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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Laserlötverbindung zwischen beschichteten Stahlblechbauteilen umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines ersten beschichteten Stahlblechbauteils und eines zweiten beschichteten Stahlblechbauteils, - Verbinden der beiden Stahlblechbauteile durch Laserlöten mittels eines Zusatzmaterials entlang mindestens einer Lötfuge. Die Erfindung betrifft ferner eine lasergelötete Verbindung zwischen einem ersten beschichteten Stahlblechbauteil und einem zweiten beschichteten Stahlblechbauteil.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, beschichtete Stahlbleche mit zinkbasierten Überzügen im Automobilkarosseriebau zu verwenden, welche eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern und das Umformverhalten im Presswerk zu optimieren, wurden Beschichtungssysteme auf Zinkbasis mit Zusätzen von Magnesium und Aluminium entwickelt, vgl.
EP 1 851 352 B1 . Das Laserlöten bzw. Laserstrahllöten von auf Zinkbasis beschichteten Stahlblechen ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2018 120 523 A1 bekannt.
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Der Vorteil beim (Laser-)Löten im Vergleich zum (Laser-)Schweißen ist, dass das Grundmaterial (Blech) nicht aufschmilzt, was sonst zu einer höheren Korrosionsanfälligkeit führen würde. Beschichtungssysteme auf Zinkbasis mit Zusätzen von Magnesium und Aluminium sind wie Beschichtungssysteme rein auf Zinkbasis zwar gut schweißbar, haben aber beim Laserlöten den Nachteil, dass die Zusätze (Mg und AI) im Überzug während des Ausbildens einer Laserlötnaht beim Verbinden zweier Bleche die Diffusion erschweren und es dadurch zu einem verringerten Anbindungsquerschnitt kommen kann, insbesondere keine vollständige Anbindung der Laserlötnahtwurzel gewährleistet werden kann. Ein verringerter Anbindungsquerschnitt kann dazu führen, dass die im Einzelfall gewünschte bzw. durch den Kunden geforderte Festigkeit nicht erreicht wird. Dieser Effekt tritt beim Laserlöten von rein auf Zinkbasis beschichteten Stahlblechbauteilen nicht auf, sodass das gewünschte Festigkeitsniveau in der Laserlötverbindung sichergestellt werden kann, insbesondere eine im Wesentlichen vollständige Anbindung der Laserlötnahtwurzel gewährleistet werden kann.
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Um ein vergleichbares Festigkeitsniveau wie bei Beschichtungssystemen rein auf Zinkbasis zu erhalten, könnte dieser Effekt durch konstruktive Maßnahmen bei der Auslegung und der Fügesituation der beschichteten Stahlblechbauteile kompensiert werden, zum Beispiel durch zusätzliche Fügepunkte, Verlegen der Laserlötverbindung in weniger beanspruchte Bereiche, etc.
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Sollten diese konstruktiven Maßnahmen jedoch aus technischen, zum Beispiel Package-Restriktionen, oder optischen Gründen für den Kunden nicht möglich sein, besteht hier ein Optimierungsbedarf hinsichtlich der Laserlöteignung von Beschichtungssystemen auf Zinkbasis mit Zusätzen von Magnesium und optional Aluminium.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Laserlötverbindung zwischen beschichteten Stahlblechbauteilen anzugeben, mit welchem eine ausreichende Festigkeit in der Laserlötverbindung bereitgestellt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Erfinder haben festgestellt, dass die für die Verbindungs- und/oder Diffusionsprozesse erforderliche Energie (Laserleistung) beim standardmäßig eingesetzten Laserlötverfahren, wie in der
DE 10 2018 120 523 A1 beschrieben, nicht ausreichend ist, da der zinkbasierte Überzug mit Magnesium und optional Aluminium keine sichere Anbindung der Laserlötnahtwurzel respektive keine vollständige Anbindung des Laserlötnahtquerschnitts erlaubt und zwecks Verbesserung der Lötverbindung erhöht werden müsste. Der Laserstrahl wird durch das beim Laserlöten verwendete Zusatzmaterial im kritischen Bereich (im Aufschmelzbereich des Zusatzmaterials) der Lötverbindung abgeschattet, sodass nur eine reine Erhöhung der Laserleistung nicht sinnvoll wäre, dadurch zu einem Anschmelzen der Oberfläche des Grundmaterials führen würde, was aber beim Laserlötprozess keinesfalls gewünscht ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Stahlblechbauteil mit einem zinkbasierten Überzug beschichtet ist, wobei der Überzug neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Magnesium mit einem Gehalt von 0,3 bis zu 5 Gew.-% und optional Aluminium mit einem Gehalt bis zu 5 Gew.-% enthält, und dass beim Laserlöten zumindest vorlaufend vor dem Einbringen und Aufschmelzen des Zusatzmaterials die Lötfuge thermisch beaufschlagt wird.
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Ein vergleichbares Verfahren ist beispielhaft aus dem Artikel „Two-beam laser brazing of thin sheet steel for automotive industry using Cu-base filler material“, C. Mittelstädt et al. bekannt. Dieser Artikel zielt auf eine Laserlötverbindung von pressgehärteten, mit einem AlSi-Überzug versehenen Mangan-Bor-Stähle ab, um eine Fügeverbindung zwischen pressgehärteten Bauteilen bereitzustellen, durch welche die mittels Presshärten eingestellten Eigenschaften der Bauteile nicht nachteilig beeinflusst werden.
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Das erste und zweite Stahlblechbauteil ist mit zinkbasiertem Überzug beschichtet, welcher vorzugsweise durch Schmelztauchbeschichten aufgebracht ist, wobei der Überzug neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Magnesium mit einem Gehalt von 0,3 bis zu 5 Gew.-% und optional Aluminium mit einem Gehalt bis zu 5 Gew.-% enthält. Stahlbleche mit zinkbasiertem Überzug weisen einen sehr guten kathodischen Korrosionsschutz auf, welche seit Jahren im Automobilbau eingesetzt werden. Ein verbesserter Korrosionsschutz ist sichergestellt, wenn der Überzug Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,3 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,6 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,9 Gew.-% enthält. Aluminium kann zusätzlich zu Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,3 Gew.-% zugegeben werden, um insbesondere eine Anbindung des Überzugs an das Stahlblech zu verbessern und insbesondere eine Diffusion von Eisen aus dem Stahlblech in den Überzug bei einer Wärmebehandlung des beschichteten Stahlblechs im Wesentlichen zu vermeiden. Sowohl Magnesium wie auch Aluminium können jeweils insbesondere auf einen maximalen Gehalt von 4 Gew.-%, vorzugsweise auf 3 Gew.-% beschränkt sein. Besonders bevorzug kann der Gehalt von Magnesium und Aluminium in Summe mindestens 1 Gew.-% und maximal 5 Gew.-% betragen.
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Die Dicke des Überzugs kann zwischen 1,5 und 15 µm, insbesondere zwischen 2 und 12 µm, vorzugsweise zwischen 3 und 10 µm betragen. Unterhalb der Mindestgrenze kann kein ausreichender kathodischer Korrosionsschutz gewährleistet werden und oberhalb der Höchstgrenze können Fügeprobleme beim Verbinden des Stahlblechs respektive eines daraus gefertigten Stahlblechbauteils mit einem anderen Bauteil auftreten.
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Das erste und das zweite Stahlblechbauteil werden mittels Laserlöten miteinander verbunden. Vor der Verbindung werden die Stahlblechbauteile nach Bedarf und Anforderung ausgerichtet und zueinander positioniert, dass sie zwischen sich im zu verbindenden Bereich mindestens eine Lötfuge ausbilden, in welcher durch Energieeinwirkung und Zuführen eines Zusatzmaterials eine Lötverbindung und somit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Stahlblechbauteilen hergestellt wird.
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Unter „thermisch beaufschlagt“ im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass die Lötfüge vorlaufend zum eigentlichen Laserlötprozess mit einer Energie (Vorwärmenergie) beaufschlagt wird, die mindestens 15% der Energie (Verbindungsenergie) entspricht, die zum Aufschmelzen des Zusatzmaterials und Ausbilden einer Lötverbindung erforderlich ist. Zur Verbesserung und/oder Stabilisierung des Laserlötprozesses kann die Vorwärmenergie insbesondere mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% der Verbindungsenergie betragen.
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Bedingt durch die im Vorlauf thermische Beaufschlagung der Lötfuge können die im zinkbasierten Überzug enthaltenen Zusätze wie Magnesium und optional Aluminium im Gefüge des Überzugs beeinflusst werden, sodass im anschließenden Laserlötprozess diese Zusätze die Diffusionsprozesse nicht negativ beeinflussen und damit eine vollständige Anbindung des Laserlötnahtquerschnitts sichergestellt werden kann.
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Das Zusatzmaterial wird bevorzugt als Zusatzdraht zugeführt und besteht aus einer kupferbasierten Zusammensetzung. Der Vorschub des Zusatzdrahtes wird insbesondere zwischen 2 und 10 m/min eingestellt, vorzugsweise zwischen 3 und 9 m/min, bevorzug zwischen 3,5 und 8,5 m/min. Der Zusatzdraht kann einen Durchmesser zwischen 1,0 und 1,6 mm aufweisen.
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Die Laserleistung zum Ausbilden einer Lötverbindung wird insbesondere zwischen 1,8 und 10 kW eingestellt, vorzugsweise zwischen 2 und 7 kW, bevorzugt zwischen 2,1 und 5 kW.
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Die Geschwindigkeit zum Ausbilden einer Lötverbindung wird insbesondere zwischen 1,5 und 10 m/min eingestellt, vorzugsweise zwischen 2 und 8 m/min, bevorzugt zwischen 2,1 und 7 m/min.
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Weiterhin erfindungsgemäß wird ein Laser verwendet, wobei eine Laserstrahlung ausgehend vom Laser derart auf das Zusatzmaterial gerichtet wird, dass ein Teil der Strahlung (Verbindungsenergie) vom Zusatzmaterial zum Aufschmelzen des Zusatzmaterials und Ausbilden der Lötverbindung absorbiert wird und ein Teil der Strahlung (Vorwärmenergie) von dem Zusatzmaterial vorlaufend auf die Lötfuge zur Vorwärmung der Lötfuge reflektiert wird. Anhand von Simulationen und/oder „trial and error“-Versuchen kann die notwendige Laserleistung und der notwendige Winkel, der die beiden Teilaufgaben erfüllt, ermittelt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird das erste beschichte Stahlblechbauteil mit einem Höhenversatz zum zweiten beschichteten Stahlblechbauteil positioniert.
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Gemäß einer Ausgestaltung besteht das erste und/oder das zweite Stahlblechbauteil aus einem Kohlenstoffstahl mit einer Zugfestigkeit Rm bis maximal 600 MPa, insbesondere bis maximal 500 MPa, vorzugsweise bis maximal 400 MPa. Die Zugfestigkeit des ersten und/oder zweiten Stahlblechbauteils bezieht sich auf den Endzustand bzw. Einbauzustand der Stahlblechbauteile. Der Kohlenstoffstahl ist ein kalt umformbarer Stahl, insbesondere ein Tiefziehstahl, BH-Stahl (bake-hardening) oder IF-Stahl (interstitial free). Das erste und/oder zweite Stahlblechbauteil kann eine Dicke bis maximal 2 mm, insbesondere bis maximal 1,5 mm, vorzugsweise bis maximal 1 mm, bevorzugt bis maximal 0,8 mm aufweisen.
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Gemäß einer zweiten Lehre betrifft die Erfindung eine lasergelötete Verbindung zwischen einem ersten beschichteten Stahlblechbauteil und einem zweiten beschichteten Stahlblechbauteil, wobei das erste und das zweite Stahlblechbauteil mit einem zinkbasierten Überzug beschichtet ist, wobei der Überzug neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Magnesium mit einem Gehalt von 0,3 bis zu 5 Gew.-% und optional Aluminium mit einem Gehalt bis zu 5 Gew.-% enthält, wobei die lasergelötete Verbindung zwischen den Stahlblechbauteilen eine vollständige Anbindung des Lasernahtquerschnitts aufweist.
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Unter „vollständige Anbindung“ des Lasernahtquerschnitts im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass eine Laserlötnaht im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen durchgehend lunker- und/oder porenfrei zur angrenzenden Oberfläche des mindestens einen Stahlblechbauteils, vorzugsweise zu den angrenzenden Oberflächen der Stahlblechbauteile ausgebildet ist. Insbesondere sind Abweichungen im Rahmen der Toleranz zulässig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die lasergelötete Verbindung als Bördelnaht oder Kehlnaht ausgebildet. Eine Bördelnaht kommt beispielsweise im Bereich einer Dachkonstruktion im Automobilkarosseriebereich zur Anwendung. Eine Kehlnaht kommt beispielsweise im Bereich eines bewegten, insbesondere großflächigen Karosserieteils im Automobilkarosseriebereich zur Anwendung, vorzugsweise an einer Tür, Motorhaube oder Heckklappe.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- 2: eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels,
- 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- 4 eine schematische Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels und
- 5a, b: jeweils einen Ausschnitt eines Schliffbildes einer lasergelöteten Verbindung gemäß dem Stand der Technik (a) und einer lasergelöteten Verbindung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform (b).
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Zwei beschichtete Stahlblechbauteile (1, 2), wobei das erste Stahlblechbauteil (1.1) und das zweite Stahlblechbauteil (2.1) jeweils aus einem Kohlenstoffstahl mit einer Zugfestigkeit Rm bis maximal 600 MPa bestehen, jeweils eine Dicke bis maximal 2 mm aufweisen und jeweils mit einem zinkbasierten Überzug (1.2, 2.2) beschichtet sind, wobei der Überzug (1.2, 2.2) neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Magnesium mit einem Gehalt von 0,3 bis zu 5 Gew.-% und optional Aluminium mit einem Gehalt bis zu 5 Gew.-% enthält, werden über eine Kehlnahtverbindung mittels Laserlöten unter Verwendung eines Zusatzmaterials (5), vorzugsweise in Form eines kupferbasierten Zusatzdrahtes, miteinander verbunden. Um eine ausreichende Festigkeit in der Laserlötverbindung (3) und eine vollständige Anbindung des Laserlötnahtquerschnitts (3.1), vgl. 3b), sicherstellen zu können, wird beim Laserlöten zumindest vorlaufend vor dem Einbringen und Aufschmelzen des Zusatzmaterials (5) die Lötfuge (4) thermisch beaufschlagt. Es kann beispielsweise ein nicht dargestellter Laser verwendet werden, wobei eine Laserstrahlung (6) ausgehend vom Laser derart auf das Zusatzmaterial (5) gerichtet wird, dass ein Teil der Strahlung vom Zusatzmaterial (5) zum Aufschmelzen des Zusatzmaterials (5) und Ausbilden der Lötverbindung (3) absorbiert wird und ein Teil der Strahlung (6.1) von dem Zusatzmaterial (5) vorlaufend auf die Lötfuge (4) zur Vorwärmung der Lötfuge (4) reflektiert wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung können ein nicht dargestellter Laser, durch welchen eine Laserstrahlung (6) auf das Zusatzmaterial (5) gerichtet und dadurch ein Aufschmelzen des Zusatzmaterials (5) und Ausbilden der Lötverbindung (3) bewirkt wird, und mindestens eine weitere nicht dargestellte Wärmequelle, welche von dem Zusatzmaterial (5) vorlaufend auf die Lötfuge (4) zur Vorwärmung der Lötfuge (4) einwirkt, symbolisch durch den Pfeil (7) gezeigt, verwendet werden.
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Die in den 1 und 2 gezeigte lasergelötete Verbindung (3) in Form einer Kehlnaht kommt beispielsweise im Bereich eines bewegten Karosserieteils, insbesondere einer Tür, Motorhaube oder Heckklappe, im Automobilkarosseriebereich zur Anwendung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel werden zwei beschichtete Stahlblechbauteile (1, 2) über eine Bördelnahtverbindung mittels Laserlöten unter Verwendung eines Zusatzmaterials (5) miteinander verbunden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum alternativen Ausführungsbeispiel werden zwei beschichtete Stahlblechbauteile (1, 2) über eine Bördelnahtverbindung mittels Laserlöten unter Verwendung eines Zusatzmaterials (5) miteinander verbunden. Des Weiteren wurde das erste beschichtete Stahlblechbauteil (1) mit einem Höhenversatz (H) zum zweiten beschichteten Stahlblechbauteil (2) positioniert.
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Die in den 3 und 4 gezeigte lasergelötete Verbindung (3) in Form einer Bördelnaht kommt beispielsweise im Bereich einer Dachkonstruktion im Automobilkarosseriebereich zur Anwendung.
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5 zeigt jeweils einen Ausschnitt eines Schliffbildes, wobei die Schliffe für eine lichtmikroskopische Untersuchung poliert und mit 3%iger HN03-Säure geätzt wurden, wobei Aufnahmen mit 25-facher Vergrößerung gemacht wurden, einer lasergelöteten Verbindung in Form einer Bördelnaht gemäß dem Stand der Technik 5a) und einer lasergelöteten Verbindung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform 5b).
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Der Unterschied zwischen der Ausführung gemäß des Standes der Technik und der erfindungsgemäßen Ausführung ist deutlich in dem Schliffbild zu erkennen. 5a) zeigt Fehlstellen innerhalb des Lasernahtquerschnitts (3.1) auf, jeweils strichliniert eingekreist, wodurch ein verringerter Anbindungsquerschnitt ausgebildet wird, welcher nicht die gewünschte bzw. geforderte Festigkeit aufweisen kann und dadurch bei entsprechender Belastung auch frühzeitig in der Laserlötverbindung (3) versagen kann. 5b) hingegen zeigt eine vollständige Anbindung des Lasernahtquerschnitts (3.1), bedeutet, dass die Laserlötverbindung (3) im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen durchgehend lunker- und/oder porenfrei zur angrenzenden Oberfläche des ersten beschichteten Stahlblechbauteils (1) wie auch zur angrenzenden Oberfläche des zweiten Stahlblechbauteils (2) ausgebildet ist. Das Verfahren zur Herstellung der Laserlötverbindung (3) in 5b) kann auch gemäß der gezeigten Anordnung wie in 1 oder 2 ausgeführt werden.
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In einer Untersuchung wurden mehrere Proben aus unterschiedlich beschichteten Stahlblechbauteilen mittels unterschiedlichen Laserlötverfahren mit Zusatzmaterial jeweils über eine Laserlötverbindung in Form einer Bördelnaht gemäß der
5a) und
5b) miteinander verbunden. Die Stahlblechbauteile bestanden aus einem Kohlenstoffstahl mit Zugfestigkeiten bis maximal 600 MPa und jeweils Dicken bis maximal 2 mm. Ein Teil der untersuchten Stahlblechbauteile waren mit einem reinen zinkbasierten Überzug (Z) versehen, der andere Teil der untersuchten Stahlblechbauteile waren mit einem zinkbasierten Überzug mit zusätzlichen Elementen wie Magnesium (Mg) mit einem Gehalt von 0,3 bis zu 5 Gew.-% und optional Aluminium (Al) mit einem Gehalt bis zu 5 Gew.-% versehen. Als Lötverfahren kamen der Standardprozess (S), sowie die in den
1,
3 und
2,
4 gezeigten Anordnungen (A1, A2) des Lasers zum Einsatz, wobei bei der Anordnung (A2) gemäß
2,
4 als Wärmequelle ein weiterer Laser verwendet wurde. Die lasergelöteten Proben wurden einer Zugprüfung nach DVS 2614-1 unterzogen. Pro Probe wurden jeweils zwei gleiche Stahlblechbauteile mit gleichem Überzug verwendet. Als Zusatzmaterial wurde ein kupferbasierter Zusatzdraht verwendet, ein Zusatzdraht der Güte CuSi31Mn1. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Untersuchungen dargestellt. Tabelle 1
| Probe | Überzug [Gew.%] | Anordnung | Laserleistung [kW] | Lötgeschwindigkeit [m/min] | Drahtvorschub [m/min] | Versagen |
| 1 | Z | S | 4 | 4,5 | 2,6 | + |
| 2 | Mg1, Al1 | S | 4 | 4,5 | 2,6 | - |
| 3 | Mg2, Al2 | S | 4 | 4,5 | 2,6 | - |
| 4 | Mg1, Al1 | A1 | 4,75 | 6 | 8 | + |
| 5 | Mg2, Al1 | A2 | 4/1 | 5 | 2,8 | + |
| 6 | Mg1, Al2 | A1 | 4,75 | 6 | 8 | + |
| 7 | Mg2, Al2 | A2 | 4/1 | 5 | 2,8 | + |
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Da Proben 1 bis 7 bis zum Versagen (Reißen) beansprucht wurden, bedeutet +, dass die Probe in einem der Stahlblechbauteile versagt hat und nicht in der Laserlötverbindung, sodass eine ausreichende Festigkeit in der Laserlötnaht eingestellt werden konnte. - bedeutet ein Versagen in der Laserlötverbindung, was nicht zufriedenstellend war, vgl. Proben 2 und 3. Bei den Proben 5 und 7 bezieht sich die erste Laserleistung auf die Verbindungsenergie und die zweite Laserleistung auf die Vorwärmeenergie.
