DE112017006781T5

DE112017006781T5 - VERFAHREN ZUM LASERSCHWEIßEN VON LEICHTMETALLWERKSTÜCKEN, DIE EINE OBERFLÄCHENOXIDBESCHICHTUNG AUFWEISEN

Info

Publication number: DE112017006781T5
Application number: DE112017006781.2T
Authority: DE
Inventors: Wu Tao; David Yang; Yu Pan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2019-10-17
Also published as: WO2018145222A1; US20200114469A1; CN110392620A; CN110392620B

Abstract

Verfahren zum Laserverschweißen von zwei oder mehreren sich überlappenden Leichtmetallwerkstücken (12, 14 oder 12, 150, 14) miteinander, bei dem ein Laserstrahl (24) in Bezug auf die obere Fläche (20) des Werkstückstapels (10) mehrfach entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges (72) vorgeschoben wird. Die Übertragung von Wärmeleitung, die mit einer solchen Vorwärtsbewegung des Laserstrahls (24) verbunden ist, lässt ein größeres Schmelzbad (76) wachsen und sich entwickeln, das in den Werkstückstapel (10) eindringt und jede Stoßschnittstelle (34 oder 160, 162) schneidet, die innerhalb des Stapels (10) hergestellt ist. Nach dem Stoppen der Übertragung des Laserstrahls (24) oder dem anderweitigen Entfernen des Laserstrahls (24) aus dem geschlossenen Kurvenschweißweg (72) verfestigt sich das Schmelzbad (76) zu einer Laserschweißfügestelle (66), die aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial (78) besteht.

Description

Technisches Gebiet
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum Laserverschweißen von Werkstücken miteinander, die eine Oberflächenoxidbeschichtung aufweisen, wie beispielsweise Aluminiumwerkstücke und Magnesiumwerkstücke.
HINTERGRUND
Das Laserschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei dem ein Laserstrahl auf eine Anordnung von gestapelten Metallwerkstücken gerichtet wird, um eine konzentrierte Wärmequelle bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Schweißfügestelle zwischen den einzelnen Metallwerkstücken herzustellen. Im Allgemeinen werden komplementäre Flansche oder andere Verbindungsbereiche von zwei oder mehr metallischen Werkstücken zunächst so relativ zueinander ausgerichtet, montiert und gestapelt, dass sich ihre Stoßflächen überlappen und gegenüberstehen, um eine oder mehrere Stoßschnittstellen zu bilden. Ein Laserstrahl wird dann auf eine zugängliche obere Fläche des Werkstückstapels innerhalb eines Schweißbereichs gerichtet, der durch den überlappenden Abschnitt der Werkstücke überspannt wird. Die durch die Energieaufnahme aus dem Laserstrahl erzeugte Wärme leitet das Schmelzen der metallischen Werkstücke ein und bildet ein Schmelzmetallschweißbad innerhalb des Werkstückstapels. Das Schmelzmetallschweißbad dringt in den Stapel ein und schneidet mindestens eine und in der Regel alle der hergestellten Stoßschnittstellen. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch genug ist, wird unter einem Strahlpunkt des Laserstrahls innerhalb des Schmelzmetallschweißbades ein Schlüsselloch erzeugt. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, die Plasma aufweisen kann, das von den metallischen Werkstücken stammt. Das Schlüsselloch ist ein effektiver Absorber der Energie des Laserstrahls und ermöglicht so ein tiefes und schmales Eindringen von geschmolzenem Werkstückmetall in den Stapel.
Das Schmelzmetallschweißbad und, falls vorhanden, das Schlüsselloch werden in sehr kurzer Zeit erzeugt, sobald der Laserstrahl auf die obere Fläche des Werkstückstapels trifft. Nachdem die metallischen Werkstücke zunächst geschmolzen sind, kann der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels vorgeschoben werden, was üblicherweise damit verbunden ist, den Laserstrahl entlang eines Strahlwegmusters mit einem relativ einfachen oder komplexen geometrischen Profil zu bewegen, wie es auf die obere Fläche des Stapels projiziert wird. Während der Laserstrahl entlang der oberen Fläche des Stapels vorgeschoben wird, fließt geschmolzenes Werkstückmetall von dem Schweißbad um und hinter den vorrückenden Strahlpunkt innerhalb des Werkstückstapels. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmetall kühlt und erstarrt im Zuge des fortschreitenden Laserstrahls schnell zu einem wieder erstarrten metallischen Werkstückmaterial. Die Übertragung des Laserstrahls an der oberen Fläche des Werkstückstapels wird schließlich eingestellt, sobald der Laserstrahl das Nachfahren des Strahlwanderungsmusters beendet hat, wobei zu diesem Zeitpunkt das Schlüsselloch, falls vorhanden, zusammenbricht und das noch im Stapel befindliche geschmolzene Werkstückmetall erstarrt. Das durch den Betrieb des Laserstrahls erhaltene gemeinsame wiederverfestigte VerbundWerkstückmaterial bildet eine Laserschweißfügestelle, die die überlappenden metallischen Werkstücke miteinander autogen verschweißt.
Viele Industrien verwenden Laserschweißen als Teil ihrer Fertigungspraxis, darunter die Automobil-, Luftfahrt-, Schiffs-, Eisenbahn- und Bauindustrie. Laserschweißen ist ein attraktives Fügeverfahren, da es nur einen einseitigen Zugang erfordert, mit reduzierten Flanschbreiten praktiziert werden kann und innerhalb der Stapelbaugruppe zu einer relativ kleinen Wärmeeinflusszone führt, die den Wärmeverzug der metallischen Werkstücke minimiert. So können beispielsweise in der Automobilindustrie bei der Herstellung der Rohkarosserie (BIW) mit dem Laserschweißen metallische Werkstücke sowie fertige Anbauteile, die vor dem Lackieren auf dem BIW montiert werden, miteinander gefügt werden. Zu den spezifischen Anwendungsfällen des Laserschweißens gehört die Konstruktion und Befestigung von tragenden Karosseriekonstruktionen innerhalb des BIW wie Schienenkonstruktionen, Wippen, Kipphebel, A-, B- und C-Säulen sowie Unterbodenquerträger. Weitere spezifische Fälle, in denen auch das Laserschweißen eingesetzt werden kann, sind nichttragende Befestigungen innerhalb des BIW, wie z.B. die Befestigung eines Daches an einer Seitenwand, und die Verbindung von darüber liegenden Flanschen, wie sie bei der Konstruktion von Türen, Motorhaube und Kofferraum auftreten.
Die Praxis des Laserschweißens kann für bestimmte Arten von metallischen Werkstücken Herausforderungen darstellen. Wenn es sich bei den im Werkstückstapel enthaltenen Leichtmetallwerkstücken beispielsweise um Leichtmetallwerkstücke, die eine Oberflächenoxidbeschichtung aufweisen, handelt, wie es typischerweise bei Aluminiumwerkstücken und Magnesiumwerkstücken der Fall ist, besteht die Möglichkeit, dass die Schweißleistung beeinträchtigt wird. Die Oberflächenoxidbeschichtung auf Aluminium- und Magnesiumwerkstücken ist in der Regel eine native feuerfeste Oxidschicht, die sowohl thermisch und elektrisch isolierend als auch mechanisch zäh ist. Da die Oberflächenoxidbeschichtung schwer aufzubrechen ist und einen schlechten Wärmeleiter aufweist, kann sie die Wärmeübertragungsrate in das darunterliegende Aluminium oder Magnesium unterdrücken, zumindest zu Beginn des Laserschweißprozesses. Zusätzlich können die Oberflächenoxidbeschichtung und Feuchtigkeit aus der unmittelbaren Umgebung eine Wasserstoffquelle sein, wenn die Oberflächenoxidbeschichtung durch den Laserstrahl auf erhöhte Temperaturen erwärmt wird. Wasserstoff hat eine relativ hohe Löslichkeit sowohl in geschmolzenem Aluminium als auch in geschmolzenem Magnesium. Zu diesem Zweck können die lokalisierte Erzeugung von Wasserstoff in unmittelbarer Nähe zum geschmolzenen Werkstückmaterial und das Vorhandensein von Oxidbeschichtungsfragmenten selbst im geschmolzenen Werkstückmaterial zu einer Porosität innerhalb der endgültigen verfestigten Laserschweißfügestelle führen.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Laserschweißen von zwei oder mehr Leichtmetallwerkstücken kann mehrere Schritte umfassen. Zunächst wird ein Laserstrahl auf eine obere Fläche eines Werkstückstapels gerichtet, der zwei oder mehr überlappende Leichtmetallwerkstücke umfasst. Der Werkstückstapel weist insbesondere mindestens ein erstes Leichtmetallwerkstück und ein zweites Leichtmetallwerkstück auf, die sich innerhalb eines Schweißbereichs überlappen. Das erste Leichtmetallwerkstück stellt die obere Fläche des Werkstückstapels bereit und das zweite Leichtmetallwerkstück stellt eine untere Fläche des Werkstückstapels bereit, und jedes Paar benachbarter überlappender Leichtmetallwerkstücke innerhalb des Werkstückstapels bildet dazwischen eine Stoßschnittstelle. Zweitens wird ein Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels so vorgeschoben, dass der Strahlpunkt mehrfach entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges mit einer Strahlgeschwindigkeit von 8 m/min oder mehr vorgeschoben wird. Ein solcher Vorschub des Strahlpunktes des Laserstrahls lässt ein Schmelzbad anwachsen und sich entwickeln, das sich vom geschlossenen Kurvenschweißweg auf der oberen Fläche des Werkstückstapels nach innen und unten erstreckt. Das Schmelzbad dringt in den Werkstückstapel von der oberen Fläche zur unteren Fläche und schneidet jede Stoßschnittstelle, die innerhalb des Schweißbereichs des Werkstückstapels festgelegt ist. Drittens kann sich die Schmelze in einer Laserschweißfügestelle aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial verfestigen. Die Laserschweißfügestelle schweißt die beiden oder mehreren sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke innerhalb des Schweißbereichs zusammen.
In bestimmten Praktiken des offenbarten Laserschweißverfahrens kann der Werkstückstapel zwei überlappende Leichtmetallwerkstücke oder drei überlappende Leichtmetallwerkstücke aufweisen. So weist beispielsweise bei einem Stapel von zwei Werkstücken das erste Leichtmetallwerkstück eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche auf, und das zweite Leichtmetallwerkstück weist eine äußere Außenfläche und eine zweite Stoßfläche auf. Die äußere Außenfläche des ersten Leichtmetallwerkstücks bildet die obere Fläche des Werkstückstapels und die äußere Außenfläche des zweiten Leichtmetallwerkstücks bildet die untere Fläche des Werkstückstapels. Und folglich überlappen sich die ersten und zweiten Stoßflächen der ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke und liegen sich gegenüber, um eine Stoßschnittstelle zu schaffen.
Als weiteres Beispiel weist das erste Leichtmetallwerkstück bei einem Stapel von drei Werkstücken eine äußere Außenfläche und eine erste Stoßfläche auf, und das zweite Leichtmetallwerkstück weist eine äußere Außenfläche und eine zweite Stoßfläche auf. Die Außenfläche des ersten Leichtmetallwerkstücks bildet die obere Fläche des Werkstückstapels und die Außenfläche des zweiten Leichtmetallwerkstücks bildet die untere Fläche des Werkstückstapels. Zusätzlich weist der Werkstückstapel ein drittes Leichtmetallwerkstück auf, das sich zwischen dem ersten und zweiten Leichtmetallwerkstück befindet. Das dritte Leichtmetallwerkstück weist gegenüberliegende dritte und vierte Stoßflächen auf. Zu diesem Zweck überlappt die dritte Stoßfläche die erste Stoßfläche des ersten Leichtmetallwerkstücks, um eine erste Stoßschnittstelle zu bilden, und die vierte Stoßfläche überlappt die zweite Stoßfläche des zweiten Leichtmetallwerkstücks und liegt dieser gegenüber, um eine zweite Stoßschnittstelle zu schaffen.
Die vorgenannte Ausführungsform des Verfahrens zum Zusammenlasern von Leichtmetallwerkstücken kann weiter definiert werden. Sicher ist, dass jedes der beiden oder mehreren sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke ein Aluminiumwerkstück oder Magnesiumwerkstück sein kann. Darüber hinaus kann der geschlossene Kurvenschweißweg ein Kreisschweißweg sein, der einen Durchmesser von beispielsweise 4 mm bis 12 mm aufweist. Noch weiter kann der Strahlpunkt des Laserstrahls vollständig entlang des geschlossenen Kurvenschweißwegs verschoben werden - ob der geschlossene Kurvenschweißweg ein Kreisschweißweg, ein elliptischer Schweißweg oder ein anderer Schweißweg ist - überall dort, wo er viermal bis achtzigmal erfolgt. Dabei kann der Laserstrahl entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges mit einer Strahlgeschwindigkeit von 8 m/min bis 120 m/min bewegt werden. Der Laserstrahl, der auf die obere Fläche des Werkstückstapels gerichtet und entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges vorgeschoben wird, kann ein Festkörperlaserstrahl sein, dessen Bewegung von einer Remote-Laserschweißvorrichtung gesteuert und ausgeführt wird.
In einigen Fällen, in denen die vorgenannte Ausführungsform des Verfahrens zum Zusammenlasern von Leichtmetallwerkstücken praktiziert wird, insbesondere wenn der geschlossene Kurvenschweißweg eine bestimmte Größe aufweist oder größer ist, kann eine zentrale Kerbe in der Laserschweißfügestelle entstehen, die sich von einer oberen Fläche der Verbindung nach unten erstreckt. Dies kann durch den Rühreffekt, der durch wiederholtes Vorschieben des Strahlpunkts des Laserstrahls entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges und die daraus resultierende schnelle Verfestigung des Schmelzbads hervorgerufen wird, erfolgen. Um eine solche zentrale Kerbe zu verbrauchen und zu eliminieren, kann die Ausführungsform des Laserschweißverfahrens ferner und optional eine erneute Übertragung des Laserstrahls und eine Verschiebung des Strahlpunktes des Laserstrahls in Bezug auf die obere Fläche der Laserschweißfügestelle entlang eines sekundären Strahlwegmusters, das in dem geschlossenen Kurvenschweißweg enthalten ist, erfordern. Das Vorrücken des Laserstrahls entlang des Sekundärstrahlwegmusters bewirkt, dass ein Teil der Laserschweißfügestelle wieder geschmolzen wird und somit die zuvor definierte zentrale Kerbe aufgefüllt und verbraucht wird. In einer bestimmten Implementierung kann das sekundäre Strahlwegmuster ein zweiter geschlossener Kurvenschweißweg sein, und der Strahlpunkt des Laserstrahls kann mehrfach entlang des zweiten geschlossenen Kurvenschweißwegs mit einer Strahlweggeschwindigkeit von 8 m/min oder mehr bewegt werden. Der zweite geschlossene Kurvenschweißweg kann beispielsweise ein zweiter Kreisschweißweg mit einem Durchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 6,0 mm sein.
Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Laserverschweißen von zwei oder mehr Leichtmetallwerkstücken miteinander kann mehrere Schritte umfassen. Zunächst wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der zwei oder mehr Leichtmetallwerkstücke aufweist, die sich überlappen, um einen Schweißbereich zu definieren. Der Schweißbereich des Werkstückstapels weist eine obere und eine untere Fläche auf und bildet weiterhin eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Leichtmetallwerkstücke, die im Werkstückstapel enthalten sind. Alle zwei oder mehr Leichtmetallwerkstücke im Werkstückstapel sind entweder Aluminium- oder Magnesiumwerkstücke. Zweitens wird ein Laserstrahl auf die obere Fläche des Werkstückstapels gerichtet, um ein Schlüsselloch und ein Schmelzmetallschweißbad zu erzeugen, das das Schlüsselloch umgibt. Jedes des Schlüssellochs und des umgebenden Schmelzmetallschweißbads dringt von der oberen Fläche zur unteren Fläche des Stapels in den Werkstückstapel ein. Drittens wird ein Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels so vorgeschoben, dass der Strahlpunkt mehrfach entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges bei einer Strahlweggeschwindigkeit von 8 m/min oder mehr vorgeschoben wird, um ein Schmelzbad zum Wachsen und Entwickeln zu bringen, die sich vom geschlossenen Kurvenschweißweg nach innen und unten erstreckt. Das Schmelzbad dringt von der oberen Fläche zur unteren Fläche in den Werkstückstapel ein und schneidet jede Stoßschnittstelle, die innerhalb des Schweißbereichs des Stapels festgelegt ist. Viertens wird die Übertragung des Laserstrahls gestoppt, damit sich das Schmelzbad zu einer Laserschweißfügestelle aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial verfestigt. Die Laserschweißfügestelle schweißt die beiden oder mehreren sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke innerhalb des Schweißbereichs zusammen und definiert weiterhin eine zentrale Kerbe, die sich von einer oberen Fläche der Fügestelle nach unten in die Schweißfügestelle erstreckt. Fünftens wird der Laserstrahl erneut übertragen und sein Strahlpunkt in Bezug auf die obere Fläche der Laserschweißfügestelle entlang eines sekundären Strahlwandermusters, das in dem geschlossenen Kurvenschweißweg enthalten ist, verschoben. Der Vorschub des Laserstrahls entlang des Sekundärstrahlwegmusters schmilzt einen Teil der Laserschweißfügestelle und verbraucht die zentrale Kerbe.
Die vorgenannte Ausführungsform des Verfahrens zum Zusammenlasern von Leichtmetallwerkstücken kann weiter definiert werden. So kann beispielsweise Der Werkstückstapel zwei oder drei sich überlappende Leichtmetallwerkstücke aufweisen. Zusätzlich kann der geschlossene Kurvenschweißweg ein Kreis-schweißweg mit einem Durchmesser von 4 mm bis 12 mm sein. Wenn dies der Fall ist, kann die vorgenannte Ausführungsform des Verfahrens zum Zusammenlasern von Leichtmetallwerkstücken einen zweiten Kreisschweißweg als Muster für den Sekundärstrahlweg verwenden. Der zweite Kreisschweißweg kann einen Durchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 6 mm aufweisen und der Laserstrahl kann mehrfach entlang des zweiten Kreisweges vorgeschoben werden, um einen Teil der Laserschweißfügestelle zu schmelzen und die zentrale Kerbe zu verbrauchen.
Noch eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Laserverschweißen von zwei oder drei Leichtmetallwerkstücken miteinander kann mehrere Schritte umfassen. Zunächst wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der zwei oder drei Leichtmetallwerkstücke aufweist, die sich überlappen, um einen Schweißbereich zu definieren. Der Schweißbereich des Werkstückstapels weist eine obere und eine untere Fläche auf und bildet weiterhin eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Leichtmetallwerkstücke, die im Werkstückstapel enthalten sind. Alle der zwei oder mehreren Leichtmetallwerkstücke im Werkstückstapel sind entweder Aluminium- oder Magnesiumwerkstücke. Zweitens wird eine Laserschweißfügestelle gebildet, die die zwei oder drei sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke miteinander verschweißt. Die Bildung der Laserschweißfügestelle umfasst das Betreiben eines optischen Abtastlaserkopfes einer Remote-Laserschweißvorrichtung, um einen Laserstrahl auf die obere Fläche des Werkstückstapels zu richten und zusätzlich einen Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels so vorzuschieben, dass der Strahlpunkt mehrfach entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges bei einer Strahlweggeschwindigkeit von 8 m/min bis 120 m/min vorgeschoben wird. Ein solcher Vorschub des Strahlpunktes des Laserstrahls bewirkt ein Wachsen und Entwickeln eines Schmelzbads, das sich vom geschlossenen Kurvenschweißweg auf der oberen Fläche des Werkstückstapels nach innen und unten erstreckt.
Die vorgenannte Ausführungsform des Verfahrens zum Zusammenlasern von Leichtmetallwerkstücken kann weiter definiert werden. Tatsächlich kann der geschlossene Kurvenschweißweg ein Kreisschweißweg mit einem Durchmesser im Bereich von 4 mm bis 12 mm sein, und der Strahlpunkt des Laserstrahls kann vollständig entlang des Kreisschweißwegs im Bereich von viermal bis achtzigmal vorgeschoben werden. Darüber hinaus kann in einigen Implementierungen der Strahlpunkt des Laserstrahls auch relativ zur oberen Fläche der Laserschweißfügestelle entlang eines sekundären Strahlwegmusters, das innerhalb des geschlossenen Kurvenschweißweges enthalten ist, vorgeschoben werden, um einen Teil der Laserschweißfügestelle zu schmelzen und eine innerhalb der Schweißfügestelle definierte zentrale Kerbe zu verbrauchen und zu beseitigen. Das Sekundärstrahlbewegungsmuster kann aus einem oder mehreren Schweißbahnen bestehen, die eine Fläche definieren, die 50% oder weniger als eine Fläche ist, die durch den geschlossenen Kurvenschweißweg auf der oberen Fläche des Werkstückstapels definiert ist.
Figurenliste

1 ist eine allgemeine Darstellung eines Werkstückstapels, der zwei sich überlappende Leichtmetallwerkstücke sowie eine Remote-Laserschweißvorrichtung aufweist, die das offenbarte Laserschweißverfahren durchführen kann;
1A ist eine vergrößerte Ansicht des in 1 dargestellten Laserstrahls, die einen Fokuspunkt und eine Längsachse des Laserstrahls zeigt;
2 ist eine Draufsicht auf eine obere Fläche des Werkstückstapels und einen in 1 dargestellten Laserstrahl sowie mehrere geschlossene Kurvenschweißwege, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf die obere Fläche des Werkstückstapels projiziert werden, und wobei der Laserstrahl während der Bildung einer Laserschweißfügestelle, die die überlappenden Leichtmetallwerkstücke innerhalb des Werkstückstapels zusammenschweißt, wiederholt entlang mindestens des größten und äußersten geschlossenen Kurvenschweißweges vorgeschoben wird;
3 ist eine Querschnittsansicht des in 2 dargestellten Werkstückstapels entlang der Schnittlinien 3-3, die ein Schmelzmetallschweißbad und ein Schlüsselloch zeigt, die durch den Laserstrahl erzeugt werden, und wobei das Schmelzmetallschweißbad und das Schlüsselloch von der oberen Fläche zu einer unteren Fläche in den Werkstückstapel eindringen;
4 ist eine Draufsicht auf die obere Fläche der Werkstückstapelschmelze, die ein größeres Schmelzbad darstellt, das nach innen und unten aus dem geschlossenen Kurvenschweißweg als Ergebnis der Wärmeleitung gebildet wird, die mit dem mehrfachen Vorrücken des Laserstrahls entlang des geschlossenen Kurvenschweißwegs verbunden ist;
5 ist eine Querschnittsansicht des in 4 dargestellten Werkstückstapels entlang der Linien 5-5, die das Schmelzbad zeigt, wobei das Schmelzbad von der oberen Fläche zur unteren Fläche in den Werkstückstapel eindringt;
6 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und einer Laserschweißfügestelle, die durch wiederholtes Vorschieben des Laserstrahls entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges gebildet wurde, der im Wesentlichen dem Umfang der zu bildenden Laserschweißfügestelle entspricht, wie in den 2-5 dargestellt ist, und wobei die Laserschweißfügestelle die beiden sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke zusammenschweißt;
7 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und einer Laserschweißfügestelle, die durch wiederholtes Vorschieben des Laserstrahls entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges gebildet wurde, der im Wesentlichen dem Umfang der zu bildenden Laserschweißfügestelle entspricht, wie in den 2-5 dargestellt ist, und wobei die Laserschweißfügestelle die beiden überlappenden Leichtmetallwerkstücke miteinander verschweißt und ferner eine zentrale Kerbe aufweist, die sich von einer oberen Fläche der Laserschweißfügestelle nach unten erstreckt;
8 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels aus der gleichen Perspektive wie 3, die ein Schmelzmetallschweißbad und ein Schlüsselloch zeigt, die durch den Laserstrahl erzeugt werden, und wobei das Schmelzmetallschweißbad und das Schlüsselloch von der oberen Fläche in Richtung einer unteren Fläche in den Werkstückstapel eindringen, obwohl hier der Werkstückstapel drei überlappende Leichtmetallwerkstücke anstelle von zwei, wie in 3 dargestellt, aufweist; und
9 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und einer Laserschweißfügestelle, die durch wiederholtes Vorschieben des Laserstrahls entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges, wie in den 2 und 8 dargestellt, gebildet wurde, und wobei die Laserschweißfügestelle die drei überlappenden Leichtmetallwerkstücke miteinander verschweißt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das offenbarte Verfahren zum Laserschweißen von zwei oder mehr gestapelten Leichtmetallwerkstücken besteht darin, einen Laserstrahl - und insbesondere den Strahlpunkt des Laserstrahls - mehrmals entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges relativ zu einer oberen Fläche des Werkstückstapels zu verschieben, bis ein Schmelzbad mit zufriedenstellender Eindringung entwickelt ist, das sich später zu einer Laserschweißfügestelle verfestigt. Der geschlossenen Kurvenschweißweg, der durch den Laserstrahl verfolgt wird, kann ein kreisförmiger Schweißweg, der einen konstanten Durchmesser über seinen Umfang hat, oder ein elliptischer Schweißweg sein, der einen großen Durchmesser, der sich zwischen den beiden äußersten Punkten seines Umfangs erstreckt, und einen kleinen Durchmesser hat, der sich zwischen den beiden engsten Punkten seines Umfangs erstreckt. Die durch den geschlossenen Kurvenschweißweg definierte Fläche entspricht im Wesentlichen der Fläche der resultierenden Laserschweißfügestelle. Der Laserstrahl kann auf dem geschlossenen Kurvenweg mehrfach mit einer relativ hohen Verfahrgeschwindigkeit von mindestens 8 m/min und insbesondere zwischen 8 m/min und 120 m/min vorgeschoben werden. Durch dieses Laserschweißverfahren kann eine effizientere Wärmeübertragungsrate zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstückstapel realisiert werden, und die resultierende Laserschweißfügestelle weist eher eine minimale, wenn überhaupt, Porosität auf.
Das wiederholte Abtasten des geschlossenen Kurvenschweißweges, wie es zur Bildung der Laserschweißfügestelle erforderlich ist, kann von einer Remote-Laserschweißvorrichtung oder einer herkömmlichen Laserschweißvorrichtung, wie beispielsweise einer Vorrichtung, bei der ein fester Laserkopf von einer Hochgeschwindigkeits-CNC-Maschine getragen wird, durchgeführt werden. Der Laserstrahl, der zur Bildung der Laserschweißfügestelle verwendet wird, kann ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl sein, abhängig von den Eigenschaften der zu verbindenden Leichtmetallwerkstücke und dem gewünschten Laserschweißmodus (Leitung, Schlüsselloch, etc.). Einige bemerkenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein Direktdiodenlaser und ein Nd" YAG-Laser und ein bemerkenswerter Gaslaser, der verwendet werden kann, ist ein CO₂-Laser, obwohl sicherlich auch andere Lasertypen verwendet werden können. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, die im Folgenden näher beschrieben wird, wird zur Durchführung des offenbarten Laserschweißverfahrens eine Remote-Laserschweißvorrichtung verwendet, die einen abtastenden optischen Laserkopf mit kippbaren Spiegeln und eine z-Achsen-Fokuslinse aufweist, obwohl andere Arten von Laserschweißvorrichtungen, die vergleichbare Funktionalitäten wie eine Remote-Laserschweißvorrichtung aufweisen, durchaus verwendet werden können.
Das offenbarte Verfahren zum Laserverschweißen von zwei oder mehr metallischen Werkstücken miteinander kann an einer Vielzahl von Werkstückstapelkonfigurationen durchgeführt werden. So kann beispielsweise das offenbarte Verfahren in Verbindung mit einem „2T“ -Werkstückstapel (1, 3 und 5 bis 7) verwendet werden, der zwei überlappende Leichtmetallwerkstücke aufweist, oder es kann in Verbindung mit einem „3T“-Werkstückstapel (8 bis 9) verwendet werden, der drei überlappende Leichtmetallwerkstücke aufweist. Darüber hinaus kann das offenbarte Verfahren in einigen Fällen in Verbindung mit einem „4T“ - Werkstückstapel (nicht dargestellt) verwendet werden, der vier überlappende Leichtmetallwerkstücke aufweist. Die zwei oder mehr Leichtmetallwerkstücke, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, können alle Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke sein, und sie müssen nicht unbedingt die gleiche Zusammensetzung (innerhalb derselben Basismetallklasse) oder Dicke wie die anderen im Stapel aufweisen. Das offenbarte Verfahren wird im Wesentlichen auf die gleiche Weise durchgeführt, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, unabhängig davon, ob der Werkstückstapel zwei überlappende Leichtmetallwerkstücke oder mehr als zwei überlappende Leichtmetallwerkstücke aufweist. Unterschiede in den Werkstückstapelkonfigurationen können durch die Anpassung der Eigenschaften der eingesetzten Laserstrahlen leicht ausgeglichen werden.
Unter nunmehr allgemeiner Bezugnahme auf 1 ist ein Werkstückstapel 10 dargestellt, in dem der Stapel 10 mindestens ein erstes Leichtmetallwerkstück 12 und ein zweites Leichtmetallwerkstück 14 aufweist, die sich zur Definition eines Schweißbereichs 16 überlappen. Eine Remote-Laserschweißvorrichtung 18, die das offenbarte Werkstückfügeverfahren durchführen kann, ist ebenfalls dargestellt. Innerhalb der Grenzen des Schweißbereichs 16 bilden die ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke 12, 14 eine obere Fläche 20 und eine untere Fläche 22 des Werkstückstapels 10. Die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 wird der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 zur Verfügung gestellt und ist durch einen Laserstrahl 24 zugänglich, der von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 ausgeht. Und da für das Laserschweißen nur einseitiger Zugang erforderlich ist, entfällt die Notwendigkeit, die untere Fläche 22 des Werkstückstapels 10 in gleicher Weise zugänglich zu machen. Die hierin verwendeten Begriffe „obere Fläche“ und „untere Fläche“ sind relative Bezeichnungen, die die Fläche des Stapels 10 (obere Fläche), die näher an der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 liegt und zu dieser weist, und die Fläche des Stapels 10 (untere Fläche) identifizieren, die in die entgegengesetzte Richtung weist.
Der Werkstückstapel 10 kann nur die ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke 12, 14 aufweisen, wie in den 1, 3 und 5 bis 7 dargestellt. Unter diesen Umständen und wie in 3 am besten dargestellt, weist das erste Leichtmetallwerkstück 12 eine äußere Außenfläche 26 und eine erste Stoßfläche 28 auf, und das zweite Leichtmetallwerkstück 14 weist eine äußere Außenfläche 30 und eine zweite Stoßfläche 32 auf. Die äußere Außenfläche 26 des ersten Leichtmetallwerkstücks 12 bildet die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 und die äußere Außenfläche 30 des zweiten Leichtmetallwerkstücks 14 bildet die gegenüberliegende untere Fläche 22 des Stapels 10. Und da die beiden Leichtmetallwerkstücke 12, 14 die einzigen im Werkstückstapel 10 vorhandenen Werkstücke sind, überlappen sich die ersten und zweiten Stoßflächen 28, 32 der ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke 12, 14 innerhalb des Schweißbereichs 16 und liegen einander gegenüber, um eine Stoßschnittstelle 34 zu bilden. In weiteren Ausführungsformen, von denen eine im Folgenden in Verbindung mit 8 bis 9 beschrieben wird, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches drittes Leichtmetallwerkstück aufweisen, das zwischen dem ersten und zweiten Leichtmetallwerkstück 12, 14 angeordnet ist, um den Stapel 10 mit drei statt zwei Leichtmetallwerkstücken zu versehen.
Der Begriff „ Stoßschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung allgemein verwendet und soll ein breites Spektrum von überlappenden Beziehungen zwischen den gegenüberliegenden ersten und zweiten Stoßflächen 28, 32 der ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke 12, 14 umfassen, die der Praxis des Laserschweißens gerecht werden können. So können beispielsweise die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 herstellen, indem sie direkt oder indirekt in Kontakt stehen. Die Stoßflächen 28, 32 stehen beim physischen Aufeinandertreffen in direktem Kontakt miteinander und sind nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht oder Spalten getrennt, die außerhalb der normalen Montagetoleranzbereiche liegen. Die Stoßflächen 28, 32 stehen in indirektem Kontakt, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht wie eine Versiegelung oder einen Klebstoff getrennt sind - und sind somit nicht dem Typ von Grenzflächenanlage ausgesetzt, die für den direkten Kontakt typisch ist - befinden sich jedoch in einer ausreichend engen Nähe, die für das Laserschweißen geeignet ist. Als weiteres Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 herstellen, indem sie durch vorgegebene Lücken getrennt werden. Solche Lücken können zwischen den Stoßflächen 28, 32 durch Erzeugen von vorstehenden Merkmalen auf einer oder beiden der Stoßflächen 28, 32 durch Laserritzen, mechanisches Dellen oder anderweitig auferlegt werden. Die vorstehenden Merkmale halten intermittierende Kontaktpunkte zwischen den Stoßflächen 28, 32 aufrecht, die die Flächen 28, 32 außerhalb und um die Kontaktpunkte herum um bis zu 1,0 mm auseinander halten.
Unter Bezugnahme auf 3 weist das erste Leichtmetallwerkstück 12 eine erste Leichtmetallbasisschicht 36 und das zweite Leichtmetallwerkstück 14 eine zweite Leichtmetallbasisschicht 38 auf. Die ersten und zweiten Leichtmetallbasisschichten 36, 38 können alle aus Aluminium oder Magnesium bestehen“ d.h. die ersten und zweiten Leichtmetallbasisschichten 36, 38 bestehen beide aus Aluminium oder beide aus Magnesium. Mindestens eine der ersten oder zweiten Leichtmetallbasisschichten 36, 38 und in der Regel beide der Basisschichten 36, 38 weisen eine Oberflächenoxidbeschichtung 40 auf. Die Oberflächenoxidbeschichtung(en) 40 kann auf einer oder beiden der Leichtmetallbasisschichten 36, 38 unter anderem aus verschiedenen Gründen, einschließlich Korrosionsschutz, Festigkeitssteigerung und/oder zur Verbesserung der Verarbeitung, eingesetzt werden, und die Zusammensetzung der Oberflächenoxidbeschichtung(en) 40 basiert weitgehend auf der Zusammensetzung der darunter liegenden Leichtmetallbasisschichten 36, 38. Unter Berücksichtigung der Dicke der Leichtmetallbasisschichten 36, 38 und ihrer Oberflächenoxidbeschichtungen 40 liegt jede einer Dicke 121 des ersten Leichtmetallwerkstücks 12 und einer Dicke 141 des zweiten Leichtmetallwerkstücks 14 vorzugsweise im Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm zumindest innerhalb des Schweißbereichs 16. Die Dicken 121, 141 des ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücks 12, 14 können gleich oder unterschiedlich sein.
Die Leichtmetallbasisschichten 36, 38 können eine Vielzahl von Metallformen und -zusammensetzungen annehmen, die zu den breit angeführten Basismetallgruppen von Aluminium und Magnesium gehören. Wenn sie beispielsweise aus Aluminium bestehen, kann jede der Leichtmetallbasisschichten 36, 38 (im Moment als die erste und zweite Aluminium-Basisschicht 36, 38 bezeichnet) separat aus unlegiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85 Gew.-% Aluminium enthält. Einige bemerkenswerte Aluminiumlegierungen, die die ersten und/oder zweiten Basisaluminiumsubstrate 36, 38 bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Zusätzlich kann jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 separat in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt werden. So kann beispielsweise jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 aus Aluminium-Knetlegierungsblech der Serie 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx, stranggepresstem, geschmiedetem oder anderem bearbeitetem Gegenstand oder einem Aluminiumlegierungsguss der Serie 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige spezifischere Arten von Aluminiumlegierungen, die als erstes und/oder zweites Aluminiumbasissubstrat 36, 38 verwendet werden können, sind AA5182 und AA5754 Aluminium-Magnesium-Legierung, AA6011 und AA6022 Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, AA7003 und AA7055 Aluminium-Zink-Legierung und AI-10Si-Mg Aluminium-Druckgusslegierung. Die ersten und/oder zweiten Aluminiumbasissubstrate 36, 38 können in einer Vielzahl von Härtegraden verwendet werden, einschließlich geglüht (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (T).
Wenn die ersten und zweiten Leichtmetallbasisschichten 36, 38 aus Magnesium bestehen, kann jede der Leichtmetallbasisschichten 36, 38 (im Moment als die ersten und zweiten Magnesium-Basisschichten 36, 38 bezeichnet) separat aus unlegiertem Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, die mindestens 85 Gew.-% Magnesium enthält, bestehen. Einige bemerkenswerte Magnesiumlegierungen, die die ersten und/oder zweiten Magnesium-Basisschichten 36, 38 bilden können, sind eine Magnesium-Zink-Legierung, eine Magnesium-AluminiumLegierung, eine Magnesium-Aluminium-Zink-Legierung, eine Magnesium-Aluminium-Silizium-Legierung und eine Magnesium-Seltenerdlegierung. Zusätzlich kann jede der Magnesiumbasisschichten 36, 38 separat in geschmiedeter (Blech, Strangpressling, Schmiedeteil oder einem anderen bearbeiteten Gegenstand) oder gegossener Form bereitgestellt werden. Einige spezifische Beispiele für Magnesiumlegierungen, die als erste und/oder zweite Magnesium-Basisschichten 36, 38 verwendet werden können, sind unter anderem AZ91 D Druckguss oder Magnesiumknetlegierung (extrudiert oder plattiert), AZ31 B Druckguss oder extrudierte (stranggepresst oder Blech) Magnesiumlegierung und AM60B Magnesiumdruckgusslegierung. Die erste und/oder zweite Magnesium-Basisschicht 36, 38 kann in einer Vielzahl von Härtegraden eingesetzt werden, einschließlich geglüht (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (W).
Die auf einer oder beiden der Leichtmetallbasisschichten 36, 38 vorhandene Oberflächenoxidbeschichtung 40 - unabhängig davon, ob die Leichtmetallbasisschichten 36, 38 aus Aluminium oder Magnesium bestehen - kann eine native feuerfeste Oxidschicht sein, die sich passiv bildet, wenn frisches Metall der Basisschicht (en) 36, 38 der atmosphärischen Luft ausgesetzt wird. Diese native feuerfeste Oxidschicht kann aus Aluminiumoxidverbindungen oder Magnesiumoxidverbindungen (und möglicherweise Magnesiumhydroxidverbindungen) bestehen, je nachdem, ob die Leichtmetallbasisschichten aus Aluminium oder Magnesium bestehen. Eine Dicke der Oberflächenoxidbeschichtung 40 liegt typischerweise zwischen 1 nm und 50 nm, obwohl andere Dicken verwendet werden können, insbesondere wenn zusätzliche Verarbeitungstechniken praktiziert werden, die darauf abzielen, die Oberflächenoxidbeschichtung 40 aufzuwachsen, wie z.B. Anodisierung. Passiv gebildete feuerfeste Oxidbeschichtungen weisen beispielsweise oft Dicken im Bereich von 2 nm bis 10 nm auf, wenn die darunterliegende Leichtmetallbasisschicht aus Aluminium oder Magnesium besteht. Solche Oberflächenoxidbeschichtungen 40 sind mechanisch zäh und elektrisch und thermisch isolierend.
Unter Bezugnahme auf 1 weist die Remote-Laserschweißvorrichtung 18 einen optischen Abtastlaserkopf 42 auf. Im Allgemeinen richtet der optische Abtastlaserkopf 42 die Übertragung des Laserstrahls 24 auf die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 (auch die äußere Außenfläche 26 des ersten Leichtmetallwerkstücks 12). Der gerichtete Laserstrahl 24 weist einen Strahlpunkt 44 auf, der, wie in 1A dargestellt, die Querschnittsfläche des Laserstrahls 24 in einer Ebene ist, die entlang der oberen Fläche 20 des Stapels 10 ausgerichtet ist. Der optische Abtastlaserkopf 42 wird vorzugsweise an einem Roboterarm (nicht dargestellt) montiert, der den Laserkopf 42 schnell und präzise zu vielen verschiedenen vorgewählten Stellen innerhalb des Schweißbereichs 16 in schneller programmierter Folge tragen kann. Der Laserstrahl 24, der in Verbindung mit dem optischen Abtastlaserkopf 42 verwendet wird, ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich (allgemein als 700 nm bis 1 400 nm bezeichnet) des elektromagnetischen Spektrums arbeitet. Zusätzlich verfügt der Laserstrahl 24 über eine Leistungspegelfähigkeit, die eine Leistungsdichte erreichen kann, die ausreicht, um bei der Bildung der Laserschweißfügestelle auf Wunsch ein Schlüsselloch innerhalb des Werkstückstapels 10 zu erzeugen. Die Leistungsdichte, die benötigt wird, um ein Schlüsselloch innerhalb der überlappenden Leichtmetallwerkstücke 12, 14 zu erzeugen, liegt typischerweise im Bereich von 0,5 - 1,5 MW/cm².
Einige Beispiele für einen geeigneten Festkörperlaserstrahl, der in Verbindung mit der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 verwendet werden kann, sind ein Faserlaserstrahl, ein Scheibenlaserstrahl und ein direkter Diodenlaserstrahl. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein diodengepumpter Laserstrahl, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine mit einem Seltenerdelement dotierte Glasfaser ist (z.B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium, etc.). Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist ein diodengepumpter Laserstrahl, bei dem das Verstärkungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Seltenerdelement dotiert ist (z.B. ein ytterbiumdotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Yb: YAG) Kristall, der mit einer reflektierenden Fläche beschichtet ist) und an einem Kühlkörper montiert ist. Und ein bevorzugter direkter Diodenlaserstrahl ist ein kombinierter Laserstrahl (z.B. Wellenlänge kombiniert), der von mehreren Dioden abgeleitet ist, bei denen das Verstärkungsmedium mehrere Halbleiter sind, wie beispielsweise solche auf Basis von Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAS) oder Indiumgalliumarsenid (InGaAS). Lasergeneratoren, die jeden dieser Lasertypen und andere Varianten erzeugen können, sind im Handel erhältlich. Andere Festkörperlaserstrahlen, die hier nicht ausdrücklich erwähnt werden, können natürlich verwendet werden.
Der optische Abtastlaserkopf 42 weist eine Anordnung von Spiegeln 46 auf, die den Laserstrahl 24 manövrieren und so den Strahlpunkt 44 entlang der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb einer Betriebsumgrenzung 48, die den Schweißbereich 16 zumindest teilweise überspannt, transportieren können. Hier wird, wie in 1 dargestellt, der von der Betriebsumgrenzung 48 überspannte Abschnitt der oberen Fläche 20 mit der x-y-Ebene bezeichnet, da die Position des Laserstrahls 24 innerhalb der Ebene durch die Koordinaten „ x“ und „ y“ eines dreidimensionalen Koordinatensystems identifiziert wird. Neben der Anordnung von Spiegeln 46 weist der optische Abtastlaserkopf 42 auch eine z-Achsen-Fokuslinse 50 auf, die einen Fokalpunkt 52 (1A) des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse 54 des Laserstrahls 24 bewegen kann, um so die Position des Fokuspunktes 52 in einer z-Richtung zu variieren, die senkrecht zur x-y-Ebene in dem in 1 festgelegten dreidimensionalen Koordinatensystem ausgerichtet ist. Um zu verhindern, dass Schmutz und Ablagerungen die optischen Systemkomponenten und die Integrität des Laserstrahls 24 beeinträchtigen, kann unter dem abtastenden optischen Laserkopf 42 ein Abdeckschlitten 56 angeordnet sein. Der Abdeckschlitten 56 schützt die Anordnung der Spiegel 46 und der z-Achsen- Fokuslinse 50 vor der Umgebung, lässt aber den Laserstrahl 24 ohne wesentliche Störungen aus dem abtastenden optischen Laserkopf 42 austreten.
Die Anordnung der Spiegel 46 und der z-Achsen-Fokuslinse 50 arbeiten während des Betriebs der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 24 und seines Strahlpunkts 44 innerhalb der Betriebsumgrenzung 48 sowie die Position des Fokalpunkts 52 entlang der Längsachse 54 des Strahls 24 zu bestimmen. Insbesondere die Anordnung der Spiegel 46 weist ein Paar kippbare Abtastspiegel 58 auf. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 58 ist auf einem Galvanometer 60 montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 58 können die Position des Strahlpunkts 44 bewegen und so den Punkt, an dem der Laserstrahl 24 auf die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 trifft, überall in der x-y-Ebene der Betriebsumgrenzung 48 durch präzise abgestimmte Kippbewegungen der Galvanometer 60 verändern. Gleichzeitig steuert die z-Achsen-Fokuslinse 50 die Position des Fokuspunktes 52 des Laserstrahls 24, um den Laserstrahl 24 mit der richtigen Leistungsdichte zu verwalten und die gewünschte Wärmeeinbringung sowohl augenblicklich als auch über die Zeit zu erreichen. Alle diese optischen Komponenten 50, 58 können in wenigen Millisekunden oder weniger schnell indexiert werden, um den Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 in Bezug auf die x-y-Ebene der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang eines oder mehrerer geschlossener Kurvenschweißwege vorwärts zu bewegen, wie nachfolgend näher beschrieben ist, während die Position des Fokuspunkts 52 gesteuert wird.
Eine Eigenschaft, die das Remote-Laserschweißen von anderen konventionellen Formen des Laserschweißens unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls 24. Hier weist der Laserstrahl 24, wie in 1 am besten dargestellt, eine Brennweite 62 auf, die als Abstand zwischen dem Brennpunkt 52 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 58 gemessen wird, der den Laserstrahl 24 abfängt und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 den abtastenden optischen Laserkopf 42 verlässt. Die Brennweite 62 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,4 Metern bis 2,0 Metern mit einem Durchmesser des Fokuspunktes 52, der typischerweise zwischen 100 µm und 700 µm liegt. Die Brennweite sowie eine Fokaldistanz 64 lassen sich leicht einstellen. Der hier verwendete Begriff „Fokaldistanz “ bezieht sich auf die Distanz zwischen dem Fokuspunkt 52 des Laserstrahls 24 und der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang der Längsachse 54 des Strahls 24, wie in 1A am besten dargestellt. Die Fokaldistanz 64 des Laserstrahls 24 ist somit Null, wenn der Fokuspunkt 52 auf der oberen Fläche 20 des Stapels 10 positioniert ist. Ebenso ist die Fokaldistanz ein positiver Entfernungswert (+), wenn der Fokuspunkt 52 über der oberen Fläche 20 positioniert ist, und ein negativer Entfernungswert (-), wenn er unter der oberen Fläche 20 positioniert ist.
Bei dem derzeit offenbarten Laserschweißverfahren wird unter Bezugnahme auf die 1-7 eine Laserschweißfügestelle 66 im Werkstückstapel 10 gebildet, indem Abschnitte der Leichtmetallwerkstücke 12, 14 mit dem Laserstrahl 24 in einer bestimmten Weise kurzzeitig geschmolzen werden. Zur Bildung der Laserschweißfügestelle 66 wird der Laserstrahl 24 vom abtastenden optischen Laserkopf 42 auf die obere Fläche 20 des Werkstückstapels an einer vorgegebenen Schweißstelle innerhalb des Schweißbereichs 16 gerichtet. Das resultierende Auftreffen des Laserstrahls 24 an der oberen Fläche 20 des Stapels 10 erzeugt innerhalb des Stapels 10, wie in 2-3 dargestellt, ein Schmelzmetallschweißbad 68, das von der oberen Fläche 20 zur unteren Fläche 22 in den Stapel 10 eindringt und das die zwischen den ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücken 12, 14 eingerichtete Stoßschnittstelle 34 zunächst schneiden kann oder auch nicht. Tatsächlich kann bei dem in 3 dargestellten 2T-Stapelaufbau das Schmelzmetallschweißbad 68 teilweise oder vollständig in den Werkstück-Stapelaufbau 10 eindringen. Ein vollständig eindringendes Schmelzmetallschweißbad 68 durchdringt vollständig den Werkstückstapel 10 und durchbricht die untere Fläche 22 des Stapels10, wie dargestellt, während ein teilweise eindringendes Schmelzmetallschweißbad 68 bis zu einer gewissen Zwischentiefe zwischen den oberen und unteren Flächen 20, 22 eindringt und sich daher nicht bis zur unteren Fläche 22 des Stapels10 erstreckt oder durchbricht.
Der Laserstrahl 24 weist zudem vorzugsweise eine Leistungsdichte auf, die ausreicht, um den Werkstückstapel 10 direkt unter dem Strahlpunkt 44 zu verdampfen. Diese Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 70, ebenfalls in den 2-5 dargestellt, das eine Säule aus verdampftem Werkstückmetall ist, die oft Plasma enthält. Das Schlüsselloch 70 ist innerhalb des Schmelzmetallschweißbades 68 ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzmetallschweißbad 68 nach innen einbricht. Und wie das Schmelzmetallschweißbad 68 dringt auch das Schlüsselloch 70 von der oberen Fläche 20 zur unteren Fläche 22 in den Werkstückstapel 10 ein und schneidet zunächst die zwischen dem ersten und zweiten Leichtmetallwerkstück 12, 14 gebildete Stoßschnittstelle 34 oder nicht. Das Schlüsselloch 70 stellt eine Leitung für den ersten Laserstrahl 24"zur Verfügung, um Energie nach unten in den Werkstückstapel 10 zu liefern, wodurch ein relativ tiefes und schmales Eindringen des Schmelzbades 68 in den Werkstückstapel 10 ermöglicht wird. Das Schlüsselloch 70 kann vollständig (wie dargestellt) oder teilweise in den Werkstückstapel 10 zusammen mit dem Schmelzmetallschweißbad 68 eindringen.
Beim Erzeugen des Schmelzmetallschweißbades 68 und vorzugsweise des Schlüssellochs 70 wird der Laserstrahl 24 und insbesondere sein Strahlpunkt 44 entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges 72, wie in 2 dargestellt, mehrfach in eine Vorwärtsrichtung 74 bezogen auf die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 in der x-y-Ebene des Betriebsumgrenzung 48 vorgeschoben. Der geschlossene Kurvenschweißweg 72 kann ein Kreisschweißweg sein, wie in 2 dargestellt, wobei in diesem Fall ein Durchmesser 721 des Schweißwegs über seinen Umfang konstant ist. In einer weiteren Ausführungsform kann der geschlossene Kurvenschweißweg 72 jedoch anstelle des Kreisschweißwegs eine andere geometrische Form annehmen, beispielsweise einen elliptischen Schweißweg, der einen großen Durchmesser, der sich zwischen den beiden äußersten Punkten seines Umfangs erstreckt, und einen kleineren Durchmesser aufweist, der sich zwischen den beiden engsten Punkten seines Umfangs erstreckt. Aber unabhängig von seinem Profil ist der geschlossene Kurvenschweißweg 72 so bemessen, dass er im Wesentlichen dem gewünschten Umfang der Laserschweißfügestelle 66 von der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10" aus gesehen entspricht, d.h. ein durch den geschlossenen Kurvenschweißweg 72 definierter Bereich entspricht im Wesentlichen einem Bereich der Laserschweißfügestelle 66, der schließlich gebildet wird. Wenn der geschlossene Kurvenschweißweg 72 kreisförmig ist, liegt sein Durchmesser 721 zu diesem Zweck vorzugsweise im Bereich von 4 mm bis 12 mm.
Der Laserstrahl 24 kann mehrfach entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 vorgeschoben werden, der, wie zuvor angegeben, im Wesentlichen dem gewünschten Umfang der zu bildenden Laserschweißfügestelle 66 entspricht. Das heißt, der Laserstrahl 24 wird mehr als einmal entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 vorgeschoben, so dass der Laserstrahl 24 den gleichen Schweißweg für eine vorgegebene Anzahl von kompletten Durchgängen immer wieder effektiv verfolgt. Der Laserstrahl 24 kann entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 mit einer Strahlgeschwindigkeit von mindestens 8 m/min (Meter pro Minute) und vorzugsweise zwischen 10 m/min und 50 m/min bewegt werden. Das Vorrücken des Laserstrahls 24 entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 bei einer solchen Verfahrgeschwindigkeit wird durch präzises Steuern der koordinierten Bewegungen der kippbaren Abtastspiegel 58 innerhalb des abtastenden optischen Laserkopfes 42, wie vorstehend beschrieben, gesteuert. Durch wiederholtes Vorrücken des Laserstrahls 24 entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 bei dieser relativ hohen Geschwindigkeit, die deutlich schneller ist als die beim Laserschweißen üblicherweise realisierten Strahlweggeschwindigkeiten, d.h. 1 m/min bis 5 m/min, wird die strukturelle Integrität der Laserschweißfügestelle 66 als positiv beeinflusst angesehen, wie im Folgenden näher erläutert wird.
Das wiederholte Vorrücken des Strahlpunktes 44 des Laserstrahls 24 entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 bewirkt, dass das Schmelzmetallschweißbad 68 (zusammen mit dem Schlüsselloch 70, falls vorhanden) entsprechend auf einer ähnlichen Strecke innerhalb des Werkstückstapels 10 verschoben wird, wie in 4 dargestellt. Gleichzeitig erzeugt die Energie des Laserstrahls 24, der vom Werkstückstapel 10 absorbiert wird, Wärme, die wiederum durch Leitung sowohl radial nach innen vom geschlossenen Kurvenschweißweg 72 als auch nach unten zur unteren Fläche 22 des Werkstückstapels 10 übertragen wird. Während der Laserstrahl 24 den geschlossenen Kurvenschweißweg 72 weiterverfolgt, schmilzt diese leitende Wärmeübertragung die Abschnitte der ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke 12, 14 nach innen und unten des geschlossenen Kurvenschweißweges 72, um ein Schmelzbad 76 aufzuwachsen und zu entwickeln, das schließlich den gesamten Bereich innerhalb des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 umfasst, wie in den 4-5 dargestellt. Die Anzahl der Durchläufe des Laserstrahls 24 entlang des gleichen geschlossenen Kurvenschweißweges 72 zur Entwicklung des größeren Schmelzbads 76 kann je nach Zusammensetzung der Leichtmetallwerkstücke 12, 14, den Dicken 121, 141 der Werkstücke 12, 14 und der gewünschten Größe der Laserschweißfügestelle 66 variieren. In vielen Fällen kann der Laserstrahl 24 jedoch vollständig entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 im Bereich des Vier- bis Achtzigfachen oder, schmaler, des Achtfachen bis Dreißigfachen vorgetrieben werden.
Das Schmelzbad 76 ist so gewachsen, dass sie die zwischen den beiden Leichtmetallwerkstücken 12, 14 gebildete Stoßschnittstelle 34 schneidet, während sie, wie dargestellt, vollständig durch den Werkstückstapel 10 eindringt oder nur teilweise durch den Stapel 10 eindringt. Das nach innen gerichtete Wachstum des Schmelzbads 76 und der Rühreffekt, der in dem wachsenden Schmelzbad 76 durch das wiederholte und relativ schnelle Vorrücken des Laserstrahls 24 entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 induziert wird, führt nicht nur zu einer effektiven und effizienten Wärmeübertragung in den Werkstückstapel 10, sondern diese Aktionen wirken auch zusammen, um Oberflächenoxidbeschichtungsfragmente, die von der oberen Fläche 20, der Stoßschnittstelle 34 und möglicherweise sogar der unteren Fläche 22 abgeleitet sind, in Richtung der Mitte des Schmelzbads 76 zu führen oder anzutreiben. Und zusätzlich zum Führen oder Antreiben in Richtung der Mitte der Schmelzbad 76 neigen die verfangenen Oberflächenoxidbeschichtungsfragmente dazu, zum oberen Bereich des Schmelzbads 76 aufzusteigen, die die freiliegende Oberfläche des Bads 76 ist, die sich am nächsten zur oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 befindet. Nachdem der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 aufgrund des zufriedenstellenden Wachstums und der Eindringung des Schmelzbads 76 die wiederholte Verfolgung des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 beendet hat, wird die Übertragung des Laserstrahls 24 gestoppt oder der Laserstrahl 24 anderweitig aus dem geschlossenen Kurvenschweißweg 72 entfernt. Der daraus resultierende Wegfall der Energie- und Wärmeübertragung ermöglicht eine schnelle Abkühlung und Verfestigung des Schmelzbads 76 zu einem wieder erstarrten Verbundwerkstückmaterial 78, wie in 6 dargestellt.
Der aus dem Laserstrahl 24 gewonnene kollektive wieder erstarrte Verbundwerkstückmaterial 78 bildet die Laserschweißfügestelle 66, die sich ganz oder teilweise in den Werkstückstapel 10 erstrecken kann, je nachdem, ob die vorhergehende Schmelzbad 76 ganz oder teilweise in den Stapel 10 eingedrungen ist und von einer wärmebeeinflussten Zone (HAZ) umgeben sein kann. Die Laserschweißfügestelle 66 erstreckt sich somit von der oberen Fläche 20 des Stapels 10 zur unteren Fläche 22 in den Werkstückstapel 10, während sie die Stoßschnittstelle 34 schneidet, um die Leichtmetallwerkstücke 12, 14 autogen miteinander zu verschweißen. Die Zusammensetzung des rückverfestigten Verbundwerkstückmaterial-Werkstoffmaterials 78, das die Laserschweißfügestelle 66 umfasst, wird durch die Zusammensetzungen der ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke 12, 14 bestimmt. Darüber hinaus können, wie in 6 repräsentativ und nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt, die Oberflächenoxidbeschichtungsfragmente, die während des wiederholten Vorrückens des Laserstrahls 24 entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 zum oberen Bereich des Schmelzbads 76 aufgestiegen sind, als Film oder andere Konglomerate 80 auf einer oberen Fläche 82 der Laserschweißfügestelle 66 zur Ruhe kommen. Die Migration dieser Fragmente der Oberflächenoxidbeschichtung auf die obere Fläche 82 der Laserschweißfügestelle 66 und damit aus dem Inneren der Laserschweißfügestelle 66, wo sie sonst hätte verbleiben können, reduziert die Porositätsbildung innerhalb der Laserschweißfügestelle 66 erheblich und kann sie sogar insgesamt eliminieren.
In einigen Ausführungsformen des offenbarten Laserschweißverfahrens, insbesondere wenn der Durchmesser 721 des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 = 6,5 mm oder größer ist, kann sich in der Laserschweißfügestelle 66, die sich von der oberen Fläche 82 der Fügestelle 66 nach unten erstreckt, eine zentrale Kerbe 84 materialisieren, wie in 7 dargestellt, als Folge der Rührwirkung, die durch wiederholtes Vorrücken des Laserstrahls 24 entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 und der schnellen Verfestigung der Schmelzbad 76 induziert wird. Das Vorhandensein einer zentralen Kerbe 84 hat im Allgemeinen keinen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften (z.B. Zugfestigkeit, Querzugfestigkeit usw.) der Laserschweißfügestelle 66. Vielmehr beeinträchtigt die zentrale Kerbe 84 in den meisten Fällen einfach das kosmetische Erscheinungsbild der Laserschweißfügestelle 66 und kann zu einer falschen Wahrnehmung einer qualitativ schlechten Schweißfügestelle führen. In den Fällen, in denen eine zentrale Kerbe 84 in der Laserschweißfügestelle 66 verbleibt, kann der Laserstrahl 24 erneut übertragen und sein Strahlpunkt 44 entlang eines sekundären Strahlwegmusters 86 vorgeschoben werden, das, wie in 2 dargestellt, auf die obere Fläche 82 der Laserschweißfügestelle 66 projiziert wird, nachdem der Laserstrahl 24 seinen wiederholten Vorschub entlang des geschlossenen Kurvenschweißwegs 72 abgeschlossen hat. Das Vorrücken des Laserstrahls 24 entlang der Sekundärstrahllaufzeit 86 schmilzt einen zentralen Abschnitt der Laserschweißfügestelle 66 und verbraucht somit die zentrale Kerbe 84, um dadurch die obere Fläche 82 der Verbindung 66 optisch ansprechender zu gestalten.
Das Sekundärstrahlwegmuster 86 besteht aus einem oder mehreren Schweißwegen 88, die die zentrale Kerbe 84 überspannen und sich vollständig innerhalb des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 befinden. Die einen oder mehreren Schweißwegen 88 definieren eine Fläche, die vorzugsweise 50% oder weniger als die durch den geschlossenen Kurvenschweißweg 72 definierte Fläche beträgt und eine Vielzahl von geometrischen Konfigurationen annehmen kann. In einer bestimmten Ausführungsform können beispielsweise der eine oder die mehreren Schweißwege 88 des Sekundärstrahlwegmusters 86 ein zweiter geschlossener Kurvenschweißweg 90 sein, wie beispielsweise der in 2 dargestellte Kreisschweißweg oder ein elliptischer Schweißweg. Wie bisher weist der Kreisschweißweg, der das Sekundärstrahlwegmuster 86 bildet, einen Durchmesser 901 auf, der über seinen Umfang konstant ist. Und während der Durchmesser 901 des Kreisschweißweges des Sekundärstrahlwegmusters 86 in Abhängigkeit von der Größe der Laserschweißfügestelle 66 variieren kann, reicht der Durchmesser 901 des Kreisschweißweges in vielen Fällen vorzugsweise von 0,5 mm bis 6,0 mm.
Wenn ein Kreisschweißweg als sekundäres Schweißmuster 86, wie in 2 dargestellt, eingesetzt wird, kann der Laserstrahl 24 mehrfach entlang des Schweißwegs, wie beispielsweise zwischen zwei- und dreißigmal, bei einer Strahlweggeschwindigkeit, die vorzugsweise zwischen 8 m/min und 120 m/min oder, schmaler, zwischen 10 m/min und 60 m/min liegt, vorgeschoben werden.
Das Sekundärstrahlwegmuster 86 kann neben dem zweiten geschlossenen Kurvenschweißweg 90 (z.B. Kreisschweißweg oder elliptischer Schweißweg), wie in 2 dargestellt, andere Anordnungen des einen oder der mehreren Schweißwege 88 annehmen. Tatsächlich kann das Sekundärstrahl-Wegemuster 86 einen einzelnen Spiralschweißweg, eine Reihe von konzentrischen Kreisschweißwegen, eine Reihe von elliptischen Schweißwegen, einen wellenförmigen Schweißweg mit Spiral-, Kreis- oder Ellipsenform oder einen Stern- oder Kleeschweißweg umfassen, um nur einige Beispiele zu nennen. Spezifische Implementierungen einiger dieser Arten von alternativen Anordnungen der einen oder mehreren Schweißwege 88 sind in PCT/CN2016/102669, PCT/CN2016/083112, PCT/CN2015/094003, PCT/CN2015/099569 und PCT/CN2015/088563 dargestellt und beschrieben. Wenn eine dieser alternativen Anordnungen der einen oder mehreren Schweißbahnen 88 als Sekundärstrahlwegmuster 86 verwendet wird, kann der eine oder die mehreren Schweißweg(e) 88 einen ähnlich großen Bereich auf der oberen Fläche 82 der Laserschweißfügestelle 66 abdecken wie der zweite geschlossene Kurvenschweißweg 90, der vorstehend als mit einem Vorzugsdurchmesser 901 von 0,5 mm bis 6,0 mm beschrieben wurde. Der Laserstrahl 24 kann auch ein- oder mehrmals entlang einer der vorgenannten alternativen Anordnungen eines oder mehrerer Schweißwege 88 bei einer Strahlfahrgeschwindigkeit, die vorzugsweise zwischen 8 m/min und 120 m/min oder enger zwischen 10 m/min und 60 m/min liegt, vorgeschoben werden.
Während der Praxis des offenbarten Laserschweißverfahrens, wie vorstehend beschrieben, wird der Laserstrahl 24 mehrfach entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 vorgeschoben, der die Laserschweißfügestelle 66 mit minimaler, wenn überhaupt vorhandener Porosität erzeugt, und kann dann optional in ein sekundäres Schweißmuster 86 überführt und entlang eines sekundären Schweißmusters 86 vorgeschoben werden, das innerhalb des zuvor zurückgelegten geschlossenen Kurvenschweißweges 72 enthalten ist, um die manchmal gebildete zentrale Kerbe 84 zu beseitigen. Die für die Durchführung eines solchen Laserschweißverfahrens erforderlichen Eigenschaften des Betriebslaserstrahls 24 sowie die relativ schnelle Strahlweggeschwindigkeit, die zumindest für den geschlossenen Kurvenschweißweg 72 gilt, können von Fachleuten problemlos ermittelt werden. Der Laserstrahl 24 kann eine Leistungsstufe im Bereich von 1 kW bis 50 kW und eine Fokusposition zwischen -30 mm und +30 mm (bezogen auf die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10) während des wiederholten Vorrückens entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 aufweisen und ferner eine Leistungsstufe im Bereich von 0,5 kW bis 20 kW und eine Fokusposition zwischen -50 mm und +50 mm während des Vorrückens entlang des Sekundärstrahlwegmusters 86 haben, wenn das Sekundärstrahlwegmuster 86 Teil des Laserschweißverfahrens ist.
Die 1, 3 und 5-7 veranschaulichen eine Ausführungsform des Werkstückstapels 10, der zwei sich überlappende Leichtmetallwerkstücke 12, 14 aufweist, die eine einzige Stoßschnittstelle 34 bilden. Natürlich kann das offenbarte Laserschweißverfahren, wie in den 8-9 dargestellt, auch an einem Werkstückstapel 10 angewendet werden, der ein zusätzliches drittes Leichtmetallwerkstück 150 mit einer Dicke 151 aufweist, das sich zwischen dem ersten und zweiten Leichtmetallwerkstück 12, 14 befindet. Das dritte Leichtmetallwerkstück 150, falls vorhanden, weist eine dritte Leichtmetallbasisschicht 152 auf, die auch mit einer Oberflächenoxidbeschichtung 40 (wie dargestellt) beschichtet werden kann. Das dritte Leichtmetallwerkstück 150 ist in vielerlei Hinsicht den ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücken 12, 14 ähnlich und entsprechend gilt die oben dargestellte Beschreibung der ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke 12, 14 (insbesondere die Zusammensetzung der Leichtmetallbasisschichten, deren mögliche Oberflächenoxidbeschichtungen und die Werkstückdicken) vollständig für das dritte Leichtmetallwerkstück 150. Der Schweißbereich 16 in dieser Ausführungsform des Werkstückstapels 10 wird nun durch den Umfang der gemeinsamen Überlappung aller ersten, zweiten und dritten Leichtmetallwerkstücke 12, 14, 150 definiert.
Durch das überlappende Stapeln der ersten, zweiten und dritten Leichtmetallwerkstücke 12, 14, 150 zum Bereitstellen des Werkstückstapels 10 und wie in 8 am besten dargestellt, weist das dritte Leichtmetallwerkstück 40 zwei Stoßflächen auf eine dritte Stoßfläche 156 und eine vierte Stoßfläche 158. Die dritte Stoßfläche 156 überlappt die erste Stoßfläche 28 des ersten Leichtmetallwerkstücks 12 und liegt dieser gegenüber und die vierte Stoßfläche 158 überlappt die zweite Stoßfläche 32 des zweiten Leichtmetallwerkstücks 14 und liegt dieser gegenüber. Innerhalb des Schweißbereichs 16 bilden die gegenüberliegenden ersten und dritten Stoßflächen 28, 156 der ersten und dritten Leichtmetallwerkstücke 12, 150 eine erste Stoßschnittstelle 160 und die gegenüberliegenden zweiten und vierten Stoßflächen 32, 158 der zweiten und dritten Leichtmetallwerkstücke 14, 150 eine zweite Stoßschnittstelle 162. Diese Stoßschnittstellen 160, 162 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 34, die oben in Bezug auf den in den 1, 3 und 5-7 dargestellten 2T-Stapel beschrieben ist. Folglich sind in dieser Ausführungsform die äußeren Außenflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke 12, 14 weiter in entgegengesetzten Richtungen voneinander abgewandt und bilden die oberen und unteren Flächen 20, 22 der Werkstückstapelung 10.
Das offenbarte Laserschweißverfahren wird in der gleichen allgemeinen Weise wie vorstehend beschrieben praktiziert; d.h. der Laserstrahl 24 wird mehrfach entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 vorgeschoben, vorzugsweise zwischen vier und achtzig vollständigen Durchgängen, bei einer Strahlgeschwindigkeit von mehr als 8 m/min oder, schmaler, zwischen 10 m/min und 50 m/min, wodurch das Schmelzmetallschweißbad 68 und das Schlüsselloch 70 (falls vorhanden) entsprechend innerhalb des Stapels 10 übersetzt werden, wie in den 2 und 7 dargestellt. Die mit einer solchen Vorwärtsbewegung des Laserstrahls 24 entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges 72 verbundene nach innen und unten leitende Wärmeübertragung lässt das Schmelzbad 76 wachsen und entwickeln, das hier jede der ersten und zweiten Stoßschnittstellen 160, 162 schneidet, die zwischen den Leichtmetallwerkstücken 12, 14, 150 ausgebildet sind, während es, wie dargestellt, vollständig durch den Werkstückstapel 10 hindurchgeht oder nur teilweise durch den Stapel 10 hindurchgeht. Das eventuelle Stoppen der Übertragung des Laserstrahls 24 bewirkt, dass das Schmelzbad 76 abkühlt und in den wieder erstarrten Verbundwerkstückmaterial 78 übergeht, der zusammen die Laserschweißfügestelle 66 bildet, wie in 8 dargestellt. Der Laserstrahl 24 kann dann optional entlang eines sekundären Schweißmusters 84 vorgeschoben werden, das in dem zuvor nachgeführten, geschlossenen Kurvenschweißweg 72 enthalten ist, um die zentrale Kerbe 82 zu eliminieren, die je nach Größe des geschlossenen Kurvenschweißwegs 72 gebildet werden kann.
Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und konkreten Beispiele hat lediglich beschreibenden Charakter; sie soll den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe sollte seine gewöhnliche und übliche Bedeutung haben, sofern in der Spezifikation nicht ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes angegeben ist.

Claims

Verfahren zum Laserverschweißen von zwei oder mehreren Leichtmetallwerkstücken miteinander, wobei das Verfahren umfasst: Richten eines Laserstrahls auf eine obere Fläche eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr überlappende Leichtmetallwerkstücke umfasst, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Leichtmetallwerkstück und ein zweites Leichtmetallwerkstück umfasst, die sich innerhalb eines Schweißbereichs überlappen, wobei das erste Leichtmetallwerkstück die obere Fläche des Werkstückstapels und das zweite Leichtmetallwerkstück eine untere Fläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei jedes Paar benachbarter überlappender Leichtmetallwerkstücke innerhalb des Werkstückstapels eine Stoßschnittstelle dazwischen bildet; Vorwärtsbewegen eines Strahlpunktes des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels, so dass der Strahlpunkt mehrfach entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges mit einer Strahllaufgeschwindigkeit von 8 m/min oder mehr bewegt wird, um ein Schmelzbad wachsen und entwickeln zu lassen, das sich nach innen und unten vom geschlossenen Kurvenschweißweg auf der oberen Fläche des Werkstückstapels erstreckt, wobei das Schmelzbad in den Werkstückstapel von der oberen Fläche des Werkstückstapels zur unteren Fläche eindringt und jede im Schweißbereich des Werkstückstapels eingerichtete Stoßschnittstelle schneidet, Verfestigen des Schmelzbads zu einer Laserschweißfügestelle aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial, wobei die Laserschweißfügestelle die beiden oder mehreren sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke innerhalb des Schweißbereichs miteinander verschweißt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Leichtmetallwerkstück eine äußere Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Leichtmetallwerkstück eine äußere Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, wobei die äußere Außenfläche des ersten Leichtmetallwerkstücks die obere Fläche des Werkstückstapels und die äußere Außenfläche des zweiten Leichtmetallwerkstücks die untere Fläche des Werkstückstapels bildet, und wobei sich die erste und zweite Stoßfläche der ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücke überlappen und einander gegenüberliegen, um eine Stoßschnittstelle zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Leichtmetallwerkstück eine äußere Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Leichtmetallwerkstück eine äußere Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, wobei die äußere Außenfläche des ersten Leichtmetallwerkstücks die obere Fläche des Werkstückstapels und die äußere Außenfläche des zweiten Leichtmetallwerkstücks die untere Fläche des Werkstückstapels bildet, und wobei der Werkstückstapel ein drittes Leichtmetallwerkstück umfasst, das sich zwischen den ersten und zweiten Leichtmetallwerkstücken befindet, wobei das dritte Leichtmetallwerkstück gegenüberliegende dritte und vierte Stoßflächen aufweist, wobei sich die dritte Stoßfläche mit der ersten Stoßfläche des ersten Leichtmetallwerkstücks überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle zu schaffen, und sich die vierte Stoßfläche mit der zweiten Stoßfläche des zweiten Leichtmetallwerkstücks überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes der beiden oder mehreren sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke ein Aluminiumwerkstück ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes der beiden oder mehreren sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke ein Magnesiumwerkstück ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der geschlossene Kurvenschweißweg ein Kreisschweißweg ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kreisschweißweg einen Durchmesser aufweist, der von 4 mm bis 12 mm reicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strahlpunkt des Laserstrahls vollständig entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges im Bereich von viermal bis achtzigmal vorgeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Laserstrahl entlang des geschlossenen Schweißweges mit einer Strahllaufgeschwindigkeit im Bereich von 10 m/min bis 50 m/min vorgeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl ein Festkörperlaserstrahl ist, und wobei das mehrfache Vorschieben des Laserstrahls entlang des geschlossenen Kurvenschweißweges durch eine Remote-Laserschweißvorrichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: erneutes Übertragen des Laserstrahls und Vorrücken des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zu einer oberen Fläche der Laserschweißfügestelle entlang eines sekundären Strahlwegmusters, das innerhalb des geschlossenen Schweißweges enthalten ist, um einen Abschnitt der Laserschweißfügestelle zu schmelzen und eine zentrale Kerbe zu verbrauchen, die innerhalb der Laserschweißfügestelle definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das sekundäre Strahlwegmuster einen zweiten geschlossenen Kurvenschweißweg umfasst, und wobei der Strahlpunkt des Laserstrahls mehrfach entlang des zweiten geschlossenen Kurvenschweißwegs bei einer Strahlweggeschwindigkeit von 8 m/min oder mehr vorgeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der zweite geschlossene Kurvenschweißweg ein zweiter Kreisschweißweg ist und ein Durchmesser des zweiten Kreisschweißwegs von 0,5 mm bis 6,0 mm reicht.
Verfahren zum Laserverschweißen von zwei oder mehreren Leichtmetallwerkstücken miteinander, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr Leichtmetallwerkstücke aufweist, die sich überlappen, um einen Schweißbereich zu definieren, wobei der Schweißbereich des Werkstückstapels eine obere Fläche und eine untere Fläche aufweist und ferner eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Leichtmetallwerkstücke, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, herstellt, und wobei alle der zwei oder mehr Leichtmetallwerkstücke in dem Werkstückstapel Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke sind; Richten eines Laserstrahls auf die obere Fläche des Werkstückstapels, um ein Schlüsselloch und ein Schmelzmetallschweißbad zu erzeugen, das das Schlüsselloch umgibt, wobei jedes Schlüsselloch und das umgebende Schmelzmetallschweißbad von der oberen Fläche des Stapels zur unteren Fläche des Stapels in den Werkstückstapels eindringt; Vorwärtsbewegen eines Strahlpunktes des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels, so dass der Strahlpunkt mehrfach entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges mit einer Strahlweggeschwindigkeit, die von 8 m/min bis 120 m/min reicht, vorgeschoben wird, um ein Schmelzbad wachsen und sich entwickeln zu lassen, das sich nach innen und unten vom geschlossenen Kurvenschweißweg auf der oberen Fläche des Werkstückstapels erstreckt, wobei das Schmelzbad in den Werkstückstapel von der oberen Fläche des Werkstückstapels zur unteren Fläche eindringt und jede im Schweißbereich des Werkstückstapels gebildete Stoßschnittstelle schneidet; Anhalten der Übertragung des Laserstrahls, um zu ermöglichen, dass sich das Schmelzbad zu einer Laserschweißfügestelle verfestigt, die aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial besteht, wobei die Laserschweißfügestelle die beiden oder mehr überlappenden Leichtmetallwerkstücke innerhalb des Schweißbereichs miteinander verschweißt, und wobei die Laserschweißfügestelle ferner eine zentrale Kerbe definiert, die sich von einer oberen Fläche der Laserschweißfügestelle nach unten in die Laserschweißfügestelle erstreckt; und erneutes Übertragen des Laserstrahls und Vorschieben des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche der Laserschweißfügestelle entlang eines sekundären Strahlwegmusters, das innerhalb des geschlossenen Schweißweges enthalten ist, um einen Teil der Laserschweißfügestelle zu schmelzen und die zentrale Kerbe zu verbrauchen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Der Werkstückstapel zwei oder drei sich überlappende Leichtmetallwerkstücke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der geschlossene Kurvenschweißweg ein Kreisschweißweg mit einem Durchmesser im Bereich von 4 mm bis 12 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Sekundärstrahlwegmuster einen zweiten Kreisschweißweg mit einem Durchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 6,0 mm umfasst, und wobei der Strahlpunkt des Laserstrahls mehrfach entlang des zweiten Kreisschweißwegs vorgeschoben wird.
Verfahren zum Laserverschweißen von zwei oder drei Leichtmetallwerkstücken miteinander, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder drei Leichtmetallwerkstücke aufweist, die sich überlappen, um einen Schweißbereich zu definieren, wobei der Schweißbereich des Werkstückstapels eine obere Fläche und eine untere Fläche aufweist und ferner eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Leichtmetallwerkstücke, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, herstellt, und wobei alle der zwei oder mehr Leichtmetallwerkstücke in dem Werkstückstapel Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke sind; Bilden einer Laserschweißfügestelle, die die zwei oder drei sich überlappenden Leichtmetallwerkstücke miteinander verschweißt, wobei das Bilden der Laserschweißfügestelle das Betreiben eines optischen Abtastlaserkopfes einer Remote-Laserschweißvorrichtung umfasst, um einen Laserstrahl auf die obere Fläche des Werkstückstapels zu richten und zusätzlich einen Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels so voranzutreiben, dass der Strahlpunkt mehrfach entlang eines geschlossenen Kurvenschweißweges mit einer Strahlweggeschwindigkeit, die von 8 m/min bis 120 m/min reicht, vorgeschoben wird, um ein Schmelzbad wachsen und sich entwickeln zu lassen, da sich vom geschlossenen Kurvenschweißweg auf der oberen Fläche des Werkstückstapels nach innen und unten erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der geschlossene Kurvenschweißweg ein Kreisschweißweg mit einem Durchmesser im Bereich von 4 mm bis 12 mm ist, und wobei der Strahlpunkt des Laserstrahls vollständig entlang des geschlossenen Kurvenschweißwegs im Bereich von viermal bis achtzigmal vorwärtsbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Vorwärtsbewegen des Strahlpunktes des Laserstrahls relativ zu einer oberen Fläche der Laserschweißfügestelle entlang eines sekundären Strahlwegmusters, das innerhalb des geschlossenen Kurvenweges enthalten ist, um einen Abschnitt der Laserschweißfügestelle zu schmelzen und eine innerhalb der Laserschweißfügestelle definierte zentrale Kerbe zu verbrauchen, und wobei das sekundäre Strahlwegmuster aus einem oder mehreren Schweißwegen besteht, die einen Flächeninhalt definieren, der 50% oder kleiner als ein Flächeninhalt ist, der durch den geschlossenen Kurvenschweißweg auf der oberen Fläche des Werkstückstapels definiert ist.