben erwähnte Ebene kann rechtwinklig zu der Schweißnaht stehen, muss es aber nicht unbedingt, da sie bis zu 45° von der Rechtwinkeligkeit zu der Schweißnaht abgewinkelt sein kann, ohne die vorgesehene Funktion der Doppellaserstrahlen zu beeinflussen. Infolge ihrer Kreuzstrahlanordnung überlappen die Abdeckflächen des ersten und des zweiten Laserstrahls zumindest bis zu einem gewissen Grad. Die durch die beiden Laserstrahlen produzierte überlappende Abdeckfläche fällt auf das Arbeitsende des Schweißdrahtes, um die Laserschweißverbindung entlang der Schweißnaht herzustellen ohne ein Stichloch zu produzieren. Außer dass sie von einer Ebene geschnitten werden, die quer zu der Schweißnaht steht, können die erste und die zweite Längsachse des ersten und des zweiten Laserstrahls zusätzlich auch in Richtung zueinander zusammenlaufen, während die Laserstrahlen sich der Schweißnaht nähern, wenngleich ein solches Zusammenlaufen nicht zwingend erforderlich ist.
Die Doppellaserstrahlen, wie oben erwähnt, können Abschnitte der Aluminiumlegierungs-Werkstücke benachbart zu der Schweißnaht mittels Energieabsorption- und -leitung an den Oberflächen der Werkstücke schmelzen. Solch ein Wärmeleitungsschmelzen wird möglich gemacht, da die kombinierte Strahlenabdeckfläche des ersten und des zweiten Laserstrahls größer ist als die eines einzelnen Laserstrahls, der üblicherweise mit Aluminiumlegierungs-Werkstücken verwendet wird, was wiederum eine Verringerte Energiedichte zur Folge hat, die in Richtung der Schweißnaht und des Schweißdrahtes gerichtet wird. Das Schmelzen der Aluminiumlegierungs-Werkstücke mittels Konduktion führt - im Gegensatz dazu, ein Stichloch zu produzieren - zu einer Laserschweißverbindung, die ein optisch ästhetischeres und glattes Aussehen aufweist. Tatsächlich können die Doppellaserstrahlen, wenn sie angewendet werden, eine Laserschweißverbindung mit einer frei liegenden oberen Oberfläche produzieren, die im Rohzustand lackiert werden kann, ohne dass sie durch Bürsten, Polieren, Schleifen oder eine andere geeignete Prozedur geglättet werden muss. Und während der Doppellaserstrahlaufbau verwendet werden kann, um Aluminiumlegierungs-Werkstücke, die für eine Vielfalt von Anwendungen geeignet sind, laserzuschweißen, ist er besonders zweckdienlich, wenn die Schweißnaht z. B. auf einer Klasse-A-Oberfläche eines Automobilkomponententeils vorhanden ist oder sein wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Draufsicht eines Paares von Aluminiumlegierungs-Werkstücken, die durch die koordinierte Bewegung von Doppellaserstrahlen und eines Schweißdrahtes entlang der Schweißnaht entlang der Schweißnaht lasergeschweißt werden;
2 ist eine Querschnitts-Seitenansicht der in 1 ausgeführten Laserschweißtätigkeit;
3 ist eine Querschnittsansicht der in 1 abgebildeten Schweißnaht entlang der Linie 3-3;
4 ist eine Querschnittsansicht der in 1 abgebildeten Schweißnaht entlang der Linie 4-4;
5 ist eine schematische Illustration einer Laserschweißapparatur, die in der Lage ist, die Doppellaserstrahlen auf und entlang eine/r zwischen den Aluminiumlegierungs-Werkstücken hergestellte Schweißnaht dieser zu richten;
6 ist eine schematische Illustration des Laseroptikkopfes der in 5 abgebildeten Laserschweißapparatur; und
7 ist eine Mikrophotographie eines Querschnitts der gemäß dem in der Offenbarung dargelegten BEISPIEL gebildeten Laserschweißverbindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die 1-6 illustrieren eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zum Zusammenschweißen mittels Laser von Aluminiumlegierungs-Werkstücken 10 während z. B. der Fertigung eines Automobilkomponententeils wie z. B. eines Daches, Kofferraumdeckels oder Kofferraumes. Das Laserschweißverfahren verwendet Doppellaserstrahlen, die in einer Kreuzstrahl-Orientierung angeordnet sind, und kann an einer Stelle ausgeführt werden, die eine Klasse-A-Oberfläche des Komponententeils sein soll. Die Aluminiumlegierungs-Werkstücke 10 können aus einer beliebigen geeigneten Aluminiumlegierung zusammen mit ihrer natürlich vorhandenen Oberflächen-Oxidschicht oder, falls erwünscht, einer alternativen aufgebrachten Oberflächenbeschichtung wie z. B. einer Zink-, Zinn oder- einer Metall-Konversionsschicht zusammengesetzt sein. Einige Beispiele von Aluminiumlegierungen, die verwendet werden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung der Serie 5XXX (z. B. AA5754), eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung der Serie 6XXX (z. B. AA6022) und eine Aluminium-Zink-Legierung der Serie 7XXX (z. B. AA7003). Der Ausdruck „Werkstück“ wird in dieser Offenbarung weitreichend verwendet, um eine Metallblechschicht oder eine beliebige andere Art von laserschweißbarem Substrat einschließlich eines Gussteils oder eines Stranggussteiles zu bezeichnen.
Nunmehr speziell Bezug nehmend auf die 1-4 sind ein erstes Aluminiumlegierungs-Werkstück 12 und ein zweites Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 gezeigt, die zusammengebracht wurden, um eine Schweißnaht 16 zwischen ihnen herzustellen. Jedes von dem ersten und dem zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 umfasst eine oben liegende Oberfläche 18, 20 benachbart zu der Schweißnaht 16 auf, die letztlich ein Teil einer Klasse-A-Oberfläche eines fertigen Automobilkomponententeils werden kann. Die oben liegenden Oberflächen 18, 20 können allgemein flach sein, wie gezeigt, oder sie können ein komplexeres, dreidimensionales Profil aufweisen. Um das erste und das zweite Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 mittels Laserschweißen zu fügen, werden die Doppellaserstrahlen 22, der in einer Kreuzstrahl-Orientierung angeordnet ist, in Verbindung mit einem Schweißdraht 24 auf die Schweißnaht 16 gerichtet und diese entlang bewegt, um dahinter und infolge der koordinierten Bewegung der Laserstrahlen 22 und des Schweißdrahtes 24 eine Laserschweißverbindung 26 zu produzieren, wie nachstehend in näherem Detail erklärt wird.
Die Doppellaserstrahlen 22 umfassen einen ersten Laserstrahl 28 und einen zweiten Laserstrahl 30. Jeder von dem ersten und dem zweiten Laserstrahl 28, 30 kann eine Leistung aufweisen, die abhängig von einer Vielfalt von Faktoren einschließlich der genauen Zusammensetzung und Dicke des ersten und des zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14, der Zusammensetzung des Schweißdrahtes 24 und der Abtastgeschwindigkeit der Doppellaserstrahlen 22 entlang der Schweißnaht 16 von 500 W bis 10 kW reicht. Der erste und der zweite Laserstrahl 28, 30 können von jeder beliebigen geeigneten Art sein, welche die von dem Laserschweißbetrieb benötigte Leistung, insbesondere in einer Produktionsumgebung, liefern kann. Beispiele solcher Laserstrahlen umfassen z. B. einen fasergeführten Laserstrahl im nahen Infrarot, die von verschiedenen Lieferanten wie z. B. IPG Photonics (Firmenzentralen in Oxford, Massachusetts) und Trumpf Inc. (Nordamerikanische Zentralen in Farmington, Connecticut) beziehbar sind.
Der erste Laserstrahl 28 erstreckt sich entlang einer ersten Längsachse 32 und der zweite Laserstrahl 30 erstreckt sich entlang einer zweiten Längsachse 34. Wenn sie in der Kreuzstrahl-Orientierung angeordnet sind, bildet eine Ebene 36, die die erste Längsachse 32 und die zweite Längsachse 34 des ersten bzw. des zweiten Laserstrahls 28, 30 schneidet, eine Linie 38, wo die Ebene 36 auf die oben liegenden Oberflächen 18, 20 der Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14 trifft, die quer zu der Schweißnaht 16 orientiert ist. Die Linie 38 kann rechtwinklig zu der Schweißnaht 16 stehen, wie gezeigt, oder sie kann bis zu 45° von der Rechtwinkeligkeit zu der Schweißnaht 16 in jeder Richtung abgewinkelt sein, wie durch die Strichlinien 40 gezeigt. Die erste und die zweite Längsachse 32, 34 des ersten und des zweiten Laserstrahls 28, 30 können auch in Richtung zueinander und zu der Schweißnaht 6 innerhalb der Ebene 36 zusammenlaufen. Dieses Zusammenlaufen bringt den ersten und den zweiten Laserstrahl 28, 30 an der Schweißnaht 16 zusammen, sodass die auf die Laserstrahlen 28, 30 zurückzuführenden Strahlenabdeckflächen zumindest bis zu einem gewissen Grad überlappen. Die erste und die zweite Längsachse 32, 34 des ersten und des zweiten Laserstrahles 28, 30 müssen aber nicht unbedingt zusammenlaufen und sich an der Schweißnaht 16 treffen. Die Achsen 32, 34 der Laserstrahlen 28, 30 können parallel sein oder sie können sich an einer bestimmten Stelle kreuzen, bevor sie an der Schweißnaht 16 ankommen, während dennoch überlappende Strahlenabdeckflächen zumindest bis zu einem gewissen Grad unterstützt werden.
Sobald sie in Richtung der Schweißnaht 16 gerichtet und fokussiert sind, werden die Doppellaserstrahlen 22 zusammen mit dem Schweißdraht 24 in einer Schweißrichtung 42 entlang der Schweißnaht 16 bewegt, um die Schweißverbindung 26 zu produzieren. Der Schweißdraht 24 umfasst ein Arbeitsende 44, das der Bewegung der Doppellaserstrahlen 22 entlang der Schweißnaht 16 folgt und sowohl von dem ersten Laserstrahl 28 als auch dem zweiten Laserstrahl 30 beaufschlagt wird, wie allgemein in den 1 und 3 gezeigt ist. Der Schweißdraht 24 ist bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung wie beispielsweise einer 4043- oder 4047-Aluminium-Silizium-Legierung zusammengesetzt. Und während eine große Vielfalt von Aluminiumlegierung-Schweißdrähten im Handel erhältlich ist, weist ein typischer Schweißdraht, der zur Verwendung mit den Doppellaserstrahlen 22 geeignet ist, einen Durchmesser von etwa 1 mm bis etwa 2 mm auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 2 gezeigt, geht der Schweißdraht 24 dem ersten und dem zweiten Laserstrahl 28, 30 entlang der Schweißnaht 16 in der Schweißrichtung 42 voraus, und der erste und der zweite Laserstrahl 28, 20 sind von dem Schweißdraht 24 weg geneigt, sodass ihre Längsachsen 32, 34 von der Normalen in eine Richtung entgegengesetzt zu der Schweißrichtung 42 versetzt sind (d. h., der erste und der zweite Laserstrahl 28, 30 sind in einer „schiebenden“ Anordnung geneigt), wenngleich andere Aufbauformen bestimmt möglich sind. Außerdem bewegt sich eine Schutzgasdüse 46 entlang der Schweißnaht 16 mit den Doppellaserstrahlen 22 und dem Schweißdraht 24, um ein inertes Schutzgas 48 wie z. B. Argon abzugeben. Das inerte Schutzgas 48 sorgt für eine sauerstofffreie Umgebung in der umliegenden Nähe der Doppellaserstrahlen 22 und des Arbeitsendes 44 des Schweißdrahtes 42.
Die durch den auftreffenden ersten und zweiten Laserstrahl 28, 30 bereitgestellte Energie schmilzt das Arbeitsende 44 des Schweißdrahtes 24 - das durch kontinuierliches Zuführen des Schweißdrahtes 24 nach vorn, während er geschmolzen und verbraucht wird, aufrechterhalten wird - und hat ein geschmolzenes Schweißmaterial zur Folge, das an und entlang der Schweißnaht 16 abgeschieden wird. Die durch den ersten und den zweiten Laserstrahl 28, 30 bereitgestellte Energie kann auch Abschnitte der Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14 benachbart zu der Schweißnaht 16 schmelzen, ohne ein Stichloch zu produzieren, das in die Werkstücke 12, 14 eindringt; das heißt, die Energie des ersten und des zweiten Laserstrahles 28, 30 initiiert ein Schmelzen, indem sie durch die Teile der Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14 absorbiert und geleitet wird, die innerhalb der Strahlenabdeckflächen liegen und damit von dem ersten und/oder dem zweiten Laserstrahl 28, 30 beaufschlagt werden. Solch ein Wärmeleitungsschmelzen ist erreichbar, da die von dem ersten und dem zweiten Laserstrahl 28, 30 projizierte, kombinierte Strahlenabdeckfläche größe ist als sie es andernfalls wäre, wenn ein einziger Laserstrahl verwendet würde. Die erweiterte Strahlenabdeckfläche verringert wiederum die Energiedichte, die in Richtung der Schweißnaht 16 und des Schweißdrahtes 14 gerichtet wird, um so die Erzeugung eines Stichloches zu vermeiden. Das geschmolzene Schweißmaterial und, falls sie initiiert wurden, die geschmolzenen Abschnitte der Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14, werden gegen eine inakzeptable Oxidation durch die örtlich begrenzte sauerstofffreie Umgebung geschützt, die durch das inerte Schutzgas 48 aufrechterhalten wird.
Das von dem Schweißdraht 24 stammende geschmolzene Schweißmaterial härtet hinter den Doppellaserstrahlen 22 zu der Schweißverbindung 26 aus, wenn die Doppellaserstrahlen 22 und der Schweißdraht 24 entlang der Schweißnaht 26 in der Schweißrichtung 42 vorrücken, wie in den 1 und 4 gezeigt. Und was die Mechanik der Schweißverbindung 26 betrifft, kann diese das Verschmelzen mit den Aluminiumlegierungs-Werkstücken 12, 14 umfassen oder nicht. Das geschmolzene Schweißmaterial kann z. B. mit den geschmolzenen Abschnitten der Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14 verschmelzen, falls ein Schmelzen der Werkstücke 12, 14 stattfindet, oder es kann die Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14 einfach benetzen, falls ein Schmelzen der Werkstücke 12, 14 nicht stattfindet. In jedem Szenario weist die gebildete Schweißverbindung 26 eine obere Oberfläche 50 auf, welche die Schweißnaht 16 überspannt und die oben liegenden Oberflächen 18, 20 des ersten und des zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 verbindet. Da die Doppellaserstrahlen 22 während ihrer Verschiebung entlang der Schweißnaht 26 kein Stichloch geschaffen haben, ist die obere Oberfläche 50 der Schweißverbindung 26 glatt und optisch ästhetisch. Im Speziellen kann die obere Oberfläche 50 in vielen Fällen im Rohzustand lackiert werden, ohne zuvor gebürstet, poliert, geschliffen oder anderweitig geglättet werden zu müssen. Dieser Grad an Oberflächenglätte ist besonders wünschenswert - und aus produktionstechnischer Sicht praktisch - wenn erwartet wird, dass die oben liegenden Oberflächen 18, 20 der Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14 und die Schweißverbindung 26 letztendlich eine Klasse-A-Oberflächenqualität aufweisen.
Die Doppellaserstrahlen 22 können mithilfe jeder beliebigen geeigneten Laserschweißvorrichtung die Schweißnaht 16 entlang gerichtet, fokussiert und bewegt werden. Wie in den 5-6 gezeigt, kann z. B. eine Laserschweißapparatur der herkömmlichen Auswahl verwendet werden. Die Laserschweißapparatur 52 umfasst einen Laseroptikkopf 54, der über ein Glasfaserkabel 58 mit einem Laserstrahlgenerator 56 verbunden ist, und einen Roboterarm 60, der den Laseroptikkopf 54 abstützt und trägt. Der Roboterarm 60 kann mit einer Basis 62 verbunden sein und ist mit Dreh-, Schwenk-, Scharnier- und/oder anderen Arten von Anschlussteilen gebaut, die es dem Arm 60 gestatten, den Laseroptikkopf 54 in einer gesteuerten Weise entlang der Schweißnaht 16 zu bewegen. Und während dies in 5 (oder den 1-2) nicht explizit gezeigt ist, können der Schweißdraht 24 und die Schutzgasdüse 46, falls verwendet, durch den Laseroptikkopf 54 abgestützt werden, um eine koordinierte Bewegung der Doppellaserstrahlen 22, des Schweißdrahtes 24 und der Schutzgasdüse 46 entlang der Schweißnaht 16 sicherzustellen.
Der Laseroptikkopf 54 umfasst optische Komponenten, welche die Doppellaserstrahlen 22 erzeugen. Wie schematisch in 6 gezeigt, sind die Doppellaserstrahlen 22 durch eine Strahlenteilungssequenz gebildet. In der abgebildeten Ausführungsform wird der Laserstrahlgenerator 56 aktiviert, um einen divergierenden konischen Laserstrahl 64 von einem Ende des Glasfaserkabels 58, das sich innerhalb des Laseroptikkopfes 54 befindet, zu liefern. Der divergierende konische Laserstrahl 64 durchläuft dann einen Kollimator 66 - wie z. B. eine gekrümmte (z. B. parabolische oder sphärische) Linse - um den divergierenden konischen Laserstrahl 64 zu einem kollimierten Laserstrahl 68 umzuwandeln, der einen ziemlich konstanten Strahldurchmesser entlang seiner Länge aufweist. Als Nächstes wird ein Anteil des kollimierten Laserstrahles 68 durch ein optisches Strahlenteilungsprisma 70 hindurch geleitet. Die zwei geteilten Strahlenanteile des kollimierten Laserstrahles 68 durchlaufen dann eine Fokussierungslinse 72, die wie der Kollimator 66 gekrümmt sein kann, um die geteilten Strahlenanteile in Richtung der Schweißnaht 16 zu fokussieren und zu richten, wie den ersten und den zweiten Laserstrahl 28, 30. Es können selbstverständlich andere Komponenten oder Teile, die in der schematischen Illustration von 6 nicht dargestellt sind, einschließlich z. B. eines Reflektors und einer Schutzabdeckung vorhanden sein.
Das bevorzugte Verfahren zur Verwendung von Doppellaserstrahlen 22 zum Laserschweißen des ersten und des zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 entlang der Schweißnaht 16, wie soeben beschrieben, unterliegt innerhalb der Kenntnis von Fachleuten verschiedenen Abänderungen, die z. B. die genaue Bauform und Konstruktion der Laserschweißapparatur 52 einschließen. Aus diesem und anderen Gründen sind die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und das folgende Beispiel nur beschreibender Natur; sie sollen den Schutzumfang der Patentansprüche, die folgen, nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendete Ausdrücke soll seine gebräuchliche und übliche Bedeutung haben, es sei denn, in der Patentbeschreibung wird ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes zum Ausdruck gebracht.
BEISPIEL
Um eine spezifische Implementierung des oben beschriebenen Verfahrens zu demonstrieren, wurden zwei 1,2 mm dicke AA6111 -Prüfkörper 10' zusammengebracht, um eine Schweißnaht zwischen ihnen herzustellen, wie in 7 gezeigt. Es wurden Doppellaserstrahlen mit jeweils einer Leistung von etwa 1875 W mithilfe eines optischen Prismas als Strahlenteiler hergestellt. Die Doppellaserstrahlen wurden in Verbindung mit einem AA4047-Schweißdraht mit einem Durchmesser von 1,6 mm mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 mm/s die Schweißnaht entlang gerichtet und bewegt. Die Laserstrahlen schmelzen das Arbeitsende des Schweißdrahtes wie auch Abschnitte 74 der Aluminiumlegierungs-Prüfkörper 10' benachbart zu der Schweißnaht, ohne ein Stichloch zu produzieren. Wie in 7 gezeigt, ist das abgeschiedene geschmolzene Schweißmaterial zu einer Laserschweißverbindung 76 ausgehärtet, die aufgrund der relativen Stabilität des Wärmeleitschweißmechanismus verglichen mit einem Stichlochschweißmechanismus eine glatte obere Oberfläche 78 aufwies. Es wurde beobachtet, dass die obere Oberfläche 78 der Schweißverbindung 76 für eine Klasse-A-Oberfläche eines fertigen Automobilkomponententeils optisch akzeptabel und glatt genug ist, sodass sehr wenig bis kein Bürsten notwendig wäre, um die Oberfläche zum Lackieren zugänglich zu machen.

Claims

Verfahren zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungs-Werkstücken (12, 14), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein erstes Aluminiumlegierungs-Werkstück (12) umfassend eine erste oben liegende Oberfläche (18) und ein zweites Aluminiumlegierungs-Werkstück (14) umfassend eine zweite oben liegende Oberfläche (20) vorgesehen werden, die zusammengebracht werden, um eine Schweißnaht (16) zu bilden, wobei die erste und zweite oben liegende Oberfläche (18, 20) entlang einer Achse ausgerichtet und benachbart zu der Schweißnaht (16) sind; Doppellaserstrahlen (22) in Richtung der zwischen den Aluminiumlegierungs-Werkstücken (12, 14) hergestellten Schweißnaht (16) gerichtet werden, wobei die Doppellaserstrahlen (22) einen ersten Laserstrahl (28), der sich entlang einer ersten Längsachse (32) erstreckt, und einen zweiten Laserstrahl (30), der sich entlang einer zweiten Längsachse (34) erstreckt, umfasst, und wobei eine Ebene (36), die die erste und die zweite Längsachse des ersten und des zweiten Laserstrahls schneidet, eine Linie bildet (38), wo die Ebene (36) auf die erste und zweite oben liegende Oberfläche (18, 20) des ersten und zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstücks (12, 14) trifft, wobei die Linie (38) quer zu der Schweißnaht (16) steht, und wobei der erste Laserstrahl (28) eine Abdeckfläche aufweist, und der zweite Laserstrahl (30) eine Abdeckfläche aufweist, wobei diese Abdeckflächen (28, 30) zumindest bis zu einem gewissen Grad überlappen, und wobei die kombinierte Abdeckfläche des ersten und des zweiten Laserstrahlen (28, 30) größer als die Abdeckfläche eines einzigen Laserstrahls (28, 30) ist; die Doppellaserstrahlen (22) zusammen mit einem Schweißdraht (24) entlang der Schweißnaht (16) bewegt werden, ohne ein Stichloch zu produzieren, das in das erste und das zweite Aluminiumlegierungs-Werkstück (12, 14) eindringt, wobei der Schweißdraht (24) ein Arbeitsende (44) aufweist, das der Schweißnaht (16) folgt und sowohl von dem ersten als auch dem zweiten Laserstrahl (28, 30) an der Schweißnaht (16) beaufschlagt wird; und das Arbeitsende (44) des Schweißdrahtes (24) mit den Doppellaserstrahlen (22) geschmolzen wird, um geschmolzenes Schweißmaterial entlang der Schweißnaht (16) abzuscheiden, während die Doppellaserstrahlen (22) und der Schweißdraht (24) entlang der Schweißnaht (16) bewegt werden, wobei das geschmolzene Schweißmaterial hinter den Doppellaserstrahlen (22) zu einer Laserschweißverbindung (76) erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Doppellaserstrahlen (22) Abschnitte des ersten und des zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstückes (12, 14) benachbart zu der Schweißnaht (16) schmelzen, und wobei die geschmolzenen Abschnitte des ersten und des zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstückes (12, 14) zusammen mit dem geschmolzenen Schweißdrahtmaterial aushärten und Teil der Laserschweißverbindung (76) werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder von dem ersten und dem zweiten Laserstrahl (28, 30) eine Leistung aufweist, die von 500 W bis 10 kW reicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Laseroptikkopf (54) die Doppellaserstrahlen (22) in Richtung des ersten und des zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstückes (12, 14) richtet, und wobei ein Roboterarm (60) den Laseroptikkopf (54) trägt und bewegt, sodass sich die Doppellaserstrahlen (22) entlang der Schweißnaht (16) bewegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schweißdraht (24) aus einer Aluminiumlegierung zusammengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Aluminiumlegierungs-Werkstück (12, 14) zusammen einen Teil eines Automobilkomponententeils bilden, und wobei die zwischen dem ersten und dem zweiten Aluminiumlegierungs-Werkstück (12, 14) hergestellte Schweißnaht (16) an einer sichtbaren äußeren Oberfläche des Automobilkomponententeils freiliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die entlang der Schweißnaht (16) gebildete Laserschweißverbindung (76) eine obere Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass: das erste und das zweite Aluminiumlegierungs-Werkstück (12, 14) einschließlich der oberen Oberfläche (78) der Laserschweißverbindung (76) im Rohzustand lackiert werden, ohne die obere Oberfläche (78) der Laserschweißverbindung (76) glätten zu müssen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: ein Schutzgas (48) auf die Schweißnaht (16) gerichtet wird, wo das Arbeitsende (44) des Schweißdrahtes (24) durch die Doppellaserstrahlen (22) geschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Laserstrahl (28, 30) in Richtung aufeinander zu zusammenlaufen, während der erste und der zweite Laserstrahl (28, 30) sich der Schweißnaht (16) nähern.