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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung von beschichteten
Blechen nach den Oberbegriffen des Patentanspruchs 1 sowie ein beschichtetes
Blech nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. Derartige Verfahren
und Bleche sind bereits aus der JP-04231190 A, JP-11047967 A,
DE 4407190 A1 ,
DE 10135611 A1 ,
DE 69710761 T2 und
DE 19900910 A1 bekannt.
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Bei
vielen beschichteten Blechen, insbesondere bei Zink- und organisch
beschichteten Blechen wie sie in der Automobilindustrie Verwendung
finden, weist das Beschichtungsmaterial einen deutlich niedrigeren
Siedepunkt auf als der Schmelzpunkt des Blechmaterials. Dadurch
kommt es beim Laserschweissen derartiger Bleche im Überlapp-Stoß zu explosionsartigen
Verdampfungen von Beschichtungsmaterial, welche geschmolzenen Blechwerkstoff
mitreißen
und die Qualität
der Verbindung stark beeinträchtigen.
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Deshalb
wurde bereits in der JP-04231190 A vorgeschlagen, zwei Bleche spaltfrei übereinander zu
positionieren und dann zunächst
mittels eines ersten Laserstrahls bis zur Verdampfung der Beschichtung
zu erwärmen
und anschließend
die entschichteten Bleche mittels eines zweiten Laserstrahls zu
verschweißen.
Beide Laserstrahlen und Ihre zugehörigen optischen Einrichtungen
werden mittels eines Roboters geführt.
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Nachteilig
daran ist einerseits der umfangreiche apparative Aufwand für die beiden
erforderlichen optischen Systeme. Andererseits kann der Energieeintrag,
der zum Verdampfen der Beschichtungen zweier Bleche durch das dem
Laserstrahl zugewandte Blech eingebracht werden muss, abhängig von
der Zusammensetzung und der Dicke des dem Laserstrahl zugewandten
Bleches zu lokalem Verzug führen,
der bei hohen Genauigkeitsanforderungen nicht toleriert werden kann.
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In
der
DE 10135611 A1 wird
ein Verfahren offenbart, bei dem zwei zu verschweißende beschichtete
Bleche an vorbestimmten Positionen mittels eines Sandstrahls oder
thermischen Strahlmittels entschichtet und dann über den entschichteten Bereichen
verschweißt
werden. Hierzu wird eine Stahlmitteldüse der Schweißelektrode
vorgeschaltet und mit dieser von einem Roboter entlang der nachfolgenden Schweißnaht geführt. Alternativ
kann ein Laser als thermisches Strahlmittel eingesetzt werden. Somit
ist die Breite des entschichteten Bereichs bereits vorab durch die
Fokussierung des Lasers respektive die Breite des Laserbrennflecks
und seine Anordnung relativ zur Schweißelektrode fest vorgegeben.
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In
der
DE 4407190 A1 wird
ein Verfahren offenbart, bei dem ebenfalls eine Laserstrahl zur
Entschichtung eingesetzt wird und zwar derart, dass der Laser mittels
einer Zylinderoptik strichartig fokussiert wird und pro Lasertakt
damit eine Entschichtung erzeugt. Die Form einer solchen Entschichtung
ist zwingend rändelungsartig
und quer zu einer später anzubringenden
Schweißnaht
angeordnet.
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In
der
DE 69710761 T2 wird
ebenfalls eine Entschichtung mit einem Laserstrahl vorgeschlagen. Nachfolgend
erfolgt ein Schweißprozess,
jedoch nicht mittels eines Lasers, sondern mittels Widerstandsschweißens. In
der In der JP-11047967 wird ein Schweißverfahren offenbart, bei dem
Oberflächenänderungen
mit einem Laserstrahl erzeugt werden. In der
DE 19900910 A1 wird ein
Verfahren zur Reinigung technischer Oberflächen, insbesondere von Vulkanisierformen,
offenbart.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Laserbearbeitung von beschichteten Blechen sowie ein beschichtetes Blech
anzugeben, bei denen Verzug minimiert oder ganz ausgeschlossen ist.
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Die
Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. In Bezug auf das zu schaffende
Blech ist die Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 4
wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
und Bleches.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des zu schaffenden Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
ein zu verschweissendes, beschichtetes Blech zunächst an vorgebbaren Positionen
mittels des Laserstrahls auf der dem Laserstrahl zugewandten Seite
durch Erwärmung
bis zum Verdampfen der Beschichtung entschichtet wird, und dass
auf mindestens einer partiell entschichteten oder zu entschichtenden
Seite des Bleches mindestens eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung mittels
eines Laserstrahls erzeugt wird,
wobei der Hauptvorschubrichtung
des Laserstrahls eine transversale Bewegungskomponente so überlagert
wird,
dass die Beschichtung zumindest auf der dem Laserstrahl
zugewandten Seite des Bleches derart verdampft, dass der entschichtete
Bereich die Form einer darüber
zu schweißenden
Naht zuzüglich
einer vorgebbaren Überbreite
annimmt.
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Dabei
dient die herausragende Topographieänderung bei einem späteren Verschweissen
von mindestens zwei beschichteten Blechen in ihrer Umgebung lokal
als Abstandhalter für
die Ausbildung eines Spaltes, in den das verdampfende Beschichtungsmaterial
entweichen kann. Die Kombination von entschichteten Bereichen und
solchen mit Topographieänderung
ist zum Beispiel für
beschichtete Bleche mit komplexerer Geometrie vorteilhaft. In einem solchen
Fall können
ebene Bereiche mit Abstandhaltern in Form von Topographieänderungen
versehen werden und so dort ein fehlerfreies Verschweissen ermöglichen.
Gekrümmte
Bereiche werden jedoch besser partiell entschichtet, um dort eine
möglichst optimale
Schweiss-Verbindung zweier Bleche zu gewährleisten.
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Ein
wesentliche Vorteil gegenüber
der JP-04231190 A besteht darin, dass zur Entschichtung ein wesentlich
geringerer Energieeintrag erforderlich ist, der einen Verzug eines
Bleches nahezu ausschließt
oder zumindest minimiert. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Entschichtung
auf der dem Laserstrahl zugewandten Seite muss nämlich der Energieeintrag gemäß der JP-04231190
A auf die dem Laserstrahl abgewandte Seite mittels Wärmeleitung
durch das Blech hindurch erfolgen, wobei ein wesentlicher Anteil
nicht zur Verdampfung der Beschichtung ausgenutzt werden kann, sondern
vom Blech absorbiert wird und zu dessen Verzug bzw. Aufschmelzen
führen
kann. Darüber
hinaus muss bei dem Verfahren gemäß der JP-04231190 A auch noch die
Beschichtung des zweiten Bleches verdampft werden, woraus ein zusätzlicher
notwendiger Energieeintrag resultiert. Außerdem sind zwei gemäß der JP-04231190
A übereinander
positionierte Bleche zwar im Idealfall spaltfrei übereinander
angeordnet, dies trifft aber nicht für jede Position hundertprozentig zu,
so dass mitunter auch noch ein Spalt überbrückt werden muss, was nur mittels
Wärmeströmung und Wärmestrahlung
von der dem Laserstrahl abgewandten Seite des dem Laserstrahl zugewandten Bleches erfolgen
kann. Hierbei tritt zusätzliche
Energiedissipation seitwärts
auf, woraus eine weitere Erhöhung
des notwendigen Energieeintrags resultiert. Somit bedarf die erfindungsgemäße Entschichtung eines
wesentlich geringeren Energieeintrags als die Entschichtung gemäß der JP-04231190
A und unterliegt daher einem wesentlich geringeren Verzugs- und
Aufschmelzrisiko des Bleches. Darüber hinaus besteht bei dem
potentiellen Aufschmelzen zweier übereinander angeordneter beschichteter
Bleche das zusätzliche
Risiko, das beide vorzeitig, d.h. noch beschichtet, verschweisst
werden, was meist fehlerbehaftet und mit minderer Qualität erfolgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden Entschichten und Topographieändern mittels des selben Laserstrahls
mit im wesentlichen gleicher Leistung und Fokussierung aber unterschiedlicher
Vorschubgeschwindigkeit durchgeführt.
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Das
Entschichten erfolgt mit hoher Vorschubgeschwindigkeit, d.h. mit
geringem Energieeintrag pro Zeiteinheit. Eine Verbreiterung der
Bearbeitungsfläche
kann durch Bewegung der Bestrahlungsfläche mittels minimaler Umlenkung
des Laserstrahls (Überlagerung
einer transversalen Bewegungskomponente in Hauptvorschubrichtung;
sog. Beam Spinning) erreicht werden. Eine solche flächige Erwärmung vergleichmäßigt die
Verdampfung der Beschichtung.
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Das
Topographieändern
erfolgt mit verringerter Vorschubgeschwindigkeit, d.h. mit erhöhtem Energieeintrag
pro Zeiteinheit. Vorzugsweise beschreibt der Laserstrahl zur Erzeugung
einer Topographieänderung
um deren Zentrum eine enger werdende Spirale. Für einige Anwendungen kann es
auch vorteilhaft sein, wenn der Laserstrahl das Blech durchgehend
aufschmilzt und so eine Topographieänderung auf der ihm abgewandten
Seite des Bleches erzeugt.
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Das
Entschichten und Topographieändern kann
jeweils alternierend erfolgen – entsprechend
ihrer räumlichen
Abfolge – oder
es können
zunächst alle
vorgesehenen Bereiche entschichtet und dann alle vorgesehenen Bereiche
topographiegeändert werden – oder umgekehrt
oder auch jeweils für
verschiedene Teile des Bleches eine andere der drei Strategien.
Je nach Anzahl und räumlicher
Verteilung von Entschichtungen und Topographieänderungen sowie Größe und Geometrie
des Bleches ist die eine oder andere Strategie vorteilhafter.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden Entschichten und Topographieändern mittels des selben Laserstrahls
mit im wesentlichen gleicher Leistung aber unterschiedlicher Fokussierung
durchgeführt. Das
Entschichten erfolgt defokussiert, d.h. mit geringem Energieeintrag
pro Flächeneinheit.
Das Topographieändern
erfolgt stärker
fokussiert, d.h. mit höherem
Energieeintrag pro Flächeneinheit.
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In
diesem Fall erfolgt vorzugsweise zunächst das Entschichten aller
Bereiche und dann das Topographieändern oder umgekehrt. Dadurch
werden viele Fokusänderungen
vermieden, die jeweils eine Minimalzeit benötigen und die Prozesszeit meist
unnötig
erhöhen
würden.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
der Laserstrahl zum Entschichten derart geführt, dass der entschichtete
Bereich die Form einer darüber
zu schweißenden
Naht zuzüglich
einer vorgebbaren Überbreite
annimmt.
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Dadurch
werden die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit bei der Ausrichtung
der Bleche zum Entschichten und danach zum Verschweissen und an
die Positionsgenauigkeit der Laserstrahlführung etwas abgesenkt. Deshalb
kann die Positionierung schneller erfolgen, wodurch die Prozesszeit
reduziert werden kann.
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Besonders
vorteilhaft wird der Laserstrahl mittels einer Scanner-Einrichtung
auf die Oberfläche gelenkt.
Eine Scanner-Einrichtung ist eine besonders schnelle und flexible
Strahl-ablenk-Einrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem (aus
mindestens einem ein- oder mehr-achsig ansteuerbaren schwenkbaren
Spiegeln) oder auch aus akusto-optische Modulatoren.
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Der
große
Vorteil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem
in JP-04231190 A vorgeschlagenen besteht darin, daß die Scanner-Einrichtung
gleichmäßig relativ
zur Oberfläche
eines Bleches bewegt wird und dabei die Scanner-Einrichtung den
Laserstrahl z.B. für
einen kurzen Bearbeitungszeitraum spinnend über eine Bearbeitungslinie
zur Entschichtung lenkt und dann sehr schnell den Laserstrahl zum
Beginn einer Bearbeitungslinie zur Topographieänderung umlenkt, um dort langsamer
eine enger werdende Spirale abzufahren. Hierdurch entfallen sowohl
die apparativen Einrichtungen für
die optische Führung
eines zweiten Laserstrahls als auch die für die Umpositionierung der
Laserstrahlen erforderlichen Zeiten, während deren ein roboter-geführter Laserstrahl üblicherweise ausgeschaltet
werden muß.
Somit wird eine sehr hohe Auslastung des Lasersystems ermöglicht.
Im Gegensatz dazu werden bei konventionellem Systemen, wie sie beispielsweise
in JP-04231190 A zur Anwendung kommen, Laserstrahlen mittels starrer Linsensysteme über die
Bearbeitungslinien gelenkt. Um eine neue Bearbeitung zu beginnen,
muß der
Laserstrahl zu deren Beginn geführt
werden und dazu muß das
Linsensystem relativ zum Bauteil bewegt werden. Währenddessen
muß der
Laser ausgeschaltet werden um unbeabsichtigte Entschichtung des Bauteils
zu vermeiden. Infolgedessen benötigt
diese Ausgestaltung der Erfindung nur einen Bruchteil der Bearbeitungszeit
im Vergleich zum Gegenstand der JP-04231190 A.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des zu schaffenden Bleches erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es
mindestens einen entschichteten Bereich und zusätzlich mindestens eine aus
seiner Oberfläche
herausragenden Topographieänderung
aufweist, die nicht mit dem entschichteten Bereich zusammenfällt.
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Dadurch
lassen sich insbesondere gekrümmte
Bleche vorteilhaft verschweissen – wie vorstehend bereits bzgl.
des erfindungsgemäßen Verfahrens
näher erläutert wurde.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bleches
nimmt der entschichtete Bereich die Form einer zu schweißenden Naht
zuzüglich
einer vorgebbaren Überbreite
an.
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Dadurch
werden die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit gesenkt.
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Nachfolgend
werden anhand der 1 und vier Ausführungsbeispielen
das erfindungsgemäße Verfahren
und das erfindungsgemäße Blech
näher erläutert: Dabei
zeigt:
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1 Zwei
beschichtete Bleche mit entschichteten Bereichen und herausragender
Topographieänderung
sowie vorgesehenen Schweissnähten.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel wird
ein beschichtetes Blech (wie es üblicherweise
im Automobilbau verwendet wird) positioniert, eine Scanner-Einrichtung
wird gleichmäßig darüber verfahren
und lenkt einen Laserstrahl nacheinander auf mehrere Bearbeitungslinien.
Die Scanner-Einrichtung besteht aus einem zwei-dimensional schwenkbaren
computer-gesteuerten Spiegelsystem. Die Scannereinrichtung weist
circa 300 mm Abstand zur Oberfläche
des Bleches auf. Der Fokus des Laserstrahls befindet sich knapp
vor der Oberfläche
des Bleches. Die Laserlistung beträgt circa 2500 Watt.
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Der
Laserstrahl wird schnell (Vorschubgeschwindigkeit: circa 20 m/min)
spinnend (d.h. der Vorwärtsbewegung
ist eine Kreisbewegung überlagert) über eine
Bearbeitungslinie von circa 20 mm Länge geführt. Die Bearbeitungslinie
hat die Form einer geschwungenen Klammer (zu circa einem Viertel entlang
der Hauptachse geöffnete
Ellipse). Zentral innerhalb der Bearbeitungslinie soll später eine Schweissnaht
von circa 1 mm Breite geschweisst werden. Um die Anforderungen an
die Positionsgenauigkeit bei der Ausrichtung der Bleche zum Verschweissen
und an die Positionsgenauigkeit der Laserstrahlführung etwas abgesenken aber
gleichzeitig den entschichteten und damit korrosionsanfälligen Bereich
nicht zu groß zu
gestalten, weist die Bearbeitungslinie gegenüber der späteren Schweissnaht eine Überbreite
von circa 1 mm auf. Dies wird durch die überlagerte Kreisbewegung bei
der Laserstrahlführung
erreicht.
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Durch
die schnelle Strahlführung
ist der Energieeintrag pro Flächen-
und Zeiteinheit so gering, dass auch bei dünnen Blechen kein Verzug eintritt.
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Nach
der Entschichtung dieser ersten Bearbeitungslinie wird der Vorgang
entlang einer zweiten Bearbeitungslinie wiederholt, deren Beginn
sich in Vorschubrichtung des Lasers circa 20 mm vom Ende der ersten
Bearbeitungslinie befindet. Diese Entfernung ist bauteilspezifisch
variabel.
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Danach
wird die Entschichtung auf einem zweiten Blech an korrespondierenden
Bearbeitungslinien wiederholt. Anschließend werden die partiell entschichteten
Bleche derart zueinander positioniert, dass die entschichteten Bereiche
sich direkt zugewandt sind, danach werden sie über dem entschichteten Bereich,
d.h. entlang der Zentrallinien der beiden Bearbeitungslinien, verschweisst.
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Gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel wird
wieder ein beschichtetes Blech unter einem 2D-Scanner positioniert,
der einen Laserstrahl mit circa 3000 Watt Leistung darüber lenkt.
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An
unterschiedlichen Positionen werden Bereiche entschichtet und aus
der Oberfläche
herausragende Topographieänderungen
erzeugt. Zu letzterem wird derselbe Laserstrahl mit verringerter
Vorschubgeschwindigkeit in Form einer enger werdenden Spirale in
das Zentrum der so zu erzeugenden Topographieänderung geführt.
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Die
Entscheidung, an welcher Position eine Entschichtung und wo eine
Topographieänderungen erzeugt
wird, wird anhand der Geometrie und Dicke der zu verschweissenden
Bleche getroffen. Ebene Bereiche werden mit Abstandhaltern in Form
von Topographieänderungen
versehen und ermöglichen
so dort ein fehlerfreies Verschweissen. Gekrümmte Bereiche werden besser
partiell entschichtet, um dort eine möglichst optimale Schweiss-Verbindung
zweier Bleche zu gewährleisten.
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Die
Entschichtungen und die Erzeugung von Topographieänderungen
erfolgen gemäß ihrer
räumlichen
Abfolge auf dem jeweiligen Blech.
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Gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel wird
ein beschichtetes Blech unter einem 3D-Scanner positioniert. Der
3D-Scanner ist in der Lage, den Fokus des Laserstrahls sehr schnell
von der Oberfläche
des Bleches zu entfernen, d.h. den Laserstrahl relativ zur Blechoberfläche zu defokussieren.
Dadurch kann der Energieeintrag pro Zeit- und Flächeneinheit bei gleichbleibender
Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit variiert werden.
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Mittels
des 3D-Scanners werden verschiedene Bereiche eines Bleches durch
den Laserstrahl entschichtet und mit Topographieänderungen versehen. Dabei erfolgt
zuerst die Entschichtung aller Bereiche, dann wird die Fokussierung
geändert,
dann werden die Topographieänderungen
erzeugt. Alternativ kann auch die umgekehrte Reihenfolge gewählt werden.
In Spezialfällen,
z.B. sehr unterschiedlicher Anzahl können Entschichten und Änderung
der Topographie auch gemäß ihrer
räumlichen
Abfolge durch die schnelle Fokusänderung
mittels 3D-Scanner erfolgen. Dabei wird der Eigenschaft des 3D-Scanners – den Fokus
des Laserstrahls sehr schnell ändern
zu können – besonders
vorteilhaft ausgenutzt.
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In
einem vierten Ausführungsbeispiel
gemäß 1 werden
zwei erfindungsgemäße beschichtete Bleche
(nicht maßstabsgerecht)
dargestellt:
Das untere Blech 1 weist eine starke
Krümmung 11 auf.
Eine optimale Anpassung an ein weniger gekrümmtes oberes Blech 1 erfolgt,
wenn beide Bleche 1 im Bereich der Krümmung 11 möglichst
dicht aneinander positioniert werden. Deshalb werden beide Bleche
dort entschichtet 20, damit beim Verweissen keine Verdampfung
von Beschichtungsmaterial erfolgt. In den ebenen Bereichen ist es
hingegen vorteilhafter mittels Topographieänderungen 3 Abstandhalter
vorzusehen, die das störungsfreie
Entweichen der verdampfenden Beschichtung beim Schweissen zukünftiger
Schweissnähte 4 erlauben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und Blech erweisen sich in den Ausführungsformen der vorstehend
beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für das Laserschweißen beschichteter
Bleche in der Automobilindustrie.
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Insbesondere
können
so erhebliche Vorteile bezüglich
der Bearbeitungsqualität
in Hinsicht auf eine Minimierung des Verzugs der Bleche erzielt
werden.
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Der
Vorteil hinsichtlich der Minimierung des Verzugs tritt offensichtlich
nicht nur bei gekrümmten Blechen
auf, sondern bei Blechen beliebiger Geometrie.
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Die
Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
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So
ist zum Beispiel denkbar, daß alternativ oder
additiv zu den genannten Variationen von Vorschubgeschwindigkeit
und/oder Fokussierung des Laserstrahls auch dessen Leistung variiert
wird.
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- 1
- Blech
- 11
- Krümmung des
Blechs
- 2
- Beschichtung
- 20
- Entschichteter
Bereich
- 3
- Topographieänderung,
herausragend
- 4
- Schweissnaht
(beabsichtigt)