DE112015006848T5

DE112015006848T5 - Verfahren zum Laserschweissen von Werkstücken aus Aluminium

Info

Publication number: DE112015006848T5
Application number: DE112015006848.1T
Authority: DE
Inventors: David S. Yang; Wu Tao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2018-05-17
Also published as: US20180214983A1; WO2017035729A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels (10) offenbart, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke (12, 14) aus Aluminium enthält, von denen mindestens eines eine Antikorrosionsschutzschicht (38) enthält. Das offenbarte Verfahren umfasst, dass der Laserstrahl (56) relativ zu der oberen Oberfläche (26) des Werkstückstapels (10) entlang einer Wegstrecke (78, 78', 78", 78''') voranbewegt wird, die eine bidirektionale Bewegung des Laserstrahls (56) erzwingt. Insbesondere bewegt sich der Laserstrahl (56) in eine Vorwärtsrichtung (80) während er sich auch in eine seitliche Richtung (82) hin- und herbewegt, die quer zu der Vorwärtsrichtung (80) orientiert ist, während er relativ zu der oberen Oberfläche (26) voranbewegt wird. Es wird vermutet, dass diese bidirektionale Bewegung dazu beiträgt, die Antikorrosionsschutzschicht (38) in und um das Schmelzbad (74) aus Aluminiumschmelze herum zu stören, was zu einer Laserschweißfügestelle (68) führt, die weniger Schweißdefekte enthält, welche auf die Antikorrosionsschutzschicht (38) zurückzuführen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und insbesondere ein Verfahren zum Zusammenfügen von zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium unter Verwendung von Laserschweißen.
HINTERGRUND
Laserschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei welchem ein Laserstrahl auf einen Stapel aus Werkstücken aus Metall gelenkt wird, um eine konzentrierte Energiequelle bereitzustellen, die zum Bewirken einer Schweißfügestelle zwischen den sich überlappenden einzelnen Werkstücken aus Metall in der Lage ist. Im Allgemeinen werden zunächst zwei oder mehr Werkstücke aus Metall ausgerichtet und relativ zueinander gestapelt, so dass sich ihre Stoßoberflächen überlappen und gegenüberliegen, um eine oder mehrere Stoßschnittstellen innerhalb eines beabsichtigten Schweißorts herzustellen. Dann wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt. Die Wärme, die aus der Absorption von Energie aus dem Laserstrahl erzeugt wird, leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall ein und bildet ein Schmelzbad innerhalb des Werkstückstapels. Das Schmelzbad durchdringt das Werkstück aus Metall, das von dem Laserstrahl getroffen wird, und dringt in das oder die darunterliegenden Werkstücke aus Metall bis zu einer Tiefe so ein, dass es jede der gebildeten Stoßschnittstellen schneidet. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls groß genug ist, wird direkt unter dem Laserstrahl ein Schlüsselloch erzeugt, das von dem Schmelzbad umgeben ist. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, das von den Werkstücken aus Metall innerhalb des Werkstückstapels stammt, die Plasma enthalten kann.
Der Laserstrahl erzeugt das Schmelzbad in sehr kurzer Zeit - typischerweise in Millisekunden - nachdem er auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels auftrifft. Nachdem das Schmelzbad gebildet und stabil ist, wird der Laserstrahl entlang der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranbewegt, während er einer vorbestimmten Schweißstrecke folgt, die herkömmlich umfasst, dass der Laserstrahl in einer strikten Vorwärtsrichtung ohne irgendeine Abweichung von einer Seite zur anderen bewegt wird. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls verschiebt das Schmelzbad entlang eines korrespondierenden Kurses relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und hinterlässt geschmolzenes Werkstückmaterial im Kielwasser des sich voranbewegenden Schmelzbads. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmaterial kühlt sich ab und erstarrt, um eine Schweißfügestelle auszubilden, die aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial besteht. Die resultierende Schweißfügestelle verschweißt die sich überlappenden Werkstücke durch Schmelzschweißen miteinander.
Die Kraftfahrzeugindustrie ist interessiert an der Verwendung des Laserschweißens zum Herstellen von Teilen, die in einem Fahrzeug installiert werden können. In einem Beispiel kann ein Korpus einer Fahrzeugtür aus einem Türinnenblech und einem Türaußenblech gefertigt werden, die durch eine Vielzahl von Laserschweißnähten zusammengefügt sind. Das Türinnenblech und das Türaußenblech werden zuerst relativ zueinander gestapelt und durch Klammern ortsfest befestigt. Dann wird ein Laserstrahl sequentiell an mehrere Schweißorte verteilt über die gestapelten Bleche in Übereinstimmung mit einer programmierten Sequenz gelenkt, um eine Vielzahl von Laserschweißfügestellen auszubilden. An jedem Schweißort, an dem ein Laserschweißen ausgeführt wird, wird der Laserstrahl auf die gestapelten Bleche gelenkt und entlang einer vordefinierten Laserstrahlwegstrecke befördert, die ausgestaltet sein kann, um die Schweißfügestelle in einer beliebigen geeigneten Gesamtform zu erzeugen, welche beispielsweise eine kreisförmige Punktschweißfügestelle, eine Schweißnahtfügestelle oder eine Klammerschweißfügestelle umfasst. Der Prozess des Laserschweißens von Türinnenblechen und Türaußenblechen (sowie von anderen Fahrzeugteilkomponenten wie etwa denjenigen, die verwendet werden, um Motorhauben, Heckklappen, Last tragende Strukturelemente usw. herzustellen) ist typischerweise ein automatisierter Prozess, der schnell und effizient ausgeführt werden kann.
Werkstücke aus Aluminium sind ein faszinierender Kandidat für viele Kraftfahrzeugkomponententeile und Strukturen aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und ihrer Fähigkeit zum Verbessern der Kraftstoffsparsamkeit des Fahrzeugs. Das Verwenden von Laserschweißen zum Zusammenfügen von Werkstücken aus Aluminium kann jedoch Probleme bereitstellen. Das Wichtigste ist, dass Werkstücke aus Aluminium nahezu immer eine Schutzschicht enthalten, welche ein darunterliegendes Aluminiummassensubstrat bedeckt. Diese Schutzschicht kann eine hitzebeständige Oxidschicht sein, die sich passiv ausbildet, wenn Rohaluminium der Luft der Atmosphäre oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. In anderen Fällen jedoch kann die Schutzschicht eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht ,oder sie kann eine Metalloxid-Konversionsschicht sein, die aus Titan-, Zirkon-, Chrom- oder Siliziumoxiden besteht, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nr. US 2014/0360986 offenbart ist, deren gesamter Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme hier mit aufgenommen ist. Die Schutzschicht verhindert eine Korrosion des darunterliegenden Aluminiumsubstrats durch beliebige einer Vielfalt von Mechanismen, die von der Zusammensetzung der Schicht abhängen. Das Vorhandensein der Antikorrosionsschutzschicht macht es aber problematischer, mit Hilfe von Laserschweißen Werkstücke aus Aluminium durch autogenes Schmelzschweißen zu verschweißen.
Man vermutet, dass die Antikorrosionsschutzschicht den Laserschweißprozess beeinträchtigt, indem sie Schweißdefekte in die endgültige Laserschweißfügestelle einbringt. Wenn die Schutzschicht beispielsweise eine passive hitzebeständige Oxidschicht ist, ist es aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts und ihrer mechanischen Festigkeit schwierig, die Schicht aufzubrechen und aufzulösen. Als Folge können sich Restoxide in dem Schmelzbad aus Aluminiumschmelze ansammeln und zu der Ausbildung von Schweißdefekten, etwa einer Porosität, in der erstarrten Schweißfügestelle beitragen. Wenn als weiteres Beispiel die Schutzschicht aus Zink besteht, kann die Schicht leicht verdampfen, um Hochdruck-Zinkdämpfe an der Stoßschnittstelle der Werkstücke aus Aluminium zu erzeugen (Zink weist einen Siedepunkt von etwa 906°C auf). Diese Zinkdämpfe wiederum können in das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze, das von dem Laserstrahl erzeugt wird, hinein und durch dieses hindurch diffundieren, wenn keine Vorkehrungen getroffen werden, um die Zinkdämpfe vom Schweißort weg zu entlüften, was umfassen kann, dass der Werkstückstapel zusätzlichen und unangenehmen Fertigungsschritten vor dem Schweißen unterzogen werden muss. Die anderen vorstehend erwähnten Materialien, welche die Antikorrosionsschutzschicht bilden können, können ähnliche Probleme bereitstellen, die letztendlich die mechanischen Eigenschaften der Schweißfügestelle beeinflussen und verschlechtern können.
Die einzigartigen Probleme, denen die Nutzung des Laserschweißens beim Schmelzschweißen von Werkstücken aus Aluminium unterworfen ist, haben dazu geführt, dass viele Hersteller das Laserschweißen als geeigneten Metallfügeprozess trotz dessen Potentials zum Bereitstellen eines großen Bereiches von Vorteilen ablehnen. Anstelle des Laserschweißens sind diese Hersteller zu mechanischen Befestigungselementen übergegangen, etwa Stanznieten oder Flowdrillschrauben, um zwei oder mehrere Werkstücke aus Aluminium zusammenzufügen. Diese mechanischen Befestigungselemente benötigen jedoch viel mehr Zeit, um sie anzubringen, und weisen im Vergleich mit Laserschweißfügestellen hohe Verbrauchskosten auf. Außerdem erhöhen sie die Komplexität der Fertigung und fügen zusätzliches Gewicht zu dem hergestellten Teil hinzu - Gewicht, das vermieden wird, wenn das Zusammenfügen mit Hilfe von autogenen Laserschmelzschweißverbindungen bewerkstelligt wird - das einem Teil der Gewichtseinsparung entgegenwirkt, die erst durch die Verwendung von Werkstücken aus Aluminium erzielt wird. Eine umfassende Laserschweißstrategie, die das Laserschweißen von Aluminium zu einer brauchbaren Option selbst bei den problematischsten Fertigungskonfigurationen machen kann, wäre daher eine willkommene Erweiterung der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wird offenbart. Der Werkstückstapel enthält zwei oder mehr Werkstücke aus Aluminium und mindestens eines dieser Werkstücke aus Aluminium (und vorzugsweise alle Werkstücke aus Aluminium) enthält eine Antikorrosionsschutzschicht. Der Begriff „Werkstück aus Aluminium“ bezeichnet, so wie er hier in der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, weit gefasst ein Werkstück, das ein Aluminiumbasissubstrat enthält, welches zu mindestens 85% Gewichtsanteilen aus Aluminium besteht. Das Werkstück aus Aluminium kann folglich ein Aluminiumbasissubstrat enthalten, das aus reinem Aluminium oder beliebigen einer großen Vielfalt von Aluminiumlegierungen besteht. Darüber hinaus ist die Antikorrosionsschutzschicht, welche das Aluminiumbasissubstrat bedeckt, vorzugsweise die passive hitzebeständige Oxidschicht, die sich natürlich bildet, wenn Rohaluminium der Luft der Atmosphäre oder einer anderen Sauerstoffquelle ausgesetzt wird. In alternativen Ausführungsformen jedoch kann die Antikorrosionsschicht eine Zinkschicht, eine Zinnschicht oder eine Metalloxidkonversionsschicht sein. Das offenbarte Verfahren minimiert den Einfluss, den diese und andere Antikorrosionsschichten auf die Eigenschaften der endgültigen Schweißfügestelle nehmen können.
Zu Beginn umfasst das Laserschweißverfahren das Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Aluminium (z.B. zwei oder drei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium) enthält. Die Werkstücke aus Aluminium werden derart aufeinandergelegt, dass zwischen den Stoßoberflächen jedes Paars benachbarter sich überlappender Werkstücke aus Aluminium eine Stoßschnittstelle ausgebildet wird. Beispielsweise enthält der Werkstückstapel in einer Ausführungsform erste und zweite Werkstücke aus Aluminium mit jeweiligen ersten und zweiten Stoßoberflächen, die sich überlappen und einander gegenüberliegen, um eine einzige Stoßschnittstelle zu bilden. In einer anderen Ausführungsform enthält der Werkstückstapel ein zusätzliches drittes Werkstück aus Aluminium, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Aluminium angeordnet ist. Auf diese Weise weisen das erste und zweite Werkstück aus Aluminium jeweils erste und zweite Stoßoberflächen auf, die sich mit zueinander entgegengesetzt orientierten Stoßoberflächen des dritten Werkstücks aus Aluminium überlappen und diesen gegenüberliegen, um zwei Stoßschnittstellen zu bilden. Wenn ein drittes Werkstück aus Aluminium vorhanden ist, können das erste und zweite Werkstück aus Aluminium separate und verschiedene Teile sein oder sie können alternativ verschiedene Abschnitte des gleichen Teils sein, etwa wenn ein Rand eines Teils umgeklappt und über einen freien Rand eines anderen Teils gelegt wird.
Nachdem der Werkstückstapel bereitgestellt ist, wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt und trifft darauf auf, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das in den Werkstückstapel eindringt und jede Stoßschnittstelle schneidet, die innerhalb des Werkstückstapels gebildet wurde. Die Leistungsdichte des Laserstrahls wird so gewählt, dass das Laserschweißverfahren entweder in einem Konduktions-Schweißmodus oder in einem Schlüsselloch-Schweißmodus ausgeführt wird. Im Konduktions-Schweißmodus ist die Leistungsdichte des Laserstrahls relativ gering und die Energie des Laserstrahls wird als Wärme durch die Werkstücke aus Aluminium hindurch geleitet, um nur das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen. In der Tat ist das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze, das während des Konduktions-Schweißmodus erzeugt wird, relativ seicht, wobei es typischerweise eine Breite an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels aufweist, die größer als eine Eindringtiefe des Schmelzbades aus Aluminiumschmelze in den Werkstückstapel hinein ist. Im Schlüsselloch-Schweißmodus ist die Leistungsdichte des Laserstrahls groß genug, um die Werkstücke aus Aluminium zu verdampfen und ein Schlüsselloch direkt unter dem Laserstrahl innerhalb des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze zu erzeugen. Das Schlüsselloch stellt einen Kanal zur Energieabsorption tiefer in den Werkstückstapel hinein bereit, welcher wiederum ein tieferes und schmaleres Eindringen des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze ermöglicht. Folglich weist das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze, das während des Schlüsselloch-Schweißmodus erzeugt wird, typischerweise eine Breite an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels auf, die geringer als die Eindringtiefe des Schmelzbades ist.
Der Laserstrahl wird relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels im Anschluss an das Erzeugen des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze entlang einer oder mehrerer vordefinierter Wegstrecken voranbewegt. Im Speziellen wird der Laserstrahl in jeder Laserstrahlwegstrecke von einem Startpunkt aus zu einem Endpunkt hin voranbewegt, welche die gleichen oder verschiedene Punkte auf der oberen Oberfläche sein können, um dadurch das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze entlang eines Kurses zu verschieben, der der Wegstrecke des Laserstrahls entspricht. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls hinterlässt geschmolzenes Aluminiumwerkstückmaterial im Kielwasser der Wegstrecke des Laserstrahls und des entsprechenden Kurses des Schmelzbads. Dieses geschmolzene Werkstückmaterial kühlt schnell ab und erstarrt zu einer Schweißfügestelle, die aus wiedererstarrtem Aluminium besteht, welche die Werkstücke aus Aluminium autogen miteinander schmelzverschweißt. Hier ist die Schweißfügestelle in dem offenbarten Laserschweißverfahren fest und strapazierfähig, und ihre Struktur und Eigenschaften können in einer Fertigungskonfiguration als Ergebnis der speziellen Wegstrecke des Laserstrahls zwischen den Start- und Endpunkten konsistent erreicht werden, wie nachstehend weiter erläutert wird. Schließlich wird der Laserstrahl beim Erreichen des Endpunkts von der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entfernt.
Anders als bei herkömmlichen Laserschweißpraktiken, bei denen der Laserstrahl unidirektional in einer strikten Vorwärtsrichtung voranbewegt wird, erfährt der Laserstrahl in dem offenbarten Verfahren eine Bewegung in zwei Richtungen, während er relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranbewegt wird. Insbesondere bewegt sich der Laserstrahl, während er entlang einer beliebigen der einen oder mehreren Laserstrahlwegstrecken voranbewegt wird, in eine Vorwärtsrichtung von dem Startpunkt weg und zu dem Endpunkt hin und er bewegt sich ferner hin und her in eine seitliche Richtung quer zu der Vorwärtsrichtung. Man nimmt an, dass die Hin- und Herbewegung des Laserstrahls, die stattfindet, während sich der Laserstrahl auch in die Vorwärtsrichtung bewegt, die Antikorrosionsschutzschicht effektiver als eine rein unidirektionale Bewegung in die Vorwärtsrichtung stört (z.B. Aufbrechen und Auflösen, Verdampfen oder sonstiges). Außerdem vermutet man, dass die Hin- und Herbewegung des Laserstrahls einen breiteren Streifen der Antikorrosionsschutzschicht in und um den Kursweg des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze bereinigt. Diese zwei Effekte, die durch die bidirektionale Bewegung des Laserstrahls erhalten werden, minimieren letztendlich das Auftreten einer Quellenporosität und anderer ähnlicher Schweißdefekte in der resultierenden Schweißfügestelle.
Der Laserstrahl kann entlang unzähliger Wegstrecken voranbewegt werden, welche sowohl eine Bewegung in die Vorwärtsrichtung als auch eine Hin- und Herbewegung in die seitliche Richtung beinhalten. Beispielsweise wird der Laserstrahl in einer bevorzugten Ausführungsform von dem Startpunkt zu dem Endpunkt in einem sinusförmigen Muster, das sich wiederholende Wellen enthält, schwingen bzw. oszillieren gelassen. Diese sich wiederholenden Wellen weisen Amplituden von Spitze zu Spitze und Wellenlängen auf, welche die Bewegung des Laserstrahls in die seitliche Richtung bzw. die Frequenz dieser Bewegung justieren. Und obwohl diese Eigenschaften der Wegstrecke des Laserstrahls in Abhängigkeit von mehreren Faktoren variieren können, umfasst eine bevorzugte Implementierung, die das sinusförmige Muster beinhaltet, sich wiederholende Wellen mit Amplituden von Spitze zu Spitze im Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm und mit Wellenlängen im Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm. Selbstverständlich können abgesehen von denjenigen Laserstrahlwegstrecken, die das sinusförmige Muster ausführen, andere Laserstrahlwegstrecken implementiert werden. Einige Beispiele für alternative Wegstrecken umfassen diejenigen, die ein Rechteckwellenmuster, ein Zickzackwellenmuster und ein kontinuierliches Schleifenmuster ausführen, um nur einige zu nennen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Laserschweißvorrichtung zum Erzeugen einer Laserschweißfügestelle innerhalb eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält;
2 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels während eines Laserschweißens, bei dem ein Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranbewegt wird, wobei der Laserstrahl ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze erzeugt hat, das in den Stapel eindringt, und zusätzlich ein Schlüsselloch innerhalb des Schmelzbades aus Aluminiumschmelze erzeugt hat;
3 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 2 gezeigten Werkstückstapels;
4 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels aus der gleichen Perspektive wie 3, obwohl der Werkstückstapel hier drei Werkstücke aus Aluminium enthält, die zwei Stoßschnittstellen bilden, im Gegensatz zu zwei Werkstücken aus Aluminium, die eine einzige Stoßschnittstelle bilden, wie in 3 dargestellt ist;
5 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels während eines Laserschweißens, bei welchem der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche entlang einer Wegstrecke von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in Übereinstimmung mit einer Implementierung des offenbarten Verfahrens voranbewegt wird, um eine Schweißfügestelle auszubilden, die aus wiedererstarrtem Aluminium besteht, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls eine Bewegung des Laserstrahls in eine Vorwärtsrichtung sowie eine Bewegung des Laserstrahls hin und her in eine seitliche Richtung quer zu der Vorwärtsrichtung umfasst;
6 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels während eines Laserschweißens, bei welchem der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche entlang einer Wegstrecke von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in Übereinstimmung mit einer anderen Implementierung des offenbarten Verfahrens voranbewegt wird, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls eine Bewegung des Laserstrahls in eine Vorwärtsrichtung sowie eine Bewegung des Laserstrahls hin und her in eine seitliche Richtung quer zu der Vorwärtsrichtung umfasst;
7 ist eine Draufsicht der oberen Oberfläche eines Werkstückstapels während eines Laserschweißens, bei welchem der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche entlang einer Wegstrecke von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in Übereinstimmung mit noch einer weiteren Implementierung des offenbarten Verfahrens voranbewegt wird, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls eine Bewegung des Laserstrahls in eine Vorwärtsrichtung sowie eine Bewegung des Laserstrahls vorwärts und rückwärts in eine seitliche Richtung quer zu der Vorwärtsrichtung umfasst;
8 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels während eines Laserschweißens, bei welchem der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche entlang einer Wegstrecke von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in Übereinstimmung mit noch einer weiteren Implementierung des offenbarten Verfahrens voranbewegt wird, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls eine Bewegung des Laserstrahls in eine Vorwärtsrichtung sowie eine Bewegung des Laserstrahls hin und her in eine seitliche Richtung quer zu der Vorwärtsrichtung umfasst;
9 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels, die eine Wegstrecke zeigt, welcher der Laserstrahl von einem Startpunkt zu einem Endpunkt folgen könnte, um eine kreisförmige Schweißfügestelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens auszubilden;
10 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels, die eine Wegstrecke zeigt, welcher der Laserstrahl von einem Startpunkt zu einem Endpunkt folgen könnte, um eine Klammerschweißfügestelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens auszubilden;
11 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels, die eine Wegstrecke zeigt, der der Laserstrahl von einem Startpunkt zu einem Endpunkt folgen könnte, um eine Steppnahtschweißfügestelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens auszubilden;
12 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels, die mehrere Wegstrecken zeigt, denen ein Laserstrahl folgen kann, um mehrere Schweißfügestellen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens auszubilden;
13 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels, die mehrere Wegstrecken zeigt, denen ein Laserstrahl folgen kann, um mehrere Schweißfügestellen in Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform des offenbarten Verfahrens auszubilden; und
14 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines Werkstückstapels, die mehrere Wegstrecken zeigt, denen ein Laserstrahl folgen kann, um mehrere Schweißfügestellen in Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform des offenbarten Verfahrens auszubilden.

GENAUE BESCHREIBUNG
Das offenbarte Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der aus zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium besteht, fordert das Voranbewegen eines Laserstrahls relativ zu einer oberen Oberfläche des Werkstückstapels derart, dass der Laserstrahl eine Bewegung in eine Vorwärtsrichtung sowie eine Hin- und Herbewegung in eine seitliche Richtung erfährt. Beliebige Arten von Laserschweißvorrichtungen, welche Laserschweißvorrichtungen aus der Ferne und herkömmliche Laserschweißvorrichtungen umfassen, können verwendet werden, um den Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranzubewegen. Darüber hinaus kann die Leistungsdichte des Laserstrahls im Betrieb gewählt werden, um das Verfahren entweder in einem Konduktions-Schweißmodus oder in einem Schlüsselloch-Schweißmodus auszuführen. Der Laserstrahl kann daher in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Werkstücke aus Aluminium, die zusammengefügt werden, und von dem Laserschweißmodus, der praktiziert werden soll, ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl sein. Einige erwähnenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser und ein Nd:YAG-Laser, und ein erwähnenswerter Gaslaser, der verwendet werden kann, ist ein CO₂-Laser, obwohl andere Arten von Lasern selbstverständlich verwendet werden können, sofern sie in der Lage sind, das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, welche nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, wird ein Festkörperlaserstrahl von einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne auf und entlang des Werkstückstapels gelenkt und voranbewegt, während ein Laserschweißen im Schlüsselloch-Schweißmodus praktiziert wird.
Mit Bezug nun auf 1 - 3 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels 10, der ein erstes Werkstück 12 aus Aluminium und ein zweites Werkstück 14 aus Aluminium enthält, unter Verwendung einer Vorrichtung 16 zum Laserschweißen aus der Ferne gezeigt. Das erste Werkstück 12 aus Aluminium enthält eine Außenoberfläche 18 und eine erste Stoßoberfläche 20, und das zweite Werkstück 14 aus Aluminium enthält eine Außenoberfläche 22 und eine zweite Stoßoberfläche 24. Relativ zu der Position der Vorrichtung 16 zum Laserschweißen aus der Ferne stellt die Außenoberfläche 18 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium eine obere Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 bereit, und die Außenoberfläche 22 des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium stellt eine in entgegengesetzte Richtung weisende untere Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 bereit. Da im Werkstückstapel 10 hingegen nur zwei Werkstücke aus Aluminium dargestellt sind, überlappen sich die erste und zweite Stoßoberfläche 20, 24 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium und liegen einander gegenüber, um zumindest innerhalb eines vorbestimmten Schweißorts 32 eine Stoßschnittstelle 30 zu bilden.
Obwohl die Stoßschnittstelle 30 allgemein ausgedrückt zwischen den Abschnitten der ersten und zweiten Stoßoberflächen 20, 24 gebildet wird, die sich überlappen und einander gegenüberliegen, können die speziellen Attribute der Stoßschnittstelle 30 mehrere verschiedene Formen annehmen. Beispielsweise können die sich überlappenden und einander gegenüberliegenden Abschnitte der Stoßoberflächen 20, 24 einander direkt oder indirekt kontaktieren. Die Stoßoberflächen 20, 24 stehen in einem indirekten Kontakt, wenn sie durch ein Zwischenmaterial getrennt sind - etwa eine dünne Schicht aus Schweißklebstoff [engl.: weld-through adhesive] oder einem Dichtungsmittel -jedoch in einer Nähe bleiben, die nahe genug ist, dass das Laserschweißen aus der Ferner noch praktiziert werden kann. Zudem können die sich überlappenden und einander gegenüberliegenden Abschnitte der Stoßoberflächen 20, 24 einen (direkten oder indirekten) komplementären bündigen Kontakt am Schweißort 32 herstellen, was bedeutet, dass die Stoßoberflächen 20, 24 eng aneinander angepasst sind und nicht absichtlich durch Lücken oder Leerräume getrennt sind, die durch absichtlich ausgebildete vorspringende Merkmale erzwungen werden. Dieser Typ eines engen komplementären Kontakts, welcher kleine willkürliche Unterbrechungen oder Leerräume als Folge von akzeptablen Toleranzen bei der Größe und Gestalt der Werkstücke 12, 14 oder anderweitig ermöglicht, ist zulässig, da das offenbarte Verfahren einen anderen Mechanismus (d.h. eine bidirektionale Bewegung des Laserstrahls) bereitstellt, um dazu beizutragen, den möglichen nachteiligen Effekten entgegenzuwirken, die mit dem Sieden von Zink an der/den Stoßschnittstellen verbunden sind. Und obwohl es nicht unbedingt notwendig ist, kann eine oder können beide Stoßoberflächen 20, 24 falls gewünscht vorspringende Merkmale enthalten, die durch Einritzen mit Laser, mechanische Vertiefungen oder anderweitig ausgebildet sind, um, das Entweichen von Zinkdampf zu unterstützen.
Wie in 3 am besten gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Aluminium ein erstes Aluminiumbasissubstrat 34, und das zweite Werkstück 14 aus Aluminium enthält ein zweites Aluminiumbasissubstrat 36. Die Aluminiumbasissubstrate 34, 36 können aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85% Gewichtsanteil Aluminium enthält. Einige erwähnenswerte Aluminiumlegierungen, die das erste und/oder zweite Aluminiumbasissubstrat 34, 36 bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Das erste und/oder zweite Aluminiumbasissubstrat 34, 36 kann/können beispielsweise aus einer bearbeiteten Aluminiumlegierungs-Blechschicht der Serien 4xxx, 5xxx, 6xxx, oder 7xxx, oder einer Aluminiumgusslegierung der Serien 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen, und es kann/sie können ferner in einer Vielfalt von Härtegraden verwendet werden, die geglüht (O), kaltgehärtet (H) und lösungsgeglüht (T) umfassen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, die als das erste und/oder das zweite Aluminiumbasissubstrat 34, 36 verwendet werden können, umfassen eine Aluminium-Magnesium-Legierung 5754, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung 6022, eine Aluminium-Zink-Legierung 7003 und eine AI-10Si-Mg-Aluminiumdruckgusslegierung, sind aber nicht darauf beschränkt.
Mindestens eines der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Aluminium - und vorzugsweise beide - enthält/enthalten eine Antikorrosionsschutzschicht 38, die das Aluminiumbasissubstrat 34, 36 überlagert. In der Tat sind, wie in 3 gezeigt ist, sowohl das erste als auch das zweite Aluminiumsubstrat 34, 36 mit einer Antikorrosionsschutzschicht 38 beschichtet, welche wiederum die jeweiligen Außenoberflächen 18, 22 und die jeweiligen Stoßoberflächen 20, 24 der Werkstücke 12, 14 bereitstellt. Die Antikorrosionsschutzschicht 38 kann eine hitzebeständige Oxidschicht sein, die sich passiv bildet, wenn Rohaluminium des Aluminiumbasissubstrats 34, 36 der Luft der Atmosphäre oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Antikorrosionsschutzschicht 38 kann auch eine metallische Schicht sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxidkonversionsschicht sein, die aus Titan-, Zirkon-, Chrom- oder Siliziumoxiden besteht. Eine typische Dicke der Antikorrosionsschutzschicht 38 liegt, falls vorahnden, in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung irgendwo in einem Bereich von 1 nm bis 10 µm. Wenn man die Dicke der Aluminiumbasissubstrate 34, 36 und der optionalen Antikorrosionsschutzschichten 38 berücksichtigt, können das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium Dicken im Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm aufweisen, und spezieller im Bereich von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest am Schweißort 32. Die Dicken der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Aluminium können gleich oder voneinander verschieden sein.
1 - 3 veranschaulichen eine Ausführungsform des Verfahrens zum Laserschweißen aus der Ferne, bei welcher der Werkstückstapel 10 zwei sich überlappende Werkstücke 12, 14 aus Aluminium enthält, die die einzige Stoßschnittstelle 30 aufweisen. Selbstverständlich kann der Werkstückstapel 10, wie in 4 gezeigt ist, ein zusätzliches drittes Werkstück 40 aus Aluminium enthalten, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Aluminium angeordnet ist. Das dritte Werkstück 40 aus Aluminium enthält, wenn es vorhanden ist, ein drittes Aluminiumbasissubstrat 42, das blank oder mit einer Antikorrosionsschutzschicht 44 (wie gezeigt) beschichtet sein kann. In vielen allgemeinen Hinsichten ähnelt das dritte Werkstück 40 aus Aluminium dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Aluminium und entsprechend trifft die vorstehend offengelegte Beschreibung des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium vollständig auf das dritte Werkstück 40 aus Aluminium zu (speziell die Zusammensetzung der Aluminiumbasissubstrate und die Dicke der Werkstücke). Das dritte Werkstück 40 aus Aluminium kann auch mit einem beliebigen der Härtegrade verwendet werden, die vorstehend mit Bezug auf das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium erwähnt wurden, wie vorstehend erörtert wurde.
Als Folge des Stapelns des ersten, zweiten und dritten Werkstücks 12, 14, 40 aus Aluminium in sich überlappender Weise, um den Werkstückstapel 10 bereitzustellen, weist das dritte Werkstück 40 aus Aluminium zwei Stoßoberflächen 46, 48 auf. Eine der Stoßoberflächen 46 überlappt sich mit der Stoßoberfläche 20 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium und liegt dieser gegenüber und die andere Stoßoberfläche 48 überlappt sich mit der Stoßoberfläche 24 des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium und liegt dieser gegenüber, wodurch zwei Stoßschnittstellen 50, 52 innerhalb des Werkstückstapels 10 am Schweißort 32 gebildet werden. Diese Stoßschnittstellen 50, 52 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 30, die bereits mit Bezug auf 1 und 3 beschrieben wurde. Folglich weisen in dieser Ausführungsform wie hier beschrieben die äußeren Außenoberflächen 18, 22 der flankierenden ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Aluminium immer noch allgemein voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen und bilden die obere und untere Oberfläche 26, 28 des Werkstückstapels 10. Der Fachmann weiß und stellt fest, dass das Verfahren zum Laserschweißen aus der Ferne, das die folgende Offenbarung umfasst, die auf einen Werkstückstapel gerichtet ist, der zwei Werkstücke aus Aluminium enthält, ohne übermäßige Schwierigkeiten leicht angepasst und auf einen Werkstückstapel angewendet werden kann, der drei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält.
Wieder mit Bezugnahme auf 1 - 3 enthält die Vorrichtung 16 zum Laserschweißen aus der Ferne einen optischen Laserabtastkopf 54. Der optische Laserabtastkopf 54 fokussiert und lenkt einen Laserstrahl 56 auf die obere Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10, welche hier durch die Außenoberfläche 18 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium bereitgestellt ist. Der optische Laserabtastkopf 54 ist vorzugsweise an einem (nicht gezeigten) Roboterarm montiert, der den Laserkopf 54 schnell und genau an viele verschiedene vorgewählte Schweißorte auf dem Werkstückstapel 10 in einer schnellen programmierten Folge befördern kann. Der Laserstrahl 56, der in Verbindung mit dem optischen Laserabtastkopf 54 verwendet wird, ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl und insbesondere ein Faserlaserstrahl oder ein Scheibenlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet (der für gewöhnlich so aufgefasst wird, dass er von 700 nm bis 1400 nm reicht). Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist jeder Laserstrahl, bei welchem das Laserverstärkungsmedium entweder eine optische Faser ist, die mit Selten-Erden-Elementen dotiert ist (z.B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium usw.), oder ein Halbleiter, der einem Faserresonator zugeordnet ist. Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist jeder Laserstrahl, bei welchem das Verstärkungsmedium eine dünne Scheibe eines Ytterbium dotierten Yttrium-Aluminium-Granatkristall ist, das mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet und an einem Kühlkörper montiert ist.
Der optische Laserabtastkopf 54 enthält eine Anordnung von Spiegeln 58, die den Laserstrahl 56 innerhalb einer zweidimensionalen Prozesshüllkurve 60 manövrieren, welche den Schweißort 32 umfasst. Die Anordnung von Spiegeln 58 enthält ein paar kippbarer Abtastspiegel 62. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 62 ist an einem Galvanometer montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 62 können den Laserstrahl 56 durch präzise koordinierte Kippbewegungen, die durch die Galvanometer ausgeführt werden, beliebig in der x-y-Ebene der oberen Oberfläche 26 bewegen, die von der Betriebshüllkurve 60 umfasst ist. Zusätzlich zu den kippbaren Abtastspiegeln 62 enthält der Laserkopf 54 außerdem eine Sammellinse 64 der z-Achse, welche einen Brennpunkt 66 (3) des Laserstrahls 56 in eine z-Richtung bewegen kann, die rechtwinklig zu der x-y-Ebene orientiert ist. Alle diese optischen Komponenten 62, 64 können innerhalb von Millisekunden oder weniger schnell indiziert werden, um den Laserstrahl 56 präzise wie beabsichtigt auf den Werkstückstapel 10 zu fokussieren und zu lenken, um eine Laserschweißfügestelle 68 auszubilden (in 1 - 2 von oben und in 3 im Querschnitt gezeigt), welche das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium miteinander autogen schmelzverschweißt. Und um zu verhindern, dass Verschmutzungen und Ablagerungen das optische System und letztlich die Schweißfügestelle 68 nachteilig beeinflussen können, kann eine Abdeckscheibe 70 unter dem optischen Laserabtastkopf 54 angeordnet sein. Die Abdeckscheibe 70 schützt die kippbaren Spiegel 62 und die Sammellinse 64 der z-Achse vor der Umwelt, erlaubt jedoch, dass der Laserstrahl 56 ohne wesentliche Störung aus dem Laserkopf 54 austreten kann.
Eine Eigenschaft, die das Laserschweißen aus der Ferne (das manchmal auch als „Schweißen on the Fly“ bezeichnet wird) von anderen herkömmlicheren Formen des Laserschweißens unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls. Hier weist, wie in 1 am besten gezeigt ist, der Laserstrahl 56 eine Brennweite 72 auf, die als die Distanz zwischen dem Brennpunkt 66 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 62 gemessen wird, welcher den Laserstrahl 56 empfängt und reflektiert, bevor der Laserstrahl 56 auf die obere Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 auftrifft (auch die Außenoberfläche 18 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium). Die Brennweite 72 des Laserstrahls 56 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 Meter bis 1,5 Meter, wobei ein Durchmesser des Brennpunkts 66 typischerweise in einem Bereich von 350 µm bis 700 µm liegt. Der in 1 allgemein gezeigte und vorstehend beschriebene optische Laserabtastkopf 54 sowie andere, die ein wenig anders aufgebaut sein können, sind aus einer Vielfalt von Quellen kommerziell verfügbar. Einige erwähnenswerte Lieferanten von optischen Laserabtastköpfen und Lasern zur Verwendung mit der Vorrichtung 16 zum Laserschweißen aus der Ferne umfassen HIGHYAG (Hauptquartier in Kleinmachnow, Deutschland) und TRUMPF Inc. (Amerikanisches Hauptquartier in Farmington, Connecticut).
Die Schweißfügestelle 68 wird zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Aluminium ausgebildet, indem der Laserstrahl 56 entlang einer vordefinierten Wegstrecke relativ zu der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 in Übereinstimmung mit einem programmierten Laserschweißplan voranbewegt wird. Wie in 2 und 3 am besten gezeigt ist, wird der Laserstrahl 56 anfänglich auf die obere Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 innerhalb des Schweißorts 32 gelenkt und trifft darauf auf. Die Wärme, die aus der Absorption der fokussierten Energie des Laserstrahls 56 erzeugt wird, leitet das Schmelzen des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium ein, um ein Schmelzbad 74 aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das in den Werkstückstapel 10 von der oberen Oberfläche 26 aus zu der unteren Oberfläche 28 hin eindringt und die Stoßschnittstelle 30 schneidet. Zusätzlich verdampft der Laserstrahl 56 außerdem in einer bevorzugten Implementierung das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium direkt unter der Stelle, an der er auf die obere Oberfläche 26 des Stapels 10 auftrifft. Die Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 76, welches eine Säule aus verdampftem Aluminium ist, die für gewöhnlich Plasma enthält. Das Schlüsselloch 76 wird innerhalb des Schmelzbads 74 aus Aluminiumschmelze ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzbad 74 aus Aluminiumschmelze nach innen kollabiert.
Wie das Schmelzbad 74 aus Aluminiumschmelze dringt auch das Schlüsselloch 76 von der oberen Oberfläche 26 aus zu der unteren Oberfläche 28 hin in den Werkstückstapel 10 ein und schneidet die Stoßschnittstelle 30 der beiden Werkstücke 12, 14 aus Aluminium. Tatsächlich stellt das Schlüsselloch 76 einen Kanal bereit, damit der Laserstrahl 56 Energie nach unten in den Werkstückstapel 10 hinein liefern kann, wodurch ein relativ tiefes und schmales Eindringen des Schmelzbades 74 aus Aluminiumschmelze in den Werkstückstapel 10 hinein und eine relativ kleine umgebende durch Wärme beeinflusste Zone ermöglicht werden. Das Schlüsselloch 76 kann den Werkstückstapel 10 vollständig durchdringen, wobei es sich in diesem Fall von der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 (auch der Außenoberfläche 18) durch die untere Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 hindurch (auch die Außenoberfläche 22) erstreckt, wie es hier in 3 gezeigt ist. Oder alternativ kann das Schlüsselloch 76 in den Werkstückstapel 10 teilweise eindringen, wobei es sich in diesem Fall von der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 aus in den Werkstückstapel 10 hinein und über die Stoßschnittstelle 30 hinweg erstreckt, die untere Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 aber nicht erreicht. Das Leistungsniveau, die Verfahrgeschwindigkeit und/oder die Brennpunktposition des Laserstrahls 56 können während des Laserschweißprozesses so gesteuert werden, dass das Schlüsselloch 76 in den Werkstückstapel 10 bis zu der gewünschten Tiefe eindringt.
Nach dem Erzeugen des Schmelzbads 74 aus Aluminiumschmelze (und vorzugsweise des Schlüssellochs 76) wird der Laserstrahl 56 relativ zu der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 innerhalb des Schweißorts 32 von einem Startpunkt aus zu einem Endpunkt hin voranbewegt. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls 56 findet entlang einer programmierten Wegstrecke statt, indem die Bewegungen der kippbaren Abtastspiegel 62 in dem optischen Laserabtastkopf 54 koordiniert werden. Das Schmelzbad 74 aus Aluminiumschmelze wird folglich entlang eines entsprechenden Kurses verschoben, da es der Bewegung des Laserstrahls 56 folgt. Entsprechend folgt das Schmelzbad 74 aus Aluminiumschmelze, wenn der Laserstrahl 56 entlang seiner Wegstrecke voranbewegt wird, und hinterlässt geschmolzenes Aluminiumwerkstückmaterial im Kielwasser des sich voranbewegenden Schmelzbads 74. Das geschmolzene Aluminiumwerkstückmaterial kühlt sich schnell ab und erstarrt zu der Schweißfügestelle 68 - die Schweißfügestelle 68 besteht aus wiedererstarrtem geschmolzenem Aluminium, das von jedem der Werkstücke 12, 14 aus Aluminium stammt - welche die Werkstücke 12, 14 miteinander autogen schmelzverschweißt. Sobald der Laserstrahl 56 den Endpunkt seiner Wegstrecke erreicht, wird die Übertragung des Laserstrahls 56 beendet, sodass der Laserstrahl 56 nicht mehr auf die obere Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 auftrifft. Zu diesem Zeitpunkt kollabiert das Schlüsselloch 76 (falls vorhanden) und das Schmelzbad 74 aus Aluminiumschmelze erstarrt, um das Ausbilden der Schweißfügestelle 68 abzuschließen. Wenn gewünscht, kann mehr als eine Schweißfügestelle 68 innerhalb des Schweißorts 32 auf analoge Weise ausgebildet werden, wie nachstehend in größerem Detail erläutert wird.
Mit Bezug nun auf 2 wird der Laserstrahl 56 von einem Startpunkt zu einem Endpunkt entlang einer Wegstrecke 78 voran bewegt, welche das Zersetzen beliebiger Antikorrosionsschutzschichten 38 fördert, die innerhalb des Schweißorts 32 vorhanden sind - und damit Schweißdefekte minimiert, die auf die Schutzschichten 38 in der Schweißfügestelle 68 zurückzuführen sind - ohne unbedingt irgendwelche weiteren Vorbereitungen vor dem Schweißen des Werkstückstapels 10 zu benötigen. Im Allgemeinen erzwingt die Wegstrecke 78 eine Bewegung des Laserstrahls 56 und folglich des Schmelzbads 74 aus Aluminiumschmelze in zwei Richtungen innerhalb der x-y-Ebene der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10: (1) in eine Vorwärtsrichtung 80 und (2) hin und her in eine seitliche Richtung 82, die quer zu der Vorwärtsrichtung 80 orientiert ist. Die Vorwärtsrichtung 80 ist die Richtungskomponente der Bewegung des Laserstrahls 56, die entlang einer mittleren Mittellinie 84 der Wegstrecke 78 stattfindet, die sich von dem Startpunkt zu dem Endpunkt erstreckt und mit der Gesamtrichtung übereinstimmt, in welche die Schweißfügestelle 68 in Längsrichtung anwächst. Die seitliche Richtung 82 ist die Richtungskomponente der Bewegung des Laserstrahls 56, die absichtliche Abweichungen auf beide Seiten der mittleren Mittellinie 84 repräsentiert. Diese absichtlichen Abweichungen in die seitliche Richtung 82 können eine beliebige Form oder ein beliebiges Profil aufweisen, die/das absichtlich induziert wird, und aus diesem Grund keine kleineren unspezifischen Abweichungen eines Laserstrahls umfassen, der einer ansonsten unidirektionalen Wegstrecke folgt. Um sicher zu gehen erstrecken sich in vielen Ausführungsformen bei der gegebenen Präzision, die mit Laserschweißen aus der Ferne erreichbar ist, die Abweichungen in die seitliche Richtung 82 von der mittleren Mittellinie 84 aus um 0,05 mm bis 3,0 mm auf jeder Seite der mittleren Mittellinie 84.
Die exakte Form und das exakte Profil der Wegstrecke 78 des Laserstrahls 56 können beliebige einer großen Vielfalt von Profilen annehmen, während sie dennoch eine Bewegung in die Vorwärtsrichtung 80 und eine Bewegung hin und her in die seitliche Richtung 82 erfährt. Ein besonders effektiver Typ einer bidirektionalen Bewegung umfasst ein periodisches Schwingen des Laserstrahls 56 in die seitliche Richtung 82, während der Laserstrahl 56 in die Vorwärtsrichtung 80 bewegt wird. Beispielsweise verkörpert die Wegstrecke 78 in einer Ausführungsform, die in 2 und 5 gezeigt ist, ein sinusförmiges Muster, das bei der Betrachtung von oben sich wiederholende Wellen 86 enthält, wenn die Wegstrecke 78 auf die x-y-Ebene der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 innerhalb des Schweißorts 32 projiziert wird. Um den Laserstrahl 56 daher von einem Startpunkt 88 aus bis zu einem Endpunkt 90 entlang einer Wegstrecke voran zu bewegen, welche die sich wiederholenden Wellen 86 enthält, wird der Laserstrahl 56 in die seitliche Richtung 82 zwischen Wellenspitzen 92 hin und her oszillieren gelassen, während er in die Vorwärtsrichtung 80 bewegt wird. Dieses Oszillieren kann die sich wiederholenden Wellen 86 kontinuierlich machen. Eine Wegstrecke, bei welcher die sich wiederholenden Wellen 86 eines sinusförmigen Musters kontinuierlich sind - das heißt, die sich wiederholenden Wellen 86 weisen konstante Amplituden und Wellenlängen auf - ist bevorzugt, da sie leichter programmiert und gesteuert werden kann. In einer besonders bevorzugten Implementierung des sinusförmigen Musters wird der Laserstrahl 56 mit einer relativ konstanten Frequenz oszillieren gelassen, um sich wiederholende Wellen 86 zu induzieren, die durch Amplituden 94 von Spitze zu Spitze und Wellenlängen 96 gekennzeichnet sind, die im Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm bzw. von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen.
Ein paar alternative Beispiele für eine Wegstrecke, bei welcher der Laserstrahl 56 eine Bewegung in die Vorwärtsrichtung 80 und eine Hin- und Herbewegung in die seitliche Richtung 82 erfahren kann, sind in 6-8 dargestellt. Zum Beispiel verkörpert die Wegstrecke, die in 6 veranschaulicht ist und die durch Bezugszeichen 78' beschriftet ist, ein Zickzack-Wellenmuster, das sich wiederholende Dreiecke 98 enthält. Das Voranbewegen des Laserstrahls 56 entlang dieses Typs von Wegstrecke umfasst ein lineares Oszillierenlassen des Laserstrahls 56 hin und her in die seitliche Richtung 82 zwischen abwechselnden Scheitelpunkten 100, während der Laserstrahl 56 in die Vorwärtsrichtung 80 bewegt wird. Als weiteres Beispiel verkörpert die Wegstrecke, die in 7 veranschaulicht ist, welche durch Bezugszeichen 78" beschriftet ist, ein Rechteckwellenmuster, das sich wiederholende Plateaus 102 enthält. Das Voranbewegen des Laserstrahls 56 entlang dieses Typs von Wegstrecke umfasst ein lineares Oszillierenlassen des Laserstrahls 56 hin und her in die seitliche Richtung 82 zwischen abwechselnden linearen Stufen 104, während der Laserstrahl 56 auch in die Vorwärtsrichtung 80 bewegt wird. Die in 6-7 gezeigten Dreiecke 98 und Plateaus 102 können analog wie die sich wiederholenden Wellen 86 dimensioniert sein, die in 5 gezeigt sind, und können folglich durch Amplituden 106, 108 von Spitze zu Spitze (zwischen Scheitelpunkten 100 oder linearen Stufen 104) und durch Wellenlängen 110, 112 gekennzeichnet sein, die in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm bzw. von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen.
Eine weitere geeignete Wegstrecke, die durch Bezugszeichen 78''' beschriftet ist, verkörpert ein kontinuierliches Schleifenmuster, das eine Folge von miteinander verbundenen und sich überlappenden Schleifen 114 enthält, wie in 8 gezeigt ist. Diese Wegstrecke des Laserstrahls 56 unterscheidet sich ein wenig von den zuvor beschriebenen Wegstrecken 78, 78', 78"; in der Tat emuliert die vorliegende Wegstrecke 78"', die bei der Projektion auf die x-y-Ebene der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 kontinuierliche Schleifen 114 aufweist, keine periodische Wellenform, wie die in 5-7 veranschaulichten Wegstrecken 78, 78', 78". Stattdessen weisen die Schleifen 114 der vorliegenden Wegstrecke 78''' eine kontinuierlich gekrümmte Trajektorie auf und liegen räumlich nahe genug beieinander, dass jede Schleife 114 ihre Vorgängerschleife 114 schneidet, wenn sie den hinteren Abschnitt ihrer Trajektorie abschließt. Daher wird der Laserstrahl 56 kreisen gelassen, um ihn entlang dieses Typs von Wegstrecke voran zu bewegen, um die kontinuierlichen und sich schneidenden Schleifen 114 zu erzeugen, was eine wiederholte Rotationsbewegung in die seitliche Richtung 82 umfasst, während er in die Vorwärtsrichtung 80 bewegt wird. Die Schleifen 114, denen der Laserstrahl 56 folgt, können in der Größe und im Abstand variieren, obwohl die Schleifen 114 in vielen Fällen durch Radien 116, die in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen, und Mittelpunktsabstände 118 (die zwischen den Mittelpunkten von benachbarten Schleifen 114 gemessen werden), die in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen, gekennzeichnet sind.
Der programmierte Laserschweißplan, der das gesamte Laserschweißverfahren steuert, kann Anweisungen ausführen, welche das Profil der Wegstrecke 78 des Laserstrahls 56 vorgeben, die eine beliebige der speziellen Wegstrecken 78, 78', 78", 78"', die hier gezeigt sind, sowie eine nicht gezeigte Variante sein kann. Er kann außerdem Anweisungen ausführen, die andere Parameter des Laserstrahls 56 detailliert angeben und (1) das Leistungsniveau, (2) die Fahrgeschwindigkeit und (3) den Ort des Brennpunkts relativ zu der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 in der z-Richtung umfassen. Jeder dieser drei Laserschweißparameter kann verändert werden, um sicherzustellen, dass der Laserstrahl 56 das Schmelzbad 74 aus Aluminiumschmelze erzeugt (und vorzugsweise das Schlüsselloch 76 bis zu der gewünschten Eindringtiefe erzeugt) und in akzeptabler Weise die Schweißfügestelle 68 ausbildet, während er entlang seiner vorbestimmten Wegstrecke 78 voranbewegt wird. In vielen Fällen und ohne Berücksichtigung des Profils der Wegstrecke 78 liegt das Leistungsniveau des Laserstrahls 56 typischerweise zwischen 0,2 kW und 50 kW und genauer gefasst zwischen 1,0 kW und 10,0 kW, die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56 liegt typischerweise zwischen 1,0 Meter pro Minute und 50 Meter pro Minute, und der Brennpunktort des Laserstrahls 56 wird typischerweise auf die untere Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 eingestellt.
Unabhängig von der Theorie wird gegenwärtig vermutet, dass die bidirektionale Bewegung des Laserstrahls 56, die durch die Wegstrecken 78, 78', 78", 78"', die vorstehend erörtert wurden, beispielhaft erläutert wurde, dazu beträgt, das Auftreten von Schweißdefekten zu minimieren, die auf die Antikorrosionsschutzschichten 38 in der Schweißfügestelle 68 zurückzuführen sind, wodurch sie dazu beiträgt, dass eine adäquate und konsistent erreichbare Festigkeit in der Fügestelle 68 sichergestellt wird. Speziell wird vermutet, dass die Hin- und Herbewegung des Laserstrahls 56 in die seitliche Richtung 82 konstante Veränderungen in das Geschwindigkeitsfeld des Metallschmelzenfluids innerhalb des Schmelzbads 74 aus Aluminiumschmelze induziert, was mehr Beeinträchtigungen (Aufbrechen und Zusammenbrechen einer hitzebeständigen Oxidschicht, Sieden einer Zinkschicht und Ausbildung von Zinkoxiden usw.) der Antikorrosionsschutzschichten 38 verursacht. Darüber hinaus tritt aufgrund der Bewegung des Laserstrahls 56 in die seitliche Richtung 82 eine derartige vergrößerte Beeinträchtigung der Antikorrosionsschutzschichten 38 über einen breiteren Streifen hinweg in und um den Kurs des Schmelzbads 74 aus Aluminiumschmelze herum auf, im Vergleich mit der strikten unidirektionalen Bewegung des Laserstrahls 56 in die Vorwärtsrichtung 80 in Übereinstimmung mit herkömmlichen Praktiken des Laserschweißens.
Die Schweißfügestelle 68, die durch den Laserstrahl 56 ausgebildet wird, kann eine beliebige gewünschte Gesamtgestalt bei einer Projektion auf die x-y-Ebene der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 annehmen. Zum Beispiel kann die Schweißfügestelle 68 eine spiralförmige oder kreisförmige Punktschweißfügestelle, eine Steppnahtschweißfügestelle, eine Klammerschweißfügestelle oder eine beliebige andere Gestalt sein. Eine Draufsicht auf eine Laserstrahlwegstrecke, die ein sinusförmiges Muster besitzt, das zu einer kreisförmigen Schweißfügestelle, einer Steppnahtschweißfügestelle und einer Klammerschweißfügestelle führen würde, ist in 9, 10 bzw. 11 gezeigt. Es kann sogar mehr als eine Schweißfügestelle 68 in dem gleichen Schweißort 32 enthalten sein. Es wurde herausgefunden, dass das Ausbilden mehrerer Schweißfügestellen 68 nahe beieinander innerhalb des Schweißortes 32 besonders hilfreich ist, wenn die Aluminiumbasissubstrate 34, 36 von mindestens einem der Werkstücke 12, 14 aus Aluminium mit einer passiv ausgebildeten hitzebeständigen Oxidschicht als ihrer Antikorrosionsschutzschicht 38 beschichtet sind. Diese mechanisch feste, elektrisch isolierende und selbst heilende Beschichtung besteht typischerweise aus Aluminiumoxiden, kann aber auch andere Metalloxidbestandteile enthalten, die Magnesiumoxide umfassen, wenn das Werkstück aus Aluminium aus einer magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung besteht. Man vermutet, dass das Ausbilden mehrerer Schweißfügestellen 68 gemeinsam einen relativ wesentlichen Anteil eines derartigen lästigen Beschichtungsmaterials innerhalb einer lokalisierten Region bricht und auflöst, sodass jede der mehreren Schweißfügestellen 68 fester ist, als wenn sie allein ausgebildet worden wäre.
12-14 stellen mehrere beispielhafte Laserstrahlwegstrecken dar, die verwendet werden, um mehrere Schweißfügestellen 68 an einem Schweißort 32 in einem Werkstückstapel 10 auszubilden, der mindestens die ersten und zweiten sich überlappenden Werkstücke 12, 14 aus Aluminium enthält. In jedem Fall ist der Laserstrahl 56 so programmiert, dass er relativ zu der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 26 entlang von zwei oder mehr kreisförmigen Wegstrecken voranbewegt wird, obwohl viele andere insgesamt geometrische Gestalten der Wegstrecken verwendet werden können, auch wenn sie hier veranschaulicht sind. Zum Beispiel wird der Laserstrahl 56 in 12 entlang einer inneren Kreisstrecke 120, einer mittleren Kreisstrecke 122, welche die innere Kreisstrecke 120 umgibt, und einer äußeren Kreisstrecke 124 voranbewegt, welche sowohl die innere Kreisstrecke 120 als auch die mittlere Kreisstrecke 122 umgibt. Jede der Kreisstrecken 120, 122, 124 weist übereinstimmende Startpunkte und Endpunkte auf (d.h. der Startpunkt der Kreisstrecke ist im Wesentlichen gleich dem Endpunkt auf der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10) und sie können um einen Mittelpunkt 126 herum konzentrisch sein. Hinsichtlich ihrer Größe können die innere Kreisstrecke 120, die mittlere Kreisstrecke 122 und die äußere Kreisstrecke 124 Durchmesser aufweisen, die jeweils in Bereichen von 1,5 mm bis 4,5 mm, von 3,5 mm bis 6,5 mm und von 5,5 mm bis 8,5 mm liegen.
Während der Laserstrahl 56 entlang mindestens einer der Kreisstrecken 120, 122, 124 - und vorzugsweise aller drei Kreisstrecken 120, 122, 124, wie hier in 12 gezeigt ist, - voran bewegt wird, erfährt er eine Bewegung in die Vorwärtsrichtung 80, während er auch eine Bewegung hin und her in die seitliche Richtung 82 erfährt. Diese bidirektionale Bewegung des Laserstrahls 56 wird in 12 erreicht, indem ein sinusförmiges Muster verwendet wird, welches die vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufweist, dessen Vorwärtsrichtung 80 gekrümmt ist, um einen vollständigen Kreis abzuschließen, wenn er sich von dem Startpunkt zu dem Endpunkt der kreisförmigen Strecken 120, 122, 124 bewegt. Das Voranbewegen des Laserstrahls 56 entlang der mehreren Kreisstrecken 120, 122, 124 kann in einer beliebigen zeitlichen Reihenfolge stattfinden. Um sicherzugehen, kann in einer Ausführungsform der Laserstrahl 56 zuerst entlang der inneren Kreisstrecke 120 voranbewegt werden, gefolgt von der mittleren Kreisstrecke 122 und dann von der äußeren Kreisstrecke 124. Oder in einer anderen Ausführungsform kann der Laserstrahl 56 zuerst entlang der äußeren Kreisstrecke 124 voranbewegt werden, gefolgt von der mittleren Kreisstrecke 122 und dann von der inneren Kreisstrecke 120. Des Weiteren kann der Laserstrahl 56 zuerst entlang der mittleren Kreisstrecke 122 voranbewegt werden, gefolgt von entweder der inneren Kreisstrecke 120 oder der äußeren Kreisstrecke 120 und schließlich als letztes der verbleibenden Kreisstrecke 120, 124.
Das Ausbilden von mehreren Schweißfügestellen 68 nahe beieinander kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass am Schweißort 32 ein Durchbrennen auftreten wird. Um das Potential dafür, dass ein Durchbrennen auftritt, zu verringern, können das Leistungsniveau und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56 justiert werden, um die Wärmeeingabe in den Werkstückstapel 10 hinein nach dem Ausbilden der ersten von drei Schweißfügestellen 68 zu verringern. Zum Beispiel und immer noch mit Bezugnahme auf 12 kann die Kreisstrecke 120, 122, 124, entlang welcher der Laserstrahl 56 zuerst voranbewegt wird (welche eine beliebige der Kreisstrecken 120, 122, 124 sein kann, um damit die erste von drei Schweißfügestellen 68 auszubilden) ein Leistungsniveau aufweisen, das größer als ein Leistungsniveau der Kreisstrecken 120, 122, 124 ist, entlang welcher der Laserstrahl 56 als zweites und als drittes voranbewegt wird. In der Tat wird in einer speziellen Implementierung von 12 die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56 relativ zu der oberen Oberfläche 26 auf einen Wert zwischen 2,0 Meter pro Minute und 4,0 Meter pro Minute gesetzt, wenn er entlang jeder der inneren, mittleren und äußeren Kreisstrecken 120, 122, 124 voranbewegt wird, aber sein Leistungsniveau ist während des Voranbewegens entlang der Kreisstrecke 120, 122, 124, der er als erstes folgt, größer als beim Voranbewegen entlang der Kreisstrecke 120, 122, 124, der er als zweites und als drittes folgt. Speziell kann der Laserstrahl 56, wenn der Brennpunkt 66 an der unteren Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 angeordnet ist, ein Leistungsniveau zwischen 3,0 kW und 4,0 kW während des Voranbewegens entlang der zeitlich ersten Kreisstrecke aufweisen und ein Leistungsniveau zwischen 2,3 kW und 3,3 kW während des Voranbewegens entlang der zeitlich zweiten und dritten Kreisstrecke.
13 und 14 stellen zusätzliche Beispiele für Laserstrahlwegstrecken dar, die an einem Schweißort 32 mehrere Schweißfügestellen 68 ausbilden würden. In 13 folgt der Laserstrahl 56 einer inneren Kreisstrecke 128 und einer äußeren Kreisstrecke 130, welche die innere Kreisstrecke 128 umgibt. Und wie zuvor bei 12 weist jede der Kreisstrecken 128, 130 übereinstimmende Startpunkte und Endpunkte auf und sie können um einen Mittelpunkt 132 herum konzentrisch sein. Hinsichtlich ihrer Größe können die innere Kreisstrecke 128 und die äußere Kreisstrecke 130 Durchmesser aufweisen, die jeweils in einem Bereich von 0,5 mm bis 3,5 mm und 5,5 mm bis 8,5 mm liegen. Während der Laserstrahl 56 entlang mindestens einer der Kreisstrecken 128, 130 - und vorzugsweise entlang beider Kreisstrecken 128, 130, wie hier in 13 gezeigt ist - voranbewegt wird, erfährt er eine Bewegung in die Vorwärtsrichtung 80, während er auch eine Hin- und Herbewegung in die seitliche Richtung 82 erfährt. Eine derartige bidirektionale Bewegung des Laserstrahls 56 wird in 13 erreicht, indem ein sinusförmiges Muster verwendet wird, welches die vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufweist, dessen Vorwärtsrichtung 80 gekrümmt ist, um einen vollständigen Kreis abzuschließen, wenn er von dem Startpunkt zu dem Endpunkt der Kreisstrecken 128, 130 bewegt wird.
Der Laserstrahl 56 kann den zwei Kreisstrecken 128, 130 in einer beliebigen zeitlichen Reihenfolge folgen; das heißt, dass der Laserstrahl 56 zeitlich zuerst entlang der inneren Kreisstrecke 128 voranbewegt werden kann und zeitlich danach entlang der äußeren Kreisstrecke 130, oder er kann zuerst entlang der äußeren Kreisstrecke 130 voranbewegt werden und zeitlich danach entlang der inneren Kreisstrecke 128. Außerdem können das Leistungsniveau und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56 justiert werden, um die Wärmeeingabe nach dem Ausbilden der ersten der zwei Schweißfügestellen 68 zu reduzieren. In der Tat wird bei einer speziellen Implementierung von 13 die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56 relativ zu der oberen Oberfläche 26 auf einen Wert zwischen 2,0 Meter pro Minute und 4,0 Meter pro Minute gesetzt, wenn er entlang jeder der inneren und äußeren Kreisstrecken 128, 130 voranbewegt wird, aber sein Leistungsniveau ist während des Voranbewegens entlang der Kreisstrecke 128, 130, der er als erstes folgt, höher als während des Voranbewegens entlang der Kreisstrecke 128, 130, der er als zweites folgt. Insbesondere kann der Laserstrahl 56, wenn der Brennpunkt 66 an der unteren Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 angeordnet ist, ein Leistungsniveau zwischen 2,9 kW und 3,9 kW während des Voranbewegens entlang des (zeitlich) ersten Kreisstrecke 128, 130 aufweisen, und ein Leistungsniveau zwischen 2,15 kW und 3,15 kW während des Voranbewegens entlang der (zeitlich) zweiten Kreisstrecke 128, 130.
Die in 14 dargestellten Laserstrahlwegstrecken ähneln denjenigen, die in 13 dargestellt sind, mit der Ausnahme, dass eine zusätzliche mittlere Kreisstrecke 134 zwischen der inneren Kreisstrecke 128 und der äußeren Kreisstrecke 130 hinzugefügt wurde. Die innere und äußere Kreisstrecke 128, 130 ähneln denjenigen von 13 insofern, als der Laserstrahl 56 eine Bewegung in die Vorwärtsrichtung 80 erfährt, während er auch eine Hin- und Herbewegung in die seitliche Richtung 82 erfährt, während er entlang der Kreisstrecken 128, 130 relativ zu der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 voranbewegt wird. Diese bidirektionale Bewegung wird erreicht, indem ein sinusförmiges Muster verwendet wird, welches die vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufweist, dessen Vorwärtsrichtung 80 gekrümmt ist, um einen vollständigen Kreis abzuschließen, wenn er von dem Startpunkt zu dem Endpunkt der Kreisstrecken 128, 130 bewegt wird. Hinsichtlich der mittleren Kreisstrecke 134 jedoch erfährt der Laserstrahl 56 keine derartige bidirektionale Bewegung, sondern er erfährt stattdessen nur eine unidirektionale Bewegung in die Vorwärtsrichtung 80. Hinsichtlich ihrer Größen können die innere Kreisstrecke 128, die mittlere Kreisstrecke 134 und die äußere Kreisstrecke 130 jeweils Durchmesser aufweisen, die in einem Bereich von 0,5 mm bis 3,5 mm, von 3,5 mm bis 6,5 mm und von 5,5 mm bis 8,5 mm liegen.
Zusätzlich können wie zuvor das Leistungsniveau und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56 justiert werden, um die Wärmeeingabe nach dem Ausbilden der ersten von drei Schweißfügestellen 68 zu reduzieren, um dazu beizutragen, das Potential für ein Durchbrennen am Schweißort 32 zu reduzieren. Hier wird die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56 beispielsweise, wenn er entlang der Kreisstrecke 128, 134, 130 voranbewegt wird, der er zeitlich als erstes folgt (welche eine beliebige der Kreisstrecken 128, 134, 130 sein kann), wobei der Brennpunkt 66 an der unteren Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 angeordnet ist, auf einen Wert zwischen 3,0 Meter pro Minute und 5,0 Meter pro Minute eingestellt, und das Leistungsniveau des Laserstrahls 56 wird auf einen Wert zwischen 2,8 kW und 3,8 kW eingestellt. Als Nächstes wird die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56, wenn er entlang der Kreisstrecke 128, 134, 130, der er zeitlich als zweiter folgt (wobei die Brennpunktposition die gleiche bleibt) auf einen Wert zwischen 4,0 Meter pro Minute und 6,0 Meter pro Minute eingestellt und das Leistungsniveau des Laserstrahls 56 wird auf einen Wert zwischen 2,6 kW und 3,6 kW eingestellt. Schließlich wird die Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 56, wenn er entlang der Kreisstrecke 128, 134, 130 voranbewegt wird, der er zeitlich als drittes folgt (wobei die Brennpunktposition die gleiche bleibt) auf einen Wert zwischen 4,0 Meter pro Minute und 6,0 Meter pro Minute eingestellt und das Leistungsniveau des Laserstrahls 56 wird auf einen Wert zwischen 2,4 kW und 3,4 kW eingestellt.
12-14 sind folglich auf Ausführungsformen gerichtet, bei welchen der Laserstrahl 56 entlang mehrerer Wegstrecken voranbewegt wird, um schließlich mehrere Schweißfügestellen 68 auszubilden. Die mehreren gezeigten und beschriebenen Wegstrecken sind Kreisstrecken, was bedeutet, dass die Vorwärtsrichtung 80 des Laserstrahls 56 gekrümmt ist, um einen Kreis abzuschließen, in welchem der Startpunkt und der Endpunkt der Strecke vorzugsweise, aber nicht unbedingt übereinstimmen. Der Begriff „Kreisstrecke“ ist, so wie er vorstehend mit Hinblick auf 12-14 verwendet wurde, nicht auf strikt kreisförmige Strecken begrenzt, die einen konstanten Radius aufweisen, sondern er bezieht sich stattdessen darauf und ist so gemeint, dass er beliebige gekrümmte Strecken abdeckt, die einem Kreis ähneln, etwa elliptische Strecken, sechseckige Strecken und achteckige Strecken, um ein paar Beispiele zu erwähnen. Der Laserstrahl 56 kann eine bidirektionale Bewegung erfahren, etwa durch sinusförmige Schwingungen, während er entlang einer beliebigen oder aller der mehreren Kreisstrecken voranbewegt wird. Außerdem kann in Abhängigkeit von dem Abstand der mehreren Laserstrahlwegstrecken das wiedererstarrte Werkstückaluminium, das die resultierenden Schweißfügestellen 68 bildet, sich mit Abschnitten der Werkstücke aus Aluminium, die durch den Laserstrahl 56 nicht geschmolzen wurden, bis zu einem bestimmten Grad überlappen oder dadurch getrennt sein. Mit anderen Worten kann das Schmelzbad 74 aus Aluminiumschmelze, das entlang eines entsprechenden Kurses verschoben wird, wenn der Laserstrahl 56 entlang einer der Laserstrahlwegstrecken voran bewegt wird, in einigen Fällen einen Kontakt mit dem wiedererstarrten Werkstückaluminium einer Schweißfügestelle 68 herstellen, die einer Wegstrecke zugeordnet ist, welcher der Laserstrahl 56 bereits gefolgt ist. Eine derartige Interaktion der Schweißfügestellen 68 wird nicht so aufgefasst, dass sie kategorisch nicht akzeptabel ist.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und speziellen Beispielen dient lediglich der Beschreibung; diese sollen den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht beschränken. Allen Begriffen, die in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, soll ihre gewöhnliche und allgemeine Bedeutung gegeben werden, sofern dies nicht in der Beschreibung speziell und eindeutig anderweitig angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0005]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen von sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium, wobei das Verfahren umfasst, dass: (a) ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erster Werkstück aus Aluminium und ein zweites Werkstück aus Aluminium umfasst, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Aluminium eine untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar von benachbarten einander überlappenden Werkstücken aus Aluminium innerhalb des Werkstückstapels gebildet wird, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel eine Antikorrosionsschutzschicht enthält; (b) ein Laserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt wird, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin in den Werkstückstapel eindringt und jede Stoßschnittstelle schneidet, die in dem Werkstückstapel gebildet wird; und (c) der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und entlang einer Wegstrecke voranbewegt wird, um das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze entlang eines entsprechenden Kurses zu verschieben und um eine Schweißfügestelle auszubilden, die aus wieder erstarrtem Aluminiumwerkstückmaterial besteht, während das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels befördert wird, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls von einem Startpunkt zu einem Endpunkt der Wegstrecke umfasst, dass der Laserstrahl in eine Vorwärtsrichtung von dem Startpunkt weg und zu dem Endpunkt hin bewegt wird und der Laserstrahl ferner hin und her in eine seitliche Richtung bewegt wird, die quer zu der Vorwärtsrichtung orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine Außenoberfläche und eine erste Stoßoberfläche aufweist, und das zweite Werkstück aus Aluminium eine Außenoberfläche und eine zweite Stoßoberfläche aufweist, wobei die Außenoberfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenoberfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei sich die erste und zweite Stoßoberfläche des ersten und zweiten Werkstücks aus Aluminium überlappen und einander gegenüberliegen, um eine Stoßschnittstelle zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine Außenoberfläche und eine erste Stoßoberfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Aluminium eine Außenoberfläche und eine zweite Stoßoberfläche aufweist, wobei die Außenoberfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenoberfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei der Werkstückstapel ein drittes Werkstück aus Aluminium umfasst, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Aluminium angeordnet ist, wobei das dritte Werkstück aus Aluminium einander entgegengesetzte Stoßoberflächen aufweist, von denen sich eine mit der ersten Stoßoberfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle zu bilden, und sich die andere mit der zweiten Stoßoberfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes der Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel mit einer Antikorrosionsschutzschicht beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Antikorrosionsschutzschicht eine passiv ausgebildete hitzebeständige Oxidschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls durch einen optischen Laserabtastkopf ausgeführt wird, der kippbare Abtastspiegel aufweist, deren Bewegungen koordiniert werden, um den Laserstrahl sowohl in die Vorwärtsrichtung als auch in die seitliche Richtung relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Laserstrahl ein Festkörper-Faserlaserstrahl oder ein Festkörper-Scheibenlaserstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels vom Startpunkt zum Endpunkt der Wegstrecke ein periodisches Schwingenlassen des Laserstrahls umfasst, um ein Wellenformmuster zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Laserstrahl in einem sinusförmigen Muster schwingen gelassen wird, das sich wiederholende Wellen enthält, die sich durch Amplituden von Spitze zu Spitze und Wellenlängen auszeichnen, die jeweils in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm und von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl in einem Rechteckwellenmuster linear schwingen gelassen wird, das sich wiederholende Plateaus enthält, die sich durch Amplituden von Spitze zu Spitze und Wellenlängen auszeichnen, die jeweils in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm und von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl in einem Zickzack-Wellenmuster linear schwingen gelassen wird, das sich wiederholende Dreiecke enthält, die sich durch Amplituden von Spitze zu Spitze und durch Wellenlängen auszeichnen, die jeweils in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm und von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels von dem Startpunkt zu dem Endpunkt der Wegstrecke umfasst, dass der Laserstrahl kreisen gelassen wird, um ein kontinuierliches Schleifenmuster zu erzeugen, das miteinander verbundene und sich überlappende Schleifen enthält, die sich durch Radien, die in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen und durch Mittelpunktdistanzen, die in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm liegen, auszeichnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wegstrecke, entlang welcher der Laserstrahl voranbewegt wird, eine Kreisstrecke ist, in welcher die Vorwärtsrichtung gekrümmt ist, um einen Kreis abzuschließen.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst, dass: (d) die Schritte (b) und (c) wiederholt werden, um eine weitere Schweißfügestelle auszubilden, die aus wieder erstarrtem Aluminiumwerkstückmaterial besteht, wobei die Wegstrecke, entlang welcher der Laserstrahl bei den wiederholten Schritten (b) und (c) voran bewegt wird, um eine weitere Schweißfügestelle auszubilden, eine Kreisstrecke ist, die die Kreisstrecke umgibt oder von dieser umgeben wird, entlang welcher der Laserstrahl in den ursprünglichen Schritten (b) und (c) voranbewegt wurde, um die Schweißfügestelle auszubilden.
Verfahren zum Laserschweißen von sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium, wobei das Verfahren umfasst, dass: (a) ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Aluminium und ein zweites Werkstück aus Aluminium umfasst, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Aluminium ein untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar von benachbarten sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium innerhalb des Werkstückstapels gebildet wird und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel eine passive ausgebildete hitzebeständige Oxidschicht enthält; (b) ein optischer Laserabtastkopf betrieben wird, um einen Festkörperlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels zu lenken, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das in den Werkstückstapel von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin eindringt und jede Stoßschnittstelle schneidet, die innerhalb des Werkstückstapels gebildet ist, wobei der Festkörperlaserstrahl eine Brennweite zwischen 0,4 Meter und 1,5 Meter aufweist; und (c) die Bewegung von kippbaren Abtastspiegeln innerhalb des optischen Laserabtastkopfes koordiniert wird, um den Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und entlang einer Wegstrecke von einem Startpunkt der Wegstrecke zu einem Endpunkt der Wegstrecke voranzubewegen, wobei dieses Voranbewegen des Laserstrahls das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze entlang eines entsprechenden Kurses verschiebt, sodass eine Schweißfügestelle, die aus wieder erstarrtem Aluminiumwerkstückmaterial besteht, ausgebildet wird, während das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels befördert wird, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls vom Startpunkt zum Endpunkt der Wegstrecke umfasst, dass der Laserstrahl in eine Vorwärtsrichtung von dem Startpunkt weg und zu dem Endpunkt hin bewegt wird und der Laserstrahl ferner hin und her in eine seitliche Richtung bewegt wird, die quer zu der Vorwärtsrichtung orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine Außenoberfläche und eine erste Stoßoberfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Aluminium eine Außenoberfläche und eine zweite Stoßoberfläche aufweist, wobei die Außenoberfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenoberfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei sich die erste und zweite Stoßoberfläche des ersten und zweiten Werkstücks aus Aluminium überlappen und einander gegenüberliegen, um eine Stoßschnittstelle zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine Außenoberfläche und eine erste Stoßoberfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Aluminium eine Außenoberfläche und eine zweite Stoßoberfläche aufweist, wobei die Außenoberfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenoberfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei der Werkstückstapel ein drittes Werkstück aus Aluminium umfasst, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Aluminium angeordnet ist, wobei das dritte Werkstück aus Aluminium einander entgegengesetzte Stoßoberflächen aufweist, von denen sich eine mit der ersten Stoßoberfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle zu bilden, und sich die andere mit der zweiten Stoßoberfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schritte (b) und (c) zweifach oder mehrfach ausgeführt werden, um den Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und entlang mehrerer Wegstrecken mit kreisförmiger Gestalt innerhalb eines Schweißorts voranzubewegen, um mehrere Schweißfügestellen aus wieder erstarrtem Aluminiumwerkstückmaterial auszubilden, wobei die mehreren Wegstrecken mit kreisförmiger Gestalt eine innere Kreisschweißstrecke und eine äußere Kreisschweißstrecke, welche die innere Kreisschweißstrecke umgibt, umfassen, wobei die innere Kreisstrecke einen Durchmesser aufweist, der in einem Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mm liegt, und die äußere Kreisstrecke einen Durchmesser aufweist, der in einem Bereich von 5,5 mm bis 8,5 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei ein Leistungsniveau des Laserstrahls, eine Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls oder beide justiert werden, nachdem der Laserstrahl entlang irgendeiner der mehreren Wegstrecken voranbewegt wurde, die von dem Laserstrahl zeitlich zuerst verfolgt wurde, um die Wärmeeingabe in den Werkstückstapel während des Voranbewegens des Laserstrahls entlang der verbleibenden mehreren Wegstrecken zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Festkörperlaserstrahl ein Faserlaserstrahl oder ein Scheibenlaserstrahl mit einem Leistungsniveau ist, das von 0,2 kW bis 50 kW reicht, und wobei der Festkörperlaserstrahl entlang der Wegstrecke mit einer Fahrgeschwindigkeit voranbewegt wird, die in einem Bereich von 1,0 Meter pro Minute bis 50 Meter pro Minute liegt.