DE112015006998T5

DE112015006998T5 - Laserpunktschweissen von sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium

Info

Publication number: DE112015006998T5
Application number: DE112015006998.4T
Authority: DE
Inventors: David S. Yang; Wu Tao; Jing Zhang; Justin A. Wolsker
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2018-07-05
Also published as: WO2017075808A1; US20180304405A1; CN108367391A; CN108367391B

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels (10), der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium (12, 14) enthält, umfasst, dass ein Laserstrahl (24) relativ zu einer Ebene einer oberen Oberfläche (20) des Werkstückstapels (10) und entlang eines Punktschweißbewegungsmusters (74) voranbewegt wird, welches eine oder mehrere nicht lineare innere Schweißstrecken und eine äußere periphere Schweißstrecke enthält, die die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken umgibt. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls (24) entlang des Punktschweißbewegungsmusters (74) verschiebt ein Schlüsselloch (78) und ein umgebendes Schmelzbad (76) aus Aluminiumschmelze entlang einer korrespondierenden Route relativ zu der oberen Oberfläche (20) des Werkstückstapels (10). Das Voranbewegen des Laserstrahls (24) entlang des Punktschweißbewegungsmusters (74) bildet eine Schweißfügestelle (72) aus, welche wieder erstarrtes Aluminiumverbundwerkstückmaterial enthält, das von jedem der Werkstücke (12, 14) aus Aluminium stammt, in welche das umgebende Schmelzbad (76) aus Aluminiumschmelze eindringt, wodurch die Werkstücke (12, 14) aus Aluminium miteinander durch Schmelzschweißen verbunden werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und insbesondere ein Verfahren zum Verschweißen von zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium durch Laserpunktschweißen.
HINTERGRUND
Das Laserpunktschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei welchem ein Laserstrahl an einen Stapel aus Werkstücken aus Metall gelenkt wird, um eine Quelle mit konzentrierter Energie bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Schweißfügestelle zwischen den sich überlappenden einzelnen Werkstücken aus Metall zu bewirken. Allgemein werden zunächst zwei oder mehr Werkstücke aus Metall relativ zueinander derart ausgerichtet und gestapelt, dass sich ihre Stoßoberflächen überlappen und einander gegenüberliegen, um eine oder mehrere Stoßschnittstellen innerhalb eines beabsichtigten Schweißorts zu bilden. Dann wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt. Die aus der Absorption von Energie aus dem Laserstrahl erzeugte Hitze leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall ein und erzeugt ein Schmelzbad innerhalb des Werkstückstapels. Das Schmelzbad dringt durch das Werkstück aus Metall hindurch, auf welches der Laserstrahl auftrifft, und in ein oder mehrere Werkstücke aus Metall, die darunter liegen, bis zu einer Tiefe ein, dass jede der gebildeten Stoßschnittstellen geschnitten wird. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch 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 -, sobald er auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels auftrifft. Nachdem das Schmelzbad ausgebildet und stabil ist, wird der Laserstrahl entlang der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranbewegt, wobei er einer vorbestimmten Schweißstrecke folgt, die herkömmlich umfasste, dass der Laserstrahl in einer geraden Linie oder entlang einer leicht gekrümmten Strecke, etwa einer „C-förmigen“ Strecke bewegt wurde. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls verschiebt das Schmelzbad entlang einer entsprechenden Route relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und hinterlässt einen Nachlauf aus geschmolzenem Werkstückmaterial im Kielwasser des sich voranbewegenden Schmelzbads. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmaterial kühlt sich ab und erstarrt, um eine Schweißfügestelle auszubilden, die aus wieder erstarrtem Werkstückverbundmaterial besteht. Die resultierende Schweißfügestelle verbindet die sich überlappenden Werkstücke durch Schmelzschweißen miteinander.
Die Kraftfahrzeugindustrie ist an der Verwendung des Laserschweißens zum Herstellen von Teilen, die an einem Fahrzeug installiert werden können, interessiert. In einem Beispiel kann der Körper einer Fahrzeugtür aus einem Türinnenblech und einem Türaußenblech hergestellt werden, die durch eine Vielzahl von Laserschweißverbindungen zusammengefügt sind. Die Türinnenbleche und Türaußenbleche werden zunächst relativ zueinander gestapelt und durch Klemmen ortsfest befestigt. Dann wird ein Laserstrahl sequentiell an mehrere Schweißorte um die gestapelten Bleche herum in Übereinstimmung mit einer programmierten Sequenz gelenkt, um die Vielzahl von Laserschweißfügestellen auszubilden. An jedem Schweißort, an dem ein Laserschweißen ausgeführt wird, wird der Laserstrahl auf die gestapelten Bleche gelenkt und eine kurze Distanz weiter befördert, um die Schweißfügestelle in einer einer Vielfalt von Konfigurationen zu erzeugen, welche beispielsweise eine Punktschweißfügestelle, eine Nahtschweißfügestelle oder eine Stapelschweißfügestelle umfassen. Der Prozess des Laserschweißens von Türinnen- und Türaußenblechen (sowie von anderen Fahrzeugteilkomponenten, wie etwa denjenigen, die verwendet werden, um Motorhauben, Heckklappen, lastführende Strukturelemente usw. herzustellen) ist typischerweise ein automatisierter Prozess, der schnell und effizient ausgeführt werden kann.
Werkstücke aus Aluminium sind aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und ihrer Fähigkeit zum Verbessern der Kraftstoffsparsamkeit des Fahrzeugs ein faszinierender Kandidat für viele Teile und Strukturen von Kraftfahrzeugkomponenten. Die Nutzung des Laserschweißens zum Zusammenfügen von Werkstücken aus Aluminium kann jedoch Probleme bereiten. Vor allem enthalten Werkstücke aus Aluminium nahezu immer eine Schutzbeschichtung, die ein darunter liegendes Aluminiummassensubstrat bedeckt. Diese Schutzbeschichtung kann eine hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die sich auf passive Weise ausbildet, wenn Rohaluminium der Luft der Atmosphäre oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. In anderen Fällen kann die Schutzbeschichtung eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxid-Konversionsbeschichtung sein, die aus Oxiden aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nr. US2014/0360986 offenbart ist, deren gesamter Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme hier mit aufgenommen ist. Die Schutzbeschichtung verhindert eine Korrosion des darunterliegenden Aluminiumsubstrats durch beliebige einer Vielfalt von Mechanismen, die von der Zusammensetzung der Beschichtung abhängen. Aber das Vorhandensein der Antikorrosions-Schutzbeschichtung macht es auch problematischer, Werkstücke aus Aluminium mithilfe des Laserschweißens autogen durch Schmelzschweißen miteinander zu verbinden.
Es wird vermutet, dass die Antikorrosions-Schutzbeschichtung den Laserschweißprozess beeinflusst, indem sie zu der Ausbildung von Schweißdefekten in der endgültigen Laserschweißfügestelle beiträgt. Wenn die Antikorrosions-Schutzbeschichtung beispielsweise eine passive hitzebeständige Oxidbeschichtung ist, ist es aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts und ihrer mechanischen Festigkeit schwierig, die Beschichtung aufzubrechen und aufzulösen. Als Folge trifft man oft in der Laserschweißfügestelle auf Defekte in der Nähe der Schnittstelle, etwa Oxidrückstände, Porosität und Mikrorisse. Wenn als weiteres Beispiel die Antikorrosions-Schutzbeschichtung aus Zink besteht, kann die Beschichtung leicht verdampfen, um an den Stoßschnittstellen der Werkstücke aus Aluminium Zinkdämpfe bei hohem Druck zu erzeugen (Zink weist einen Siedepunkt von etwa 906°C auf). Diese Zinkdämpfe wiederum können in das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze, das durch den Laserstrahl erzeugt wird, hinein und hindurch diffundieren und zu einer eingekoppelten Porosität in der endgültigen Laserschweißfügestelle führen, wenn keine Vorkehrungen getroffen werden, um die Zinkdämpfe vom Schweißort weg zu entlüften, die umfassen können, dass der Werkstückstapel vor dem Schweißen zusätzlichen und unangenehmen Verarbeitungsschritten unterzogen werden muss. Die anderen vorstehend erwähnten Materialien, welche die Antikorrosions-Schutzbeschichtung bilden können, können ähnliche Probleme bereiten, welche die mechanischen Eigenschaften der Schweißfügestelle letztendlich beeinflussen und verschlechtern können.
Die einzigartigen Probleme, die der Nutzung des Laserschweißens zum Zusammenfügen von Werkstücken aus Aluminium durch Schmelzschweißen zugrunde liegen, haben dazu geführt, dass viele Hersteller das Laserschweißen als einen geeigneten Metallfügeprozess trotz dessen Potentials zum Bereitstellen einer großen Menge von Vorteilen ablehnen. Anstelle des Laserschweißens haben sich diese Hersteller mechanischen Befestigungselementen zugewendet, etwa Stanznieten oder Flow-Drill-Schrauben, um zwei oder mehr Werkstücke aus Aluminium zusammenzufügen. Jedoch braucht es viel länger, um diese mechanischen Befestigungselemente zu platzieren und sie weisen im Vergleich mit Laserschweißfügestellen hohe Verbrauchskosten auf. Außerdem erhöhen sie die Komplexität der Fertigung und sie fügen zusätzliches Gewicht zu dem Teil hinzu, das gerade gefertigt wird - Gewicht, das vermieden wird, wenn das Zusammenfügen mithilfe von autogenen Laserschmelzschweißverbindungen bewerkstelligt wird - das einigen der Gewichtseinsparungen entgegenwirkt, die erst durch die Verwendung von Werkstücken aus Aluminium erzielt wurden. Eine umfassende Laserschweißstrategie, die das Laserschweißen von Aluminium zu einer brauchbaren Option sogar in den problematischsten Fertigungsumgebungen machen kann, wäre daher eine willkommene Erweiterung des Standes der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es wird ein Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels, der sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, 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 Antikorrosions-Schutzbeschichtung. Der Begriff „Werkstück aus Aluminium“, bezeichnet, so wie er in der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, weitgefasst ein Werkstück, das ein Aluminiumbasissubstrat enthält, welches zu mindestens 85 % Gewichtsanteil aus Aluminium besteht. Die Werkstücke aus Aluminium können daher ein Aluminiumbasissubtrat enthalten, das aus elementarem Aluminium oder beliebigen einer großen Vielfalt von Aluminiumlegierungen besteht. Darüber hinaus ist die Antikorrosions-Schutzbeschichtung, die mindestens eines der Aluminiumbasissubstrate der zwei oder mehr Werkstücke aus Aluminium bedeckt, vorzugsweise die hitzebeständige Oxidbeschichtung, die sich passiv ausbildet, wenn Rohaluminium der Luft der Atmosphäre oder einer anderen Sauerstoffquelle ausgesetzt wird. Jedoch kann die Antikorrosions-Schutzbeschichtung in alternativen Ausführungsformen eine Zinkbeschichtung, eine Zinnbeschichtung oder eine Metalloxid-Konversionsbeschichtung sein. Außerdem kann das Aluminiumbasissubstrat in einem oder allen der zwei oder mehr Werkstücke aus Aluminium falls gewünscht einer Vielzahl von Wärmebehandlungsprozeduren unterzogen worden sein, die Tempern, Kalthärten und Lösungsglühen umfassen.
Das Verfahren zum Laserpunktschweißen umfasst zunächst, dass ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, 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 übereinandergelegt, dass zwischen den Stoßoberflächen jedes Paars benachbarter sich überlappender Werkstücke aus Aluminium eine Stoßschnittstelle gebildet wird. Zum Beispiel enthält der Werkstückstapel in einer Ausführungsform erste und zweite Werkstücke aus Aluminium, die erste bzw. zweite Stoßoberflächen aufweisen, 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 die ersten und zweiten Werkstücke aus Aluminium erste bzw. zweite Stoßoberflächen auf, die sich mit entgegengesetzten 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 unterschiedliche Teile sein oder sie können alternativ verschiedene Abschnitte des gleichen Teils sein, etwa wenn ein Rand eines Teils umgefaltet wird und einen freien Rand eines anderen Teils umsäumt.
Nachdem der Werkstückstapel bereitgestellt wurde, 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 von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin eindringt. Die Leistungsdichte des Laserstrahls wird so gewählt, dass das Verfahren zum Laserschweißen zumindest für einen Teil der Zeit in einem Schlüssellochschweißmodus ausgeführt wird. Im Schlüssellochschweißmodus ist die Leistungsdichte des Laserstrahls groß genug, um die Werkstücke aus Aluminium zu verdampfen und um ein Schlüsselloch direkt unter dem Laserstrahl innerhalb des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze zu erzeugen. Das Schlüsselloch stellt eine Röhre zur Energieabsorption tiefer in den Werkstückstapel hinein bereit, welche wiederum ein tieferes und schmaleres Eindringen des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze ermöglicht. Daher weist das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze, das während des Schlüssellochschweißmodus erzeugt wird, typischerweise eine Breite an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels auf, die geringer als die Eindringtiefe des Schmelzbads ist. Während des offenbarten Verfahrens zum Laserpunktschweißen dringt das Schlüsselloch vorzugsweise nur teilweise in den Werkstückstapel ein; das heißt, das Schlüsselloch erstreckt sich von der oberen Oberfläche aus in den Werkstückstapel hinein, aber es erstreckt sich nicht vollständig durch den Stapel hindurch bis zur unteren Oberfläche.
Nach der Erzeugung des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze und des teilweise eindringenden Schlüssellochs wird der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Punktschweißbewegungsmusters voranbewegt. Das Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Punktschweißbewegungsmusters verschiebt das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze entlang einer Route, die dem Bewegungsmuster des Laserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entspricht. Folglich hinterlässt das Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Punktschweißbewegungsmusters einen Nachlauf aus geschmolzenem Aluminiumwerkstückmaterial im Kielwasser der Bewegungsstrecke des Laserstrahls und der entsprechenden Route des Schmelzbads. Dieser Nachlauf aus geschmolzenem Aluminiumwerkstückmaterial kühlt schnell ab und erstarrt zu wiedererstarrtem Aluminiumverbundwerkstückmaterial, das aus Aluminiummaterial von jedem Werkstück aus Aluminium besteht, in das das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze eingedrungen ist. Das kollektive wiedererstarrte Aluminiumverbundwerkstückmaterial, das aus dem Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Punktschweißbewegungsmusters erhalten wurde, stellt eine Punktschweißfügestelle bereit, die die Werkstücke aus Aluminium autogen miteinander durch Schmelzschweißen verbindet. Nachdem der Laserstrahl sein Voranbewegen entlang des Punktschweißbewegungsmusters abgeschlossen hat, wird der Laserstrahl von der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entfernt, typischerweise durch Anhalten des Übertragens des Laserstrahls.
Das Punktschweißbewegungsmuster, dem der Laserstrahl folgt, enthält eine oder mehrere nicht lineare innere Schweißstrecken, die von einer äußeren peripheren Schweißstrecke umschlossen sind, wenn sie auf eine Ebene (die x-y-Ebene) der oberen Oberfläche des Werkstückstapels projiziert werden. Die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken können ein beliebiges einer Vielfalt von Profilen relativ zu der oberen Oberfläche annehmen. Zum Beispiel kann die eine oder können die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen Schweißstrecken umfassen (etwa eine Reihe von konzentrischen kreisförmigen Schweißstrecken). In diesem Fall springt der Laserstrahl zwischen mehreren diskreten kreisförmigen inneren Schweißstrecken und wird entlang von diesen voranbewegt, um das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze und das zugehörige Schlüsselloch entlang einer entsprechenden Reihe von kreisförmigen Routen während der Ausbildung der Punktschweißfügestelle zu verschieben. Als weiteres Beispiel kann die eine oder können die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken eine spiralförmige Schweißstrecke umfassen, die sich um einen feststehenden Innenpunkt herumdreht und sich von diesem aus radial nach außen ausdehnt. In diesem Fall wird der Laserstrahl entlang einer sich in radiale Richtung ausdehnenden Umdrehung voranbewegt, entweder zu dem feststehenden Innenpunkt hin oder von diesem weg, um das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze und das zugehörige Schlüsselloch entlang einer entsprechenden spiralförmigen Route während der Ausbildung der Punktschweißfügestelle zu verschieben. Die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken können selbstverständlich eine Vielfalt weiterer räumlicher Profile zusätzlich zu Kreisen und Spiralen annehmen.
Die äußere periphere Schweißstrecke umgibt die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken und definiert allgemein eine Außengrenzlinie des Punktschweißbewegungsmusters. Die äußere periphere Schweißstrecke kann neben weiteren Optionen ein Kreis, eine Ellipse, ein Epizykloid, ein Epitrochoid oder eine Hypozykloid sein und sie weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der gemessen zwischen den zwei Punkten auf der äußeren peripheren Schweißstrecke, die voneinander durch die größte Distanz getrennt sind, welche einen Mittelpunkt der äußeren peripheren Schweißstrecke schneidet, in einem Bereich von 4 mm bis 15 mm liegt. Obwohl die äußere periphere Schweißstrecke vorzugsweise vollständig geschlossen ist, muss dies nicht unbedingt so sein. Beispielsweise kann die äußere periphere Schweißstrecke Unterbrechungen dazwischen enthalten oder sie kann kurz vor einem vollständigen Umschließen stoppen. Des Weiteren kann die äußere periphere Schweißstrecke mit der einen oder mit den mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken verbunden sein oder sie kann eine diskrete Schweißstrecke sein, die von der einen oder den mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken beabstandet und getrennt ist. Eine spiralförmige innere Schweißstrecke beispielsweise kann nahtlos in die äußere periphere Schweißstrecke übergehen, während als weiteres Beispiel eine Vielzahl von radial beabstandeten inneren kreisförmigen Schweißstrecken nicht verbunden sein kann und sie folglich von der äußeren peripheren Schweißstrecke getrennt sind, neben weiteren Möglichkeiten.
Der Laserstrahl kann der einen oder den mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken und der äußeren peripheren Schweißstrecke in einer beliebigen gewünschten Sequenz folgen. Die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken können als erste nachverfolgt werden, gefolgt von der äußeren peripheren Schweißstrecke. Oder alternativ kann zuerst die äußere periphere Schweißstrecke nachverfolgt werden, gefolgt von der einen oder den mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken. Zusätzlich kann der Laserstrahl der einen oder den mehreren nicht linearen Schweißstrecken selbst in einer Vielzahl von Weisen folgen. Wenn das Punktschweißbewegungsmuster beispielsweise eine Vielzahl von radial beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen inneren Schweißstrecken enthält, die von einer kreisförmigen äußeren peripheren Schweißstrecke umgeben sind, kann der Laserstrahl starten, indem er der innersten kreisförmigen inneren Schweißstrecke (einer der nicht linearen inneren Schweißstrecken) folgt und dann damit fortfahren, sukzessive größeren kreisförmigen Strecken (dem Rest der nicht linearen inneren Schweißstrecken) zu folgen, bis er der äußersten kreisförmigen Schweißstrecke (der äußeren peripheren Schweißstrecke) folgt. Alternativ kann der Laserstrahl von der äußersten kreisförmigen Strecke zu der innersten kreisförmigen Strecke voranschreiten, oder er kann voranschreiten, indem er den mehreren diskreten kreisförmigen Strecken in einer anderen Sequenz folgt. Wenn das Punktschweißbewegungsmuster analog eine spiralförmige innere Schweißstrecke enthält, die mit der kreisförmigen äußeren peripheren Schweißstrecke verbunden ist, kann der Laserstrahl bei dem feststehenden Innenpunkt der spiralförmigen inneren Schweißstrecke starten und sich um diesen Punkt herum und von diesem weg drehen, bis er in die kreisförmige äußere periphere Schweißstrecke übergeht, oder er kann mit der kreisförmigen äußeren peripheren Schweißstrecke starten und sich um den feststehenden Innenpunkt der Spirale herum und zu diesem hin drehen, bis er das Verfolgen der spiralförmigen inneren Schweißstrecke beendet.
Die Eindringtiefe des teilweise eindringenden Schlüssellochs kann entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken und entlang der umgebenden äußeren peripheren Schweißstrecke unterschiedlich sein. Im Speziellen dringt das Schlüsselloch (und damit das dieses umgebende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze) tief genug in den Werkstückstapel in Richtung auf die untere Oberfläche ein, um jede der Stoßschnittstellen zu schneiden, die innerhalb des Stapels zwischen der oberen und unteren Oberfläche gebildet sind, wenn es entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken befördert wird. Dieses Eindringniveau des Schlüssellochs erzeugt wieder erstarrtes Aluminiumverbundwerkstückmaterial, das sich über jede der Stoßschnittstellen hinweg erstreckt, um der Schweißfügestelle ihre Fähigkeit zum Verbinden der sich überlappenden Werkstücke aus Aluminium miteinander durch Schmelzschweißen zu verleihen. Hinsichtlich der äußeren peripheren Schweißstrecke kann das Schlüsselloch jede der Stoßschnittstellen schneiden, die innerhalb des Stapels zwischen der oberen und unteren Oberfläche ausgebildet sind, muss dies nicht aber unbedingt. Falls gewünscht, kann ein seichteres Schlüsselloch entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke verschoben werden, um einen sanfteren Übergang zwischen der Schweißfügestelle und dem umgebenden Abschnitt der oberen Oberfläche des Werkstückstapels außerhalb der Schweißfügestelle zu erzeugen. Ein sanfterer Übergang kann dazu beitragen, die Ausbildung von Belastungspunkten um den Rand der Schweißfügestelle herum an der oberen Oberfläche des Stapels zu vermeiden.
Es wird vermutet, dass das Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Punktschweißbewegungsmusters die resultierende Schweißfügestelle mit einer befriedigenden Festigkeit versieht. Im Speziellen wird vermutet, ohne an eine Theorie gebunden zu sein, dass das Voranbewegen des Laserstrahls entlang der nicht linearen inneren Schweißstrecken und der äußeren peripheren Schweißstrecke in einem lokal umgrenzten Gebiet eine größere Störung (z.B. Aufbrechen und Durchbrechen, Verdampfen oder anderes) der Antikorrosions-Schutzbeschichtung im Vergleich mit herkömmlichen Laserschweißpraktiken fördert. Dies wiederum trägt dazu bei, die Häufigkeit von Gasbläschenporosität und anderen Schweißdefekten innerhalb der Schweißfügestelle zu minimieren, welche dazu tendieren, die Festigkeit, speziell die Abschälfestigkeit der Schweißfügestelle zu vermindern.
Zusätzlich zum Voranbewegen entlang des Punktschweißbewegungsmusters kann die Festigkeit der Schweißfügestelle in einigen Fällen auf eine von zwei Weisen verbessert werden: (1) Voranbewegen des Laserstrahls zunächst entlang der peripheren äußeren Schweißstrecke und dann in eine Richtung von der äußersten nicht linearen inneren Schweißstrecke oder einem Schweißstreckenabschnitt zu der innersten nicht linearen inneren Schweißstrecke oder einem Schweißstreckenabschnitt, wenn die inneren Schweißstrecken so angeordnet sind, dass ein derartiges Voranbewegen des Laserstrahls möglich ist (z.B. konzentrische Kreise oder eine Spirale); oder (2) erneutes Schmelzen und erneutes Erstarren lassen eines peripheren Abschnitts der Schweißfügestelle mit dem Laserstrahl, nachdem der Laserstrahl entlang des Punktschweißbewegungsmusters voranbewegt wurde. Diese beiden Praktiken können selbstverständlich in Kombination miteinander implementiert werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne zum Erzeugen einer Punktschweißfügestelle innerhalb eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält;
2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt (entlang einer Linie 2-2) des in 1 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Aluminiumschmelze und einem Schlüsselloch, die durch einen Laserstrahl ausgebildet werden, der auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels auftrifft;
3 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des Werkstückstapels von der gleichen Perspektive aus, wie sie in 2 gezeigt ist, obwohl der Werkstückstapel hier drei Werkstücke aus Aluminium enthält, die zwei Stoßschnittstellen bilden, im Gegensatz zu den zwei Werkstücken aus Aluminium, die eine einzige Stoßschnittstelle bilden, wie in 2 dargestellt ist;
4 stellt eine Ausführungsform des Punktschweißbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert ist, dem ein Laserstrahl folgen kann, und dem folglich ein Schlüsselloch und ein umgebendes Schmelzbad aus Aluminiumschmelze folgt, während der Ausbildung einer Punktschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium, die in dem Werkstückstapel enthalten sind;
4A bis 4D stellen eine Vielfalt von beispielhaften Punktschweißbewegungsmustern dar, die auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert sind, welche ähnlich zu dem Punktschweißbewegungsmuster sind, das in 4 gezeigt ist;
5 stellt eine andere Ausführungsform des Punktschweißbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert ist, dem ein Laserstrahl folgen kann, und dem folglich ein Schlüsselloch und ein umgebendes Schmelzbad aus Aluminiumschmelze folgt, während der Ausbildung einer Punktschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium, die in dem Werkstückstapel enthalten sind;
5A bis 5F stellen eine Vielfalt von beispielhaften Punktschweißbewegungsmustern dar, die auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert sind, die dem Punktschweißbewegungsmuster ähneln, das in 5 gezeigt ist;
6 stellt noch eine weitere Ausführungsform des Punktschweißbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert ist, dem ein Laserstrahl folgen kann, und dem folglich ein Schlüsselloch und ein umgebendes Schmelzbad aus Aluminiumschmelze folgt, während der Ausbildung einer Punktschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken als Aluminium, die in dem Werkstückstapel enthalten sind;
7 stellt noch eine weitere Ausführungsform des Punktschweißbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert ist, dem ein Laserstrahl folgen kann, und dem folglich ein Schlüsselloch und ein umgebendes Schmelzbad aus Aluminiumschmelze folgt, während der Ausbildung einer Punktschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken als Aluminium, die in dem Werkstückstapel enthalten sind;
8 ist eine Draufsicht auf eine Laserpunktschweißfügestelle, die durch Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Punktschweißbewegungsmusters erzeugt wurde, und die ferner einen peripheren Abschnitt der Schweißfügestelle darstellt, der in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erneut geschmolzen wurde und wieder erstarrt ist.

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 Ebene einer oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Punktschweißbewegungsmusters. Das offenbarte Punktschweißbewegungsmuster enthält eine oder mehrere nicht lineare innere Schweißstrecken, die von einer peripheren äußeren Schweißstrecke umgeben sind. Ein beliebiger Typ von Laserschweißvorrichtung einschließlich von herkömmlichen Laserschweißvorrichtungen und Vorrichtungen zum Laserschweißen aus der Ferne kann verwendet werden, um den Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voran zu bewegen. Der Laserstrahl kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Werkstücke aus Aluminium, die zusammengefügt werden, und von der Vorrichtung zum Laserschweißen, die genutzt wird, ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl sein. Einige beachtenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser und ein Nd:YAG-Laser, und ein bemerkenswerter Gaslaser, der genutzt werden kann, ist ein CO₂-Laser, obwohl andere Typen von Lasern selbstverständlich genutzt werden können, sofern sie in der Lage sind, das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, welche nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, lenkt eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne einen Festkörperlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels und bewegt sie entlang dieser voran.
Mit Bezug nun auf 1-3 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels 10 veranschaulicht, bei welchem der Werkstückstapel 10 mindestens ein erstes Werkstück 12 aus Aluminium und ein zweites Werkstück 14 aus Aluminium enthält, die sich an einem Schweißort 16 überlappen, an dem das Laserschweißen unter Verwendung einer Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne praktiziert wird. Das erste und zweite Werkstück 12 bzw. 14 aus Aluminium stellen eine obere Oberfläche 20 und eine untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 wird der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zur Verfügung gestellt und ist für einen Laserstrahl 24 zugänglich, der von der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne ausgeht. Und da nur ein Zugang von einer Seite benötigt wird, um das Laserschweißen aus der Ferne auszuführen, besteht keine Notwendigkeit dafür, dass die untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 für die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne auf die gleiche Weise wie die obere Oberfläche 20 zur Verfügung gestellt wird. Der Einfachheit halber wird in den Figuren zwar nur ein Schweißort 16 dargestellt, jedoch wird der Fachmann darüber hinaus feststellen, dass ein Laserschweißen in Übereinstimmung mit dem offenbarten Verfahren an mehreren verschiedenen Schweißorten praktiziert werden kann, die über den gleichen Werkstückstapel 10 hinweg verteilt sind.
Bezüglich der Anzahl der vorhandenen Werkstücke aus Aluminium kann der Werkstückstapel 10, wie in 1-2 gezeigt ist, nur das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium enthalten. In diesem Szenario enthält das erste Werkstück 12 aus Aluminium eine Außenoberfläche 26 und eine erste Stoßoberfläche 28 und das zweite Werkstück 14 aus Aluminium enthält eine Außenoberfläche 30 und eine zweite Stoßoberfläche 32. Die Außenoberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium stellt die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bereit, und die Außenoberfläche 30 des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium stellt die entgegengesetzt ausgerichtete untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Da umgekehrt die beiden Werkstücke 12, 14 aus Aluminium die einzigen beiden in dem Werkstückstapel 10 vorhandenen Werkstücke sind, überlappen sich die erste und zweite Stoßoberfläche 28, 32 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium und liegen einander gegenüber, um eine Stoßschnittstelle 34 zu bilden, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstreckt. In anderen Ausführungsformen, von denen eine nachstehend in Verbindung mit 3 beschrieben wird, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium enthalten, sodass der Werkstückstapel 10 drei Werkstücke aus Aluminium anstelle von nur zwei enthält, wie in 1-2 gezeigt ist.
Der Begriff „Stoßschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung weit gefasst verwendet und er soll einen weiten Bereich von sich überlappenden Beziehungen zwischen den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Stoßoberflächen 28, 32 umfassen, die die Praxis des Laserschweißen bewältigen kann. Zum Beispiel können die Stoßoberflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 bilden, indem sie in direktem oder indirektem Kontakt stehen. Die Stoßoberflächen 28, 32 stehen in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinander angrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischen liegende Materialschicht oder durch Lücken getrennt sind, die aus normalen Baugruppentoleranzbereichen herausfallen. Die Stoßoberflächen 28, 32 stehen in indirektem Kontakt, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind - und folglich den Typ der extensiven Schnittstellenangrenzung nicht erfahren, der den direkten Kontakt typisiert - jedoch in ausreichender Nähe sind, dass das Laserschweißen praktiziert werden kann. Als weiteres Beispiel können die Stoßoberflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 bilden, indem sie durch Lücken getrennt werden, die absichtlich eingeführt sind. Diese Lücken können zwischen den Stoßoberflächen 28, 32 eingeführt werden, indem an einer oder beiden Stoßoberflächen 28, 32 vorspringende Merkmale durch Ritzenbildung mit Laser, durch mechanische Dellenbildung oder auf andere Weise erzeugt werden. Die vorspringenden Merkmale halten unregelmäßige Kontaktpunkte zwischen den Stoßoberflächen 28, 32 aufrecht, welche die Stoßoberflächen 28, 32 außerhalb der und um die Kontaktpunkte herum bis hin zu 1,0 mm und vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm voneinander beabstandet halten.
Wie in 2 am besten gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Aluminium ein erstes Aluminiumbasissubstrat 36 und das zweite Werkstück 14 aus Aluminium enthält ein zweites Aluminiumbasissubstrat 38. Jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 kann separat aus elementarem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85 % Gewichtsanteil Aluminium enthält. Einige beachtenswerte Aluminiumlegierungen, welche das erste und/oder das zweite Aluminiumbasissubstrat 36, 38 bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Zudem kann jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 separat in gezogener oder gegossener Form bereitgestellt sein. Beispielsweise kann jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 aus einer gezogenen Aluminiumlegierungs-Blechschicht einer 4xxx-, 5xxx-, 6xxx-, oder 7xxx-Serie, einem Extrusionsartikel, einem geschmiedeten Artikel oder einem anderen bearbeiteten Artikel bestehen. Oder als weiteres Beispiel kann jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 aus einem Aluminiumlegierungsguss einer 4xx.x-, 5xx.x- oder 7xx.x-Serie bestehen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, die als das erste und/oder zweite Aluminiumbasissubstrat 36, 38 verwendet werden können, umfassen ohne Einschränkung eine AA5754-Aluminium-Magnesium-Legierung, eine AA6022-Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine AA7003-Aluminium-Zink-Legierung und eine Al-10Si-Mg-Aluminiumdruckgusslegierung. Das erste und/oder zweite Aluminiumbasissubstrat 36, 38 kann/können in einer Vielfalt von Wärmebehandlungen verwendet werden, die Tempern (O), Kalthörten (H) und Lösungsglühen (T) umfassen, in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften der Werkstücke 12, 14.
Mindestens eines von den ersten und zweiten Werkstücken 12, 14 aus Aluminium - und vorzugsweise beide - enthält/enthalten eine Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40, die dem Aluminiumbasissubstrat 36, 38 überlagert ist. Tatsächlich ist, wie in 2 gezeigt ist, jedes der ersten und zweiten Aluminiumbasissubstrate 36, 38 mit einer Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40 beschichtet, die wiederum für die Werkstücke 12, 14 deren jeweilige Außenoberflächen 26, 30 und deren jeweilige Stoßoberflächen 28, 32 bereitstellt. Die Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40 kann eine hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die sich passiv bildet, wenn Rohaluminium von dem Aluminiumbasissubstrat 36, 38 Luft der Atmosphäre oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40 kann auch eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxid-Konversionsbeschichtung sein, die aus Oxiden aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht. Eine typische Dicke der Antikorrosions-Schutzbeschichtung 38 liegt, falls vorhanden, in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung in einem Bereich von 1 nm bis 10 µm. Unter Berücksichtigung der Dicke der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 und der Antikorrosions-Schutzbeschichtungen 40 können das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium Dicken in dem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm und spezieller in dem Bereich von 0,5 mm bis 3,0 mm aufweisen, zumindest am Schweißort 16. Die Dicken des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium können gleich oder voneinander verschieden sein.
1-2 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 34 aufweisen. Selbstverständlich kann der Werkstückstapel 10, wie in 3 gezeigt ist, ein zusätzliches drittes Werkstück 42 aus Aluminium enthalten, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Aluminium angeordnet ist. Das dritte Werkstück 42 aus Aluminium enthält, falls vorhanden, ein drittes Aluminiumbasissubstrat 44, das blank oder mit der gleichen Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40 (wie gezeigt), die vorstehend beschrieben ist, beschichtet sein kann. Wenn der Werkstückstapel 10 das erste, zweite und dritte sich überlappende Werkstück 12, 14, 42 aus Aluminium enthält, enthält in der Tat das Aluminiumbasissubstrat 36, 38, 44 von mindestens einem der Werkstücke 12, 14, 42 und vorzugsweise alle die Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40. Hinsichtlich der Eigenschaften des dritten Aluminiumbasissubstrats 44 sind die vorstehenden Beschreibungen im Hinblick auf das erste und zweite Aluminiumbasissubstrat 36, 38 gleichermaßen ebenfalls auf dieses Substrat 44 anwendbar.
Als Folge des Stapelns des ersten, zweiten und dritten Werkstücks 12, 14, 42 aus Aluminium auf sich überlappende Weise, um den Werkstückstapel 10 bereitzustellen, weist das dritte Werkstück 42 aus Aluminium zwei Stoßoberflächen 46, 48 auf. Eine der Stoßoberflächen 46 überlappt die Stoßoberfläche 28 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium und liegt dieser gegenüber, und die andere Stoßoberfläche 48 überlappt die Stoßoberfläche 32 des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium und liegt dieser gegenüber, wodurch zwei Stoßschnittstellen 50, 52 innerhalb des Werkstückstapels 10 gebildet werden, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstrecken. Diese Stoßschnittstellen 50, 52 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 34, die bereits mit Bezug auf 1-2 beschrieben ist. Folglich weisen in dieser Ausführungsform wie hier beschrieben die Außenoberflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Aluminium allgemein voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen und bilden die obere und untere Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10. Der Fachmann weiß und stellt fest, dass das Verfahren zum Laserschweißen aus der Ferne, welches die folgende Offenbarung umfasst, die auf einen Werkstückstapel gerichtet ist, der zwei Werkstücke aus Aluminium enthält, leicht angepasst und ohne eine außergewöhnliche Schwierigkeit auf einen Werkstückstapel angewendet werden kann, der drei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält.
Wieder mit Bezug auf 1-3 enthält die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne einen optischen Laserabtastkopf 54. Der optische Laserabtastkopf 54 fokussiert und lenkt den Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10, welche hier durch die äußere Oberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium bereitgestellt ist. Der optische Laserabtastkopf 54 ist vorzugsweise an einem (nicht gezeigten) Roboterarm montiert, welcher den Laserkopf 54 schnell und genau an viele verschiedene vorgewählte Schweißorte des Werkstückstapels 10 in schneller programmierter Folge befördern kann. Der Laserstrahl 24, der in Verbindung mit dem optischen Laserabtastkopf 54 verwendet wird, ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl und im Speziellen ein Faserlaserstrahl oder ein Scheibenlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet (der allgemein als der Bereich von 700 nm bis 1400 nm betrachtet wird). 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 mit einem Faserresonator verbunden ist. Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist jeder Laserstrahl, bei welchem das Verstärkungsmedium eine dünne Scheibe aus mit Ytterbium dotiertem Yttrium-Aluminium-Granatkristall ist, die mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet ist und an einem Kühlkörper montiert ist.
Der optische Laserabtastkopf 54 enthält eine Anordnung aus Spiegeln 56, die den Laserstrahl 24 relativ zu einer Ebene, die entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 orientiert ist, innerhalb einer Betriebshüllkurve 58, die den Schweißort 16 umfasst, manövrieren können. Hier ist, wie in 1 veranschaulicht ist, die Ebene der oberen Oberfläche 20, die durch die Betriebshüllkurve 58 überspannt wird, als die x-y-Ebene beschriftet, da die Position des Laserstrahls 24 in der Ebene durch die „x-“ und „y-“Koordinaten eines dreidimensionalen Koordinatensystems identifiziert wird. Zusätzlich zu der Anordnung aus Spiegeln 56 enthält der Laserkopf 54 außerdem eine Sammellinse 60 der z-Achse, welche einen Brennpunkt 62 (2-3) des Laserstrahls 24 in eine z-Richtung bewegen kann, die rechtwinklig zu der x-y-Ebene in dem dreidimensionalen Koordinatensystem orientiert ist, das in 1 geschaffen wurde. Um zu verhindern, dass Schmutz und Ablagerungen das optische System und die Integrität des Laserstrahls 24 nachteilig beeinflussen, kann außerdem eine Abdeckscheibe 64 unter dem optischen Laserabtastkopf 54 angeordnet sein. Die Abdeckscheibe 64 schützt die Anordnung aus Spiegeln 56 und die Sammellinse 60 der z-Achse vor der umgebenden Umwelt, ermöglicht aber, dass der Laserstrahl 24 ohne wesentliche Störung aus dem Laserkopf 54 austreten kann.
Die Anordnung aus Spiegeln 56 und die Sammellinse 60 der z-Achse arbeiten während des Laserschweißens aus der Ferne zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 24 innerhalb der Betriebshüllkurve 58 am Schweißort 16 sowie die Position des Brennpunkts 62 entlang der z-Achse vorzugeben. Die Anordnung aus Spiegeln 58 enthält spezieller ein Paar kippbare Abtastspiegel 66. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 66 ist an einem Galvanometer 68 montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 66 können den Ort, an welchem der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft, an irgendeine Stelle in der x-y-Ebene der Betriebshüllkurve 58 durch präzise koordinierte Kippbewegungen bewegen, die von den Galvanometern 68 ausgeführt werden. Gleichzeitig steuert die Sammellinse 60 der z-Achse den Ort des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24, um dazu beizutragen, den Laserstrahl 24 mit der korrekten Leistungsdichte zu verwalten. Alle diese optischen Komponenten 60, 66 können innerhalb von Millisekunden oder weniger schnell indiziert werden, um den Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang eines Punktschweißbewegungsmusters voran zu bewegen, das eine oder mehrere nicht lineare innere Schweißstrecken und eine umgebende periphere äußere Schweißstrecke enthält. Beispiele für derartige Punktschweißbewegungsmuster sind nachstehend in größerem Detail beschrieben.
Eine Eigenschaft, die Laserschweißen aus der Ferne (manchmal auch als „Schweißen on the fly“ bezeichnet) von anderen herkömmlichen Formen von Laserschweißen unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls 24. Hier weist, wie in 1 am besten gezeigt ist, der Laserstrahl 24 eine Brennweite 70 auf, welche als die Distanz zwischen dem Brennpunkt 62 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 66 gemessen wird, der den Laserstrahl 24 unterbricht und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft (auch die Außenoberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium). Die Brennweite 70 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 Meter bis 1,5 Meter, wobei ein Durchmesser des Brennpunkts 62 typischerweise irgendwo in einem Bereich von 350 µm bis 700 µm liegt. Der optische Laserabtastkopf 54, der in 1 allgemein gezeigt und vorstehend beschrieben ist, sowie andere, die ein wenig anders konstruiert sein können, sind aus einer Vielzahl von Quellen kommerziell verfügbar. Einige erwähnenswerte Lieferanten von optischen Laserabtastköpfen und Lasern zur Verwendung mit der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne umfassen HIGHYAG (Kleinmachnow, Deutschland) und TRUMPF Inc. (Farmington, Connecticut, USA).
In dem gegenwärtig offenbarten Verfahren wird, wie allgemein in den Figuren veranschaulicht ist, eine Laserpunktschweißfügestelle 72 (1 und 8) zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Aluminium (oder zwischen dem ersten, zweiten und dritten Werkstück 12, 14, 42 aus Aluminium, wie in 3 gezeigt ist) ausgebildet, indem der Laserstrahl 24 entlang eines speziellen Punktschweißbewegungsmusters 74 (4-7) relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt wird. Wie in 2-3 am besten gezeigt ist, wird der Laserstrahl 24 zu Beginn auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb des Schweißorts 16 gelenkt und trifft darauf auf. Die Hitze, die aus Absorption der fokussierten Energie des Laserstrahls 24 erzeugt wird, leitet das Schmelzen des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium (und des dritten Werkstücks 42 aus Aluminium, falls vorhanden) ein, um ein Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 aus in diesen zu der unteren Oberfläche 22 hin eindringt. Der Laserstrahl 24 weist außerdem eine Leistungsdichte auf, die ausreicht, um den Werkstückstapel 10 direkt unter der Stelle zu verdampfen, an der er auf die obere Oberfläche 20 des Stapels 10 auftrifft. Diese Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 78, welches eine Säule aus verdampftem Aluminium ist, die gewöhnlich Plasma enthält. Das Schlüsselloch 78 wird innerhalb des Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze nach innen kollabiert.
Wie das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze dringt auch das Schlüsselloch 78 in den Werkstückstapel 10 von der oberen Oberfläche 20 aus zu der unteren Oberfläche 22 hin ein. Das Schlüsselloch 78 stellt eine Röhre für den Laserstrahl 24 bereit, um Energie nach unten in den Werkstückstapel 10 hinein zu liefern, wodurch ein relativ tiefes und schmales Eindringen des Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze in den Werkstückstapel 10 hinein und eine relativ kleine umgebende durch Hitze beeinträchtigte Zone ermöglicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform dringen das Schlüsselloch 78 und das umgebende Schmelzbad 76 als Aluminiumschmelze teilweise in den Werkstückstapel 10 ein. Mit anderen Worten erstrecken sich das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze von der oberen Oberfläche 20 aus in den Stapel 10 hinein, aber sie erstrecken sich nicht vollständig bis zu der unteren Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 und durchbrechen diese nicht. Das Leistungsniveau, die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 können während des Laserschweißprozesses gesteuert werden, sodass das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze in den Werkstückstapel 10 bis zu der geeigneten partiellen Eindringtiefe eindringen, welche variiert werden kann, wenn der Laserstrahl 24 entlang bestimmter Abschnitte des Punktschweißbewegungsmusters 74 voranbewegt wird, wie nachstehend weiter erläutert wird.
Nachdem das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze und das Schlüsselloch 78 erzeugt und stabil sind, wird der Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 voranbewegt. Die geometrische Konfiguration des Punktschweißbewegungsmusters 74, dem der Laserstrahl 24 folgt, ermöglicht, dass die Schweißfügestelle 72 das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium (und das zusätzliche dazwischen liegende Werkstück 42 aus Aluminium, falls vorhanden) am Schweißort 16 erfolgreich miteinander vereinigt, trotz der Tatsache, dass mindestens eines der Werkstücke 12, 14 (und optional 42) eine Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40 enthält, die tendenziell eine Quelle von Schweißdefekten ist. Das Punktschweißbewegungsmuster 74 kann eine Vielfalt unterschiedlicher Konfigurationen annehmen. Im Allgemeinen jedoch enthält das Punktschweißbewegungsmuster 74 unter Verwendung von 4 und 5 als repräsentative Beispiele eine oder mehrere nicht lineare innere Schweißstrecken 80 und eine äußere periphere Schweißstrecke 82, welche die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 umgibt. Wie vorstehend erwähnt wurde, folgt der Laserstrahl 24 dem Punktschweißbewegungsmuster 74 mit Bezug auf eine Ebene, die entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 am Schweißort 16 orientiert ist. Folglich sind die Veranschaulichungen, die in 4, 4A-4D, 5, 5A-5F und 6-7 präsentiert sind, Draufsichten von oben auf verschiedene beispielhafte Punktschweißbewegungsmuster, die auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 projiziert sind. Diese Ansichten stellen ein visuelles Verständnis dessen bereit, wie der Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 während des Ausbildens der Schweißfügestelle 72 voranbewegt wird.
Die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 enthalten eine einzige Schweißstrecke oder eine Vielzahl von Schweißstrecken, die eine Kurvenlinie oder Abweichung von der Linearität enthalten. Derartige Schweißstrecken können kontinuierlich gekrümmt sein oder sie können aus einer Vielzahl von geraden Liniensegmenten bestehen, die miteinander von Ende zu Ende unter einem Winkel verbunden sind (d.h. der Winkel zwischen den verbundenen Liniensegmenten ist ≠ 180°). Die äußere periphere Schweißstrecke 82 definiert allgemein eine äußere Peripherie des Punktschweißbewegungsmusters 74 und weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der bei einer Messung zwischen den zwei Punkten auf der äußeren peripheren Schweißstrecke 82, die voneinander durch die größte Distanz getrennt sind, die einen Mittelpunkt der äußeren peripheren Schweißstrecke 82 schneidet, von 4 mm bis 15 mm reicht. Zwar ist die äußere periphere Schweißstrecke 82 vorzugsweise ein geschlossener Kreis oder eine geschlossene Ellipse, jedoch muss sie nicht unbedingt eine dieser geometrischen Gestalten sein und sie muss auch nicht in jedem Fall geschlossen sein. Darüber hinaus kann die äußere periphere Schweißstrecke 82 mit der einen oder den mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 verbunden sein (4, 4A-4D und 6), oder sie kann von der einen oder den mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 beabstandet und getrennt sein (5, 5A-5F und 7).
Mit Bezug nun allgemein auf 4-7, welche Draufsichten auf mehrere Beispiele des Punktschweißbewegungsmusters 74 sind, das auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 projiziert ist, kann das Punktschweißbewegungsmuster 74 ein Muster mit geschlossener Kurvenlinie, ein spiralförmiges Muster oder ein anderes Muster sein. Ein Muster mit geschlossener Kurvenlinie kann ein beliebiges Muster sein, das eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeter und nicht verbundener kreisförmiger Schweißstrecken, elliptischer Schweißstrecken oder Schweißstrecken umfasst, die ähnliche geschlossene Kurvenlinien aufweisen, wobei eine bevorzugte Anzahl derartiger geschlossener Kurvenlinien von zwei bis zehn reicht. Ein spiralförmiges Muster kann jedes Muster sein, das eine einzige Schweißstrecke aufweist, die von einem festen inneren Punkt ausgeht und sich in radialer Richtung von dem festen inneren Punkt nach außen hin ausdehnt, wenn sich die Schweißstrecke um diesen Punkt herum dreht, wobei eine bevorzugte Anzahl von spiralförmigen Umdrehungen von zwei bis zehn reicht. Der feste innere Punkt kann sich bei oder in der Nähe des Mittelpunkts des Punktschweißbewegungsmusters 74 befinden oder er kann zu dem Mittelpunkt des Schweißmusters 74 versetzt sein. 4-7 veranschaulichen verschiedene Beispiele für diese Typen von Schweißmustern, welche ihre identifizierten nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 und die äußere periphere Schweißstrecke 82 umfassen. Variationen dieser speziell veranschaulichten Punktschweißbewegungsmuster können in dem offenbarten Verfahren zum Laserschweißen ebenfalls verwendet werden.
4-4D veranschaulichen mehreren Ausführungsformen des Punktschweißbewegungsmusters 74, die eine einzige nicht lineare innere Schweißstrecke 80 umfassen, die von der äußeren peripheren Schweißstrecke 82 umgeben und damit verbunden ist. Im Speziellen enthält jede der Schweißmusterausführungsformen eine spiralförmige innere Schweißstrecke 800 und eine kreisförmigere äußere periphere Schweißstrecke 820. Die spiralförmige innere Schweißstrecke 800 dreht sich um einen festen inneren Punkt 830 des Punktschweißbewegungsmusters 74 herum und dehnt sich von diesem ausgehend in radialer Richtung nach außen aus, bis sie in die kreisförmige äußere periphere Schweißstrecke 820 übergeht. Die spiralförmige innere Schweißstrecke 800 kann kontinuierlich gekrümmt sein, wie in 4 und 4A-4B gezeigt ist und sie kann ferner eine archimedische Spirale sein, bei welcher die Windungen der spiralförmigen inneren Schweißstrecke 800 äquidistant voneinander beabstandet sind, wie in 4 und 4A gezeigt ist. Die allgemeine Gleichung einer archimedischen Spirale in Polarkoordinaten ist r(θ) = a + b(θ), wobei „a“ und „b“ reelle Zahlen sind und „b“ den Abstand zwischen den Windungen bestimmt. Die spiralförmige innere Schweißstrecke 800 kann außerdem andere Typen von Spiralen bilden, die beispielsweise eine gleichwinklige Spirale umfassen, bei welcher die Windungen der spiralförmigen inneren Schweißstrecke fortschreitend weiter voneinander beabstandet sind. Die allgemeine Gleichung einer gleichwinkligen Spirale in Polarkoordinaten ist r(θ) = ae^b(θ), wobei „a“ und „b“ reelle Zahlen sind und „b“ bestimmt, wie eng die spiralförmige innere Schweißstrecke 800 um den festen inneren Punkt 830 herum gewickelt ist. Zusätzlich kann die spiralförmige innere Schweißstrecke 800 in anderen Ausführungsformen aus geraden Liniensegmenten bestehen, die zusammen eine Spirale bilden, wie in 4C-4D gezeigt ist, wobei die Windungen äquidistant beabstandet sind oder auch nicht.
5-5F veranschaulichen mehrere Ausführungsformen des Punktschweißbewegungsmusters 74, welches eine Vielzahl nicht linearer innerer Schweißstrecken 80 umfasst, die von der äußeren peripheren Schweißstrecke 82 getrennt sind. Jedes der Schweißmuster, die in 5-5B und 5D-5F gezeigt sind, umfasst beispielsweise eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen inneren Schweißstrecken 82 sowie eine kreisförmige äußere periphere Schweißstrecke 822. Die kreisförmigen inneren Schweißstrecken 802 sind konzentrisch um einen zentralen Punkt 840 herum angeordnet. Diese getrennten kreisförmigen Schweißstrecken 802 können in radialer Richtung gleichmäßig voneinander beabstandet sein (5-5A) oder sie können mit variierenden Distanzen voneinander beabstandet sein (5B und 5D-5F). Zusätzlich kann die kreisförmige äußere periphere Schweißstrecke 822 wie gezeigt konzentrisch um den zentralen Punkt 840 herum zusammen mit den kreisförmigen inneren Schweißstrecken 802 angeordnet sein, obwohl eine derartige Beziehung zwischen den kreisförmigen inneren Schweißstrecken 802 und der kreisförmigen äußeren peripheren Schweißstrecke 822 nicht verpflichtend ist. Selbstverständlich sind mehrere Variationen der in 5-5B und 5D-5F gezeigten Ausführungsformen möglich. Zum Beispiel kann das Punktschweißbewegungsmuster 74, wie in 5C gezeigt ist, eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeten und nicht miteinander verbundenen elliptischen inneren Schweißstrecken 804 anstelle der Vielzahl von kreisförmigen inneren Schweißstrecken 802 umfassen und es kann ferner von einer elliptischen äußeren peripheren Schweißstrecke 824 umgeben sein. Die Ausführungsformen des Punktschweißbewegungsmusters 74, die in 5-5F veranschaulicht sind, umfassen vorzugsweise zwischen zwei und zehn innere Schweißstrecken 802, 804 und enger gefasst zwischen drei und acht innere Schweißstrecken 802, 804.
In der Tat werden viele andere Ausführungsformen des Punktschweißbewegungsmusters 74 zusätzlich zu denjenigen in Betracht gezogen, die in 4-4D und 5-5F gezeigt sind. Bei einer derartigen Ausführungsform ist das in 6 veranschaulichte Punktschweißbewegungsmuster 74 ähnlich wie die Punktschweißbewegungsmuster 74, die in 4-4D veranschaulicht sind, insofern als es eine einzige nicht lineare innere Schweißstrecke 80 umfasst, die von einer äußeren peripheren Schweißstrecke 82 umgeben ist und mit dieser verbunden ist. Hier in 6 jedoch enthält die Ausführungsform des Schweißmusters eine schlangenförmige innere Schweißstrecke 806 und eine elliptische äußere periphere Schweißstrecke 826. Die schlangenförmige innere Schweißstrecke 806 erstreckt sich von einer Seite der elliptischen äußeren peripheren Schweißstrecke 826 zu der anderen und sie besteht sowohl aus gekrümmten als auch aus geraden Liniensegmenten. Als eine weitere Alternative ist das in 7 veranschaulichte Punktschweißbewegungsmuster 74 insofern ähnlich zu den Schweißmustern, die in 5-5F veranschaulicht sind, als es eine oder mehrere nicht lineare innere Schweißstrecken 80 umfasst, die von der umgebenden äußeren peripheren Schweißstrecke 82 getrennt sind. Diese Ausführungsform des Punktschweißbewegungsmusters 74 umfasst jedoch eine Vielzahl kreisförmiger innerer Schweißstrecken 806, wobei jede der kreisförmigen inneren Schweißstrecken 808 mindestens eine und vorzugsweise mindestens zwei der anderen kreisförmigen inneren Schweißstrecken 808 schneidet. In diesem speziellen Fall ist die Vielzahl der kreisförmigen inneren Schweißstrecken 808 von einer kreisförmigen äußeren peripheren Schweißstrecke 828 umgeben.
Der Laserstrahl 24 kann entlang der nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 und der äußeren peripheren Scheißstrecke 82 des Punktschweißbewegungsmusters 74 in einer beliebigen Sequenz voranbewegt werden. Der Laserstrahl 24 kann beispielsweise zuerst entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 befördert werden und dann entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke 82. In einem anderen Beispiel kann der Laserstrahl 24 zuerst entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke 82 befördert werden und dann entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80. Zudem kann der Laserstrahl 24 in Ausführungsformen, bei denen das Punktschweißbewegungsmuster 74 eine Vielzahl nicht linearer innerer Schweißstrecken 80 enthält, entlang der inneren Schweißstrecken 80 in einer beliebigen Reihenfolge befördert werden, die umfasst von einer innersten der inneren Schweißstrecken 80 zu einer äußersten der inneren Schweißstrecken 80, von einer äußersten der inneren Schweißstrecken 80 zu einer innersten der inneren Schweißstrecken 80 oder in einer anderen Reihenfolge. Des Weiteren kann der Laserstrahl 24 in anderen Ausführungsformen entlang einiger der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 befördert werden, dann entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke 82 befördert werden und schließlich entlang dem Rest der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 befördert werden, um das Punktschweißbewegungsmuster 74 abzuschließen. Wenn die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 aus einer Spirale oder konzentrischen Kreisen/Ellipsen bestehen, kann es bevorzugt sein, den Laserstrahl 24 in eine Richtung radial nach innen von der äußersten der inneren Schweißstrecken 80 zu der innersten der inneren Schweißstrecken 80 voran zubewegen, wie nachstehend in größerem Detail erörtert wird.
Während der Laserstrahl 24 gerade relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 voranbewegt wird, werden das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze folglich entlang einer entsprechenden Route relativ zu der oberen Oberfläche 20 verschoben, da sie der Bewegung des Laserstrahls 24 folgen. Auf diese Weise hinterlässt das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze momentan einen Nachlauf aus geschmolzenem Aluminiumwerkstückmaterial im Kielwasser der Bewegungsstrecke des Laserstrahls 24 und der korrespondieren Route des Schmelzbads 76. Das geschmolzene Aluminiumwerkstückmaterial kühlt sich schließlich ab und erstarrt zu einem wieder erstarrten Aluminiumverbundwerkstückmaterial 84 (2-3), das aus Aluminiummaterial von jedem der Werkstücke 12, 14 aus Aluminium (und 42, falls vorhanden) besteht, das von dem Schmelzbad 76 aus Aluminium durchdrungen wurde. Das kollektive wieder erstarrte Aluminiumverbundwerkstückmaterial 84, das aus dem Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 erhalten wird, bildet die Schweißfügestelle 72 und verbindet auf autogene Weise die Werkstücke 12, 14 (und 42, falls vorhanden) aus Aluminium durch Schmelzschweißen miteinander. Nachdem der Laserstrahl 24 das Verfolgen der Punktschweißbewegungsstrecke 74 beendet hat, wird das Übertragen des Laserstrahls 24 beendet, sodass der Laserstrahl 24 nicht mehr auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft. Zu diesem Zeitpunkt kollabiert das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze erstarrt.
Die Eindringtiefe des teilweise eindringenden Schlüssellochs 78 und des umgebenden Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze während des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 wird gesteuert, um sicherzustellen, dass die Werkstücke 12, 14 (und optional 42) aus Aluminium durch die Schweißfügestelle 72 miteinander schmelzverschweißt werden. Im Speziellen, wie in 2-3 am besten gezeigt ist, schneiden das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze jede Stoßschnittstelle 34 (oder 50, 52), die innerhalb des Werkstückstapels 10 zwischen der oberen und unteren Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10 vorhanden ist, während des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 82. Dies bedeutet, dass das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze die Dicke des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium (und die Dicke des dritten Werkstücks 42 aus Aluminium, falls vorhanden) vollständig durchqueren, jedoch die Dicke des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium nur teilweise durchqueren. Indem veranlasst wird, dass das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze weit genug in den Werkstückstapel 10 eindringen, sodass sie jede Stoßschnittstelle 34 (50, 52) schneiden, aber nicht in den gesamten Weg bis hin zu der unteren Oberfläche 22, dient das wieder erstarrte Aluminiumverbundwerkstückmaterial 84, das entlang der nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 erlangt wurde, zum autogenen Verbinden der Werkstücke 12, 14 (und optional 42) aus Aluminium miteinander durch Schmelzschweißen innerhalb der Schweißfügestelle 72.
Wenn der Laserstrahl 24 entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke 82 des Punktschweißbewegungsmusters 74 voranbewegt wird, kann die Eindringtiefe des teilweise eindringenden Schlüssellochs 78 und des umgebenden Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze die gleiche wie diejenige sein, die für die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 verwendet wurde, aber sie muss es nicht unbedingt sein. Um sicherzugehen, können das Schlüsselloch 78 und das umgebende Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze jede der Stoßschnittstellen 34 (50, 52) auf ziemlich die gleiche Weise wie die nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 schneiden und damit zur Verbindung der Werkstücke 12, 14 (und möglicherweise 42) aus Aluminium innerhalb der Schweißfügestelle 72 durch Schmelzschweißen beitragen. In einer alternativen Ausführungsform jedoch können das teilweise eindringende Schlüsselloch 78 und das umgebende Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze in einem geringeren Ausmaß in den Werkstückstapel 10 eindringen und weniger als alle Stoßschnittstellen 34 (50, 52) schneiden, einschließlich überhaupt keine. Eine seichtere Eindringtiefe kann implementiert werden, wenn der Laserstrahl 24 entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke 82 voranbewegt wird, um zu versuchen, ein wieder erstarrtes Aluminiumverbundwerkstückmaterial 84 zu erzeugen, das für einen sanfteren Übergang zwischen der Schweißfügestelle 72 und dem umgebenden Gebiet des Werkstückstapels 10 sorgt. Die Erzeugung eines sanfteren Übergangs trägt zum Vermeiden des Ausbildens eines scharfen Grats bei, der leicht belastet werden kann, sie trägt zum Verhindern eines Durchbrennens bei und sie verbessert das Erscheinungsbild der Schweißfügestelle 72.
Die Eindringtiefe des Schlüssellochs 78 und des umgebenden Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze kann durch verschiedene Laserschweißprozessparameter gesteuert werden, welche das Leistungsniveau das Laserstrahls 24, die Position des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24 relativ zu dem Werkstückstapel 10 (d.h. Brennpunktposition) entlang der z-Achse und die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 relativ zum Werkstückstapel 10 umfassen. Im Allgemeinen kann das Eindringen des Schlüssellochs 78 und des Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze erhöht werden, indem das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 erhöht wird, der Laserstrahl 24 fokussiert wird, indem der Brennpunkt 62 zu der oberen Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 hinbewegt wird (d.h. in die -Z-Richtung, die in 1 beschrieben ist), indem die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 verringert wird, oder durch eine Kombination daraus. Umgekehrt kann die Eindringtiefe des Schlüssellochs 78 und des Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze verringert werden, indem das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 verringert wird, der Laserstrahl 24 defokussiert wird, indem der Brennpunkt 62 von der unteren Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 wegbewegt wird (d.h. in die +Z-Richtung, die in 1 beschrieben ist), indem die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 erhöht wird, oder durch eine Kombination daraus. Durch diese Prozessparameter und durch die vielen Weisen, auf die sie justiert werden können, kann die Tiefe des Schlüssellochs 78 und des Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze leicht in dem Ausmaß gesteuert werden, das gewünscht ist, während der Laserstrahl 24 entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 voranbewegt wird.
Die verschiedenen Prozessparameter, die verwendet werden, um die Eindringtiefe des Schlüssellochs 78 und des umgebenden Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze vorzugeben, können in einem Schweißcontroller programmiert sein, der in der Lage zum Ausführen der Anweisungen mit Präzision ist, während der Laserstrahl 24 entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 voranbewegt wird. Der gleiche Schweißcontroller oder ein anderer Controller kann die Galvanometer 68 synchron steuern, um den Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang der Schweißstrecken 80, 82 des Punktschweißbewegungsmusters 74 in der gewünschten Sequenz voran zu bewegen. Obwohl die verschiedenen Prozessparameter des Laserstrahls 24 in Verbindung miteinander augenblicklich variiert werden können, um die Eindringtiefe des Schlüssellochs 78 und des Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze bei einem beliebigen speziellen Abschnitt des Punktschweißbewegungsmusters 74 zu erreichen, kann in vielen Fällen unabhängig von dem Profil des Punktschweißbewegungsmusters 72 das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 auf zwischen 0,2 kW und 50,0 kW gesetzt werden, oder enger gefasst zwischen 1,0 kW und 10 kW, die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 kann zwischen 1,0 Meter pro Minute und 50,0 Meter pro Minute gesetzt werden oder enger gefasst zwischen 2,0 Meter pro Minute und 15,0 Meter pro Minute, und der Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 wird vorzugsweise auf die untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 eingestellt (auch die Außenoberfläche 30 des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium).
Es wird vermutet, dass das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 eine gute und wiederholbare Festigkeit für die Schweißfügestelle 72 bewirkt, im Speziellen eine Abschälfestigkeit, indem die Wahrscheinlichkeit von Schweißdefekten minimiert wird, die auf die Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40 zurückgeführt werden können, welche auf einem oder mehreren der Werkstücke 12, 14 (und optional 42) aus Aluminium vorhanden ist. Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 konstante Veränderungen in dem Feld der Fluidgeschwindigkeit der Metallschmelze induziert, was wiederum mehr Störungen (z.B. Aufbrechen und Zusammenbrechen der hitzebeständigen Oxidbeschichtung oder Sieden und Zinkoxidausbildung einer Zinkbeschichtung usw.) der Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40 innerhalb des Schweißorts 16 im Vergleich mit herkömmlicheren Laserschweißtechniken verursacht. Indem größere Störungen der Antikorrosions-Schutzbeschichtung 40 erzwungen werden, wird es weniger wahrscheinlich, dass Gasporosität und andere geläufige Schweißfügestellendiskrepanzen die Schweißfügestelle 72 schwächen.
Die Festigkeit der Schweißfügestelle 72 kann ferner in einigen Fällen verbessert werden, indem eine oder beide der folgenden Aktionen während des Laserschweißverfahrens zusätzlich zum Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 ergriffen werden. Erstens, wenn die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 des Punktschweißbewegungsmusters 74 Schweißstrecken oder Schweißstreckenabschnitte enthalten, die in radialer Richtung voneinander beabstandet sind, wie etwa die Spiralen in 4-4D oder die konzentrischen Kreise/Ellipsen in 5-5F, dann kann das Laserstrahl 24 zuerst entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke 82 und dann entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken 80 in eine Richtung radial nach innen voranbewegt werden. Zum Beispiel mit Bezug nun auf 4 und 5 umfasst das Voranbewegen des Laserstrahls 24 in eine Richtung radial nach innen entlang der nicht linearen inneren Schweißstrecken 80, dass zuerst der äußersten inneren Schweißstrecke 802a (5) oder dem äußersten inneren Schweißstreckenabschnitt oder der Windung 800a (4) gefolgt wird. Dann setzt der Laserstrahl 24 das Bewegen radial nach innen fort, um nacheinander den inneren Schweißstrecken 802b, 802c oder den Schweißstreckenabschnitten oder Windungen 800b zu folgen, bis er schließlich der innersten inneren Schweißstrecke 802d oder dem innersten Schweißstreckenabschnitt oder der Windung 800c folgt. Das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang des Punktschweißbewegungsmusters 74 auf eine radial nach innen gerichtete Weise kann dazu beitragen, die Festigkeit der Schweißfügestelle 72 zu verbessern, indem irgendwelche Schweißdefekte, die sich entwickeln könnten, zu der Mitte der Schweißfügestelle 72 hin ausgetrieben oder wegbefördert werden, wo sie weniger anfällig dafür sind, die Festigkeit der Fügestelle nachteilig zu beeinflussen. Zweitens kann ein peripherer Abschnitt 86 der Schweißfügestelle 72 mit dem Laserstrahl 24 erneut geschmolzen werden und dann zugelassen werden, dass er wieder erstarrt, nachdem der Laserstrahl 24 das Verfolgen des Punktschweißbewegungsmusters 74 beendet hat, wie in 8 veranschaulicht ist. Der Laserstrahl 24 kann um die Schweißfügestelle 72 herum innerhalb einer ringförmigen Randregion 88 befördert werden, um wieder erstarrtes Aluminiumverbundwerkstückmaterial 84 der Schweißfügestelle 72 in dieser Region 88 erneut zu schmelzen. Die ringförmige Randregion 88 erstreckt sich von einem umlaufenden Rand 90 der Schweißfügestelle 72 radial nach innen zu einer inneren umlaufenden Grenzlinie 92, die einen Radius von 70 % eines Radius R der Schweißfügestelle 72 oder 0,7 R aufweist. Wenn der Laserstrahl 24 um die Schweißfügestelle 72 herum innerhalb der ringförmigen Randregion 88 befördert wird, um den vorgesehenen peripheren Abschnitt 86 der Fügestelle 72 erneut zu schmelzen, erzeugt der Laserstrahl 24 vorzugsweise ein (hier nicht gezeigtes) Schlüsselloch, das in das wieder erstarrte Aluminiumverbundwerkstückmaterial 84, dem es begegnet, eindringt, es aber nicht durchdringt. Der periphere Abschnitt 86 kann um mindestens 60 % des Umfangs der Schweißfügestelle 72 herum angeordnet sein und vorzugsweise irgendwo zwischen 90 % und 100 % des Umfangs der Schweißfügestelle 72. Das erneute Schmelzen und erneute Erstarren des peripheren Abschnitts 86 der Schweißfügestelle 72 kann dazu beitragen, die Festigkeit der Fügestelle 72 zu verbessern, indem beliebige Schweißdefekte entfernt oder zumindest verfeinert werden, die sich möglicherweise in der Nähe des Umfangrands 90 der Schweißfügestelle 72 entwickelt haben. Ein derartiges Ergebnis kann die Festigkeit der Schweißfügestelle 72 positiv beeinflussen, da Schweißdefekte, die sich in der Nähe des Umfangsrands 90 der Schweißfügestelle 72 befinden, schädlicher für die Festigkeit und Integrität der Fügestelle 72 sind als Schweißdefekte, die sich in der Mitte der Schweißfügestelle 72 befinden.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und spezielle Beispiele sind lediglich beispielhaft; sie sind nicht gedacht, um den Umfang der nachfolgenden Ansprüche einzuschränken. Jeder der Begriffe, die in den angefügten Ansprüchen verwendet werden, soll seine gewöhnliche und geläufige Bedeutung gegeben werden, sofern dies nicht in der Beschreibung speziell und eindeutig anderweitig angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0005]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels aus der Ferne, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: 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 eine 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 Antikorrosions-Schutzbeschichtung enthält; ein Laserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt wird, um ein Schlüsselloch und ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, welches das Schlüsselloch umgibt, wobei sowohl das Schlüsselloch als auch das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze in den Werkstückstapel von der Oberfläche des Stapels aus zu der unteren Oberfläche des Stapels hin eindringen; und eine Schweißfügestelle ausgebildet wird, indem der Laserstrahl relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und entlang eines Punktschweißbewegungsmusters voranbewegt wird, um das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze entlang einer korrespondierenden Route relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels zu verschieben, wobei das Punktschweißbewegungsmuster eine oder mehrere nicht lineare innere Schweißstrecken und eine äußere periphere Schweißstrecke, welche die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken umgibt, enthält, und wobei das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze in den Werkstückstapel tief genug eindringen, dass sie während des Voranbewegens des Laserstrahls entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken des Punktschweißbewegungsmusters jede Stoßschnittstelle innerhalb des Werkstückstapels schneiden, aber die untere Oberfläche nicht erreichen, um die Schweißfügestelle mit wieder erstarrtem Aluminiumverbundwerkstückmaterial bereitzustellen, welche die sich überlappenden Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel miteinander durch Schmelzschweißen verbindet.
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 sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Aluminium befindet, wobei das dritte Werkstück aus Aluminium entgegengesetzte Stoßoberflächen aufweist, von denen eine sich 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 Antikorrosions-Schutzbeschichtung bedeckt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Antikorrosions-Schutzbeschichtung eine hitzebeständige Oxidbeschichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls von einem optischen Laserabtastkopf mit kippbaren Abtastspiegeln ausgeführt wird, deren Bewegungen koordiniert werden, um den Laserstrahl relativ zu der Ebene 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 die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken eine spiralförmige innere Schweißstrecke umfassen, die sich um einen festen inneren Punkt herumdreht und sich von diesem aus radial nach außen ausdehnt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die spiralförmige innere Schweißstrecke eine Schweißstrecke mit einer archimedischen Spirale ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeten und nicht verbundenen kreisförmigen oder elliptischen inneren Schweißstrecken umfasst, die um einen zentralen Punkt herum konzentrisch angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die äußere periphere Schweißstrecke mit der einen oder den mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze während des Voranbewegens des Laserstrahls entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke in den Werkstückstapel tief genug eindringen, dass sie jede Stoßschnittstelle innerhalb des Stapels schneiden aber die untere Oberfläche nicht erreichen, um die Schweißfügestelle mit wieder erstarrtem Aluminiumverbundwerkstückmaterial bereitzustellen, welche die sich überlappenden Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel durch Schmelzschweißen miteinander verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken Schweißstrecken oder Schweißstreckenabschnitte enthalten, die radial voneinander beabstandet sind, und wobei das Voranbewegen des Laserstrahls relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und entlang des Punktschweißbewegungsmusters umfasst, dass (1) der Laserstrahl zunächst entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke voranbewegt wird, gefolgt von (2) dass der Laserstrahl entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken in eine radial nach innen gerichtete Richtung voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: ein peripherer Abschnitt der Schweißfügestelle mit dem Laserstrahl erneut geschmolzen wird, nachdem der Laserstrahl entlang des Punktschweißbewegungsmusters voranbewegt worden ist, wobei sich der periphere Abschnitt der Schweißfügestelle innerhalb einer ringförmigen Randregion der Schweißfügestelle befindet, die sich von einem umlaufenden Rand der Schweißfügestelle aus zu einer inneren umlaufenden Grenzlinie erstreckt, die einen Radius von 70 % eines Radius' der Schweißfügestelle aufweist, und wobei der periphere Abschnitt, der durch den Laserstrahl erneut geschmolzen wird, um mindestens 60 % eines Umfangs des Schweißfügestelle herum angeordnet ist.
Verfahren zum Laserschweißen aus der Ferne eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: 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 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 Antikorrosions-Schutzbeschichtung enthält; ein optischer Laserabtastkopf betätigt 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 um ferner ein Schlüsselloch zu erzeugen, das sich innerhalb des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze befindet, wobei der Festkörperlaserstrahl eine Brennweite zwischen 0,4 Meter und 1,5 Meter aufweist; und die Bewegungen von kippbaren Abtastspiegeln innerhalb des optischen Laserabtastkopfs koordiniert werden, um den Laserstrahl relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und entlang eines Punktschweißbewegungsmusters voran zu bewegen, um das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze entlang einer korrespondierenden Route relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels zu verschieben, wobei das Punktschweißbewegungsmuster eine oder mehrere nicht lineare innere Schweißstrecken und eine äußere periphere Schweißstrecke enthält, die die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken umgibt, und wobei, wenn der Laserstrahl entlang zumindest der nicht linearen inneren Schweißstrecken voranbewegt wird, das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze teilweise in den Werkstückstapel tief genug eindringen, dass sie jede Stoßschnittstelle innerhalb des Stapels schneiden, um wieder erstarrtes Aluminiumverbundwerkstückmaterial bereitzustellen, welches die sich überlappenden Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel als Teil einer Schweißfügestelle miteinander durch Schmelzschweißen verbindet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Werkstückstapel nur das erste und zweite Werkstück aus Aluminium enthält, oder wobei der Werkstückstapel ferner ein drittes Werkstück aus Aluminium enthält, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Aluminium angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken eine spiralförmige innere Schweißstrecke umfassen, die sich um einen festen inneren Punkt herumdreht und sich von diesem aus radial nach außen ausdehnt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken eine Vielzahl von radial beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen oder elliptischen inneren Schweißstrecken umfassen, die um einen zentralen Punkt herum konzentrisch angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die eine oder die mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken Schweißstrecken oder Schweißstreckenabschnitte enthalten, die radial voneinander beabstandet sind, und wobei das Voranbewegen des Laserstrahls relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und entlang des Punktschweißbewegungsmusters umfasst, (1) dass der Laserstrahl zuerst entlang der äußeren peripheren Schweißstrecke voranbewegt wird, gefolgt von (2) dass der Laserstrahl entlang der einen oder der mehreren nicht linearen inneren Schweißstrecken in einer radial nach innen gerichteten Richtung voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner umfasst, dass: ein peripherer Abschnitt der Schweißfügestelle mit dem Laserstrahl erneut geschmolzen wird, nachdem der Laserstrahl entlang des Punktschweißbewegungsmusters voranbewegt wurde, wobei sich der periphere Abschnitt der Schweißfügestelle innerhalb einer ringförmigen Randregion der Schweißfügestelle befindet, die sich von einem umlaufenden Rand der Schweißfügestelle aus zu einer inneren umlaufenden Grenzlinie erstreckt, die einen Radius von 70 % eines Radius der Schweißfügestelle aufweist.