DE102005017803B4

DE102005017803B4 - Verbund-Laserstrahlschweissen

Info

Publication number: DE102005017803B4
Application number: DE102005017803A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Troy Wang; Shigeki Saitoh; Fujiko Matsuda; Masami Yokohama Takeshi; Masatake Yokohama Saito
Original assignee: Suzuki Motor Corp; General Motors Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp; Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: US7479616B2; DE102005017803A1; US20050230364A1

Abstract

Verfahren zum Bilden einer Schweißung entlang eines Schweißweges in der Oberfläche eines Metallwerkstücks (58), wobei das Verfahren umfasst, dass:
der Strahl (44) eines ersten Lasers (40) bei einem ersten Laserleistungspegel mit dem Strahl (46) eines zweiten Lasers (42) bei einem zweiten Laserleistungspegel zu einem Verbundstrahl (48) kombiniert wird,
der Verbundstrahl (48) auf das Werkstück (58) gerichtet wird,
der Verbundstrahl (48) relativ zu dem Werkstück (58) entlang des Schweißweges bewegt wird, und
zumindest einer von dem ersten Leistungspegel und dem zweiten Leistungspegel während der Bewegung des Verbundstrahls (48) verändert wird,
dadurch gekennzeichnet
dass die ersten und zweiten Laserleistungspegel gesteuert werden, um Schweißkernsegmente (64, 66; 70, 72), die einen umgefalzten Abschnitt (32, 34) eines ersten Blechschenkels (14) und einen zweiten Blechschenkel (16) verbinden, entlang des Schweißweges mit variierender Breite und Tiefe und frei von Hitzerissbildung zu erzeugen, wobei die Schweißsegmente (64, 66; 70, 72) sich...

Description

Diese Erfindung betrifft das Laserschweißen von Metalllegierungen, um Hitzerissbildung an der Schweißstelle zu vermeiden. Im Besonderen betrifft diese Erfindung das Laserschweißen von Nichteisen-Leichtmetalllegierungen, wie etwa Aluminium- oder Magnesiummetalllegierungen mit Laserstrahlung d.h. einem Verbundstrahl, der zwei unterschiedliche Laserquellen kombiniert.
Metallwerkstücke werden geschweißt, indem ein Laserstrahl mit einer geeigneten Energie an einer ausgewählten Schweißstelle auf die Oberfläche des Metalls gerichtet wird. Ein Teil der Energie der Laserstrahlung wird von dem Metall absorbiert, wodurch das Material an dem Einfallsbereich bis zu einer Tiefe aufgeschmolzen wird, die geeignet ist, um die Metalllagen zusammenzufügen. Nachdem der Laserstrahl abgeschaltet oder längs eines Schweißweges in dem Werkstück wegbewegt worden ist, gibt das geschmolzene Metall schnell Wärme an das umgebende nicht erwärmte Metall ab und wird fest, so dass ein Schweißkern zwischen den zu fügenden Schichten gebildet wird. Hochleistungs-Kohlendioxid-Gaslaser (CO₂-Gaslaser) und Neodym:YAG-Feststofflaser werden beispielsweise in Materialverarbeitungsanwendungen, die spanende Bearbeitung, Wärmebehandlung und Schweißen umfassen, benutzt.
Ein Vorteil des Laserschweißens ist, dass ein Strahl kohärenter Strahlung fokussiert werden kann, um schnell, aber kurzzeitig ein tiefes schmales Schlüsselloch geschmolzenen Metalls für das Schweißen zu bilden. Es ist aber ein Nachteil, dass der Schweißkern, der auf diese schnelle Weise gebildet wird, oft Sprödigkeit oder Hitzerissbildung entlang der Schweißfügestelle insbesondere in Leichtmetalllegierungen mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit zeigt. Es sind Bemühungen unternommen worden, um das Energieniveau und/oder den Weg des Laserstrahls zu steuern und somit ein Schweißmetallbad mit einer geeigneten Form zu erzeugen, um die Sprödigkeit des Schweißkerns zu verringern. Bei vielen Laserschweißanwendungen bleibt aber Porosität und/oder Hitzerissbildung des Schweißkerns ein Problem.
Die JP 2002 316 282 A beschreibt ein Verfahren nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Aus der DE 41 18 791 A1 ist ein Schweißverfahren bekannt, bei dem ein zeitlich konstanter Laserstrahl in Verbindung mit Laserstrahlimpulsen verwendet wird, um eine gleichmäßige Schweißraupe auszubilden.
Die US 5,451,742 A offenbart ein Schweißverfahren, bei dem ein Rand eines ersten umgefalzten Blechschenkels und ein Rand eines zweiten Blechschenkels verbunden werden. Hierbei erfolgt die Schweißung mittels eines zweistufigen Verfahrens mit einem einzelnen Laserstrahl, der bei einem ersten Leistungspegel verwendet wird, um einen ersten Schweißabschnitt zu bilden. Anschließend wird der Laserstrahl bei einem zweiten Leistungspegel verwendet, um einen zweiten Schweißabschnitt zu bilden.
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Schweißen von Metallwerkstücken bereitzustellen, mit dem Schrumpfungsspannungen und folglich Hitzerissbildung in dem Schweißkern sowie andere Schweißfehler zu vermindert werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Diese Erfindung nutzt die unterschiedlichen Eigenschaften von zwei unterschiedlichen Lasern aus, um die kombinierten Energien der Laser in einem Metallschweißvorgang zu modulieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Strahlung von einem CO₂-Laser mit Strahlung von einem Nd:YAG-Laser (in dieser Beschreibung manchmal einfach als YAG-Laser bezeichnet) kombiniert, um eine rissfreie Schwei ßung zwischen zwei Blechwerkstücken aus einer Aluminiumlegierung zu bilden. Unterschiedliche Laserstrahlen weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, und die Unterschiede können bei Schweißanwendungen benutzt werden. Anhand eines veranschaulichenden Beispiels wird die praktische Ausführung der Erfindung bei der Bildung einer im Allgemeinen kontinuierlichen (linienförmigen) Schweißung zwischen Schenkeln eines Außenbleches aus einer Aluminiumlegierung und eines Innenbleches aus einer Aluminiumlegierung für eine Kraftfahrzeugheckklappe beschrieben.
Bei diesem Beispiel werden die Heckklappenbleche derart zusammengebaut, dass der Schenkel des Außenbleches in einem Säumvorgang um den Rand des Schenkels des Innenbleches herumgebogen wird. Die zusammengebauten Bleche werden derart abgestützt, dass kombinierte Strahlen aus einem CO₂-Laser und einem YAG-Laser entlang des gesäumten Umfangs der Bleche bewegt werden können, um eine kontinuierliche Schweißlinie um den Umfang herum zu bilden. Die Dicke eines jeden Bleches beträgt ungefähr 1,1 bis 1,2 Millimeter, und die Gesamtleistung des Verbund-Laserstrahls muss die äußere Lage der gesäumten Schenkelanordnung durchdringen und in die innere Lage hinein eindringen. Die Wärmeübertragungseigenschaften der beiden Lagen sind unterschiedlich, da die äußere Lage um das Ende der inneren Lage herumgewickelt ist und dieser Unterschied in den Wärmedissipationswegen beeinflusst die Verfestigung der Schweißschmelze zu einem rissfreien Kern.
CO₂-Laser weisen einen schmalen fokussierten Strahl auf, der ein schmales Schlüsselloch und eine schmalere Schweißschmelze bildet, während der YAG-Strahl weiter ist und eine breitere Schweißschmelze erzeugt. Bei dieser Saumschweißausführungsform wird die Leistung des CO₂-Lasers auf ungefähr 1,0 Kilowatt gehalten, während die Leistung des YAG-Lasers zyklisch von ungefähr 3 kW für 200 Millisekunden (ms) auf 0 kW (abgeschaltet) für 100 ms verändert wird. Dieses zyklische ungleichmäßige Ein-Aus des YAG-Lasers wird während der Bildung der linienförmigen Schweißnaht mit einer Frequenz von 3,3 Hz wiederholt. Somit variiert die Gesamtleistung des Verbundstrahls von 4 kW bis 1 kW mit einem Intervall von jeweils 200 ms bzw. 100 ms bei einer Frequenz von 3,3 Hz. Der Verbund-Laserstrahl wird mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, beispielsweise 5,5 Meter pro Minute, um den Umfang der gesäumten Schenkelanordnung herum bewegt. Der Weg des Verbundstrahls kann direkt den Rändern der Anordnung folgen (ein im Allgemeinen gerader Weg entlang jeder Seite der Anordnung), oder der Strahl kann in einem sinusförmigen oder anderen nicht geraden Weg entlang der Ränder vorgerückt werden.
Die Wirkung der Veränderung der Verbund-Laserstrahlleistung mit einem Schweißperiodenintervall dient dazu, eine resultierende Veränderung der Größe oder Ausgestaltung des Schweißkerns entlang des kontinuierlichen Schweißweges zu erzeugen und in der Folge die Schrumpfungsspannungen in der geschweißten Saumanordnung zu vermindern. Während des Intervalls von 200 ms mit hoher Verbundstrahlleistung werden die linienförmigen Schweißkernsegmente relativ breit und tief. Während der kürzeren dazwischen liegenden Intervalle mit niedriger Strahlleistung und lediglich CO₂-Strahlleistung werden die linienförmigen Schweißkernsegmente schmaler und flacher. Es ist zu finden, dass dieses Muster variierender Schweißkernausgestaltungen das Kühlmuster der Schweißschmel ze verändert und Schweißsegmente erzeugt, die frei von Hitzerissen sind, und die Schrumpfungsspannungen wesentlich vermindert.
Das obige Beispiel veranschaulicht eine Ausführungsform der praktischen Ausführung der Erfindung. In dieser Ausführungsform werden zwei unterschiedliche Laserstrahlen mit unterschiedlichen Leistungseinstellungen für wiederholte Intervalle von 200 ms kombiniert, und ein Strahl wurde für die unmittelbar folgenden Intervalle von 100 ms abgeschaltet. Es können aber andere Kombinationen von Laserstrahlleistungspegeln und Intervalldauern verwendet werden. Die Leistungspegel, die Veränderung der Leistungspegel und die Dauer der ausgewählten Leistungspegel für die beiden Laser, die beim Schweißen einer besonderen Werkstückanordnung verwendet werden, können experimentell bestimmt werden. Die Versuche zur Einstellung können unter Verwendung thermischer Modellierung gesteuert werden. Das Ziel der Verwendung des Verbund-Laserstrahls ist es, den Leistungseingang periodisch zu verändern, um geeignete Schweißkernausgestaltungen entlang der gesamten Länge der Schweißung zu erzielen, während das Profil, die Tiefe und die Breite des Schweißkerns periodisch verändert werden, um thermische Restspannungen in der Schweißung zu vermeiden.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen ist:
1 eine Umrissansicht einer Laserschweißanwendung gemäß dieser Erfindung, in der Schenkel von Innen- und Außenblechen einer Kraftfahrzeugheckklappe gesäumt werden, wobei lediglich ein unterer Abschnitt des Innenbleches in dem Umfangsumrisslinie gezeigt ist, der über der Rückseite des Außenbleches liegt, das ebenfalls in einer Umrisslinie gezeigt ist;
2 eine Querschnittsansicht der Saumschweißumgebung an der Stelle 2-2 von 1;
3 eine schematische Darstellung des Kombinierens eines CO₂-Laserstrahls und eines YAG-Laserstrahls durch Optiken, um einen Verbund-Laserstrahl zum Bilden von Schweißungen gemäß dieser Erfindung herzustellen;
4 ein Graph eines Beispiels von Laserleistungsveränderungen für einzelne CO₂- und YAG-Laserstrahlen bei aufeinander folgenden Intervallen von 200 ms und 100 ms während einer Schweißperiode für eine Ausführungsform dieser Erfindung, in der die Strahlen kombiniert werden, um eine linienförmige Saumschweißung zwischen einem AA6111-T4-Heckklappen-Außenblech und einem AA5182-O-Innenblech zu erzeugen;
5 eine fragmentarische Ansicht eines Teilstücks der geschweißten Heckklappenanordnung von 1, die die Form des Schweißkerns an der Schenkeloberfläche des Innensaums des Außenbleches zeigt, der unter Verwendung eines gekrümmten Laserschweißstrahlweges erzeugt wird;
6 eine fragmentarische Ansicht eines Teilstücks der geschweißten Heckklappenanordnung von 1, die die Form des Schweißkerns an der Schenkeloberfläche des Innensaums des Außenbleches zeigt, der unter Verwendung eines geraden Strahlweges beim Laserschweißen erzeugt wird; und
7 eine Querschnittsansicht des geschweißten Teilstücks der fragmentarischen Ansicht von 6 ist.
Die kohärente und fokussierte Energie von Laserstrahlen wird bei Metallbearbeitungs-, Wärmebehandlungs- und Schweißvorgängen verwendet. In Metallschweißanwendungen werden Laser häufig bei dem Verschweißen von zwei oder mehr Blechlagen verwendet. Beispielsweise werden Schenkel von Blechen gefügt, indem ein Laserstrahl verwendet wird, um die Dicke des oberen Schenkels zu durchschmelzen und in den unteren Schenkel einer Anordnung hinein zu schmelzen. Der Laserstrahl wird gewöhnlich relativ zu dem Werkstück bewegt, um einem linienförmigen Weg, der gerade oder nicht gerade ist, entlang der Schenkelfläche oder einer anderen zu fügenden Fläche zu folgen, und nachdem der Laserstrahl sich entlang seines Weges bewegt hat, verfestigt sich geschmolzenes Metall durch Wärmeverlust an das benachbarte Blechmaterial, so dass ein Schweißkern gebildet wird. Es besteht anhaltend der Wunsch, Laserschweißungen schneller mit höherer Genauigkeit und besserer Prozesssteuerung durchzuführen.
Es besteht auch ein Wunsch, Laserschweißtechnik auf das Fügen von leichten Blechteilen, wie etwa Kraftfahrzeugkarosserieblechen, anzuwen den. Wenn aber Laserschweißen an Blechen aus Aluminiumlegierungen versucht wird, ist häufig zu finden, dass die Schweißkerne gegenüber Rissbildung anfällig sind. Das Problem ist häufig sichtbar, wenn kontinuierliche linienförmige Schweißungen zwischen Schenkeln, die gesäumt sind, vorgenommen werden. Derartige "Hitzerissbildung" ist augenscheinlich ein Ergebnis einer schnellen Schrumpfung der fest werdenden Schweißschmelze, wenn Wärme aufgrund der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Metalls des Werkstücks/der Werkstücke abgegeben wird. Diese Erfindung stellt ein praktisches Verfahren zum Kombinieren der Strahlen von zwei Lasern bereit, um schnell kontinuierliche Schweißlinien in stark wärmeleitenden Werkstücken aus Leichtmetalllegierungen ohne Hitzerissbildung in der neuen Verbindungsstelle zu bilden.
1 veranschaulicht in gestrichelter Umrisslinie eine Draufsicht eines Außenbleches 10 für eine Kraftfahrzeugheckklappe. Darüber gelegt auf der Rückseite des Außenbleches 10 ist ein unterer Abschnitt eines Innenbleches 12. Typischerweise sind die Innen- und Außenbleche einer Fahrzeugheckklappe jeweils derart gestaltet, dass sie die Form (einschließlich der Fensteröffnung 20) und konstruktive Einheit des Verschlusselementes bilden und Verdrahtungen für Lampen und Bauelemente für Scharniere, Verriegelungen, Scheibenwischermechanismen und dergleichen enthalten. In 1 sind diese Bleche aber einfach in ihrem Umriss gezeigt, um zu darzustellen, wie sie an ihren Rändern verschweißt werden.
In diesem Beispiel ist das Heckklappenaußenblech 10 gebildet worden, indem ein Blechrohling aus einer Aluminiumlegierung AA6111 in einem T4-Temperzustand gestanzt worden ist. Das Innenblech 12 ist aus einem Blechrohling aus AA5182 in einem O-Temperzustand gestanzt worden.
Das Außenblech 10 weist einen Umfangsschenkel 14 auf und das Innenblech 12 weist ebenso einen Umfangsschenkel 16 auf. Die jeweiligen Schenkel 14, 16 erstrecken sich an den Rändern jedes Bleches, und der Schenkel 14 des Außenbleches 10 erstreckt sich von dem Schenkel 16 des Innenbleches 12 nach außen. In 1 ist zur Vereinfachung der Darstellung das Innenblech 12 oberhalb des unteren Abschnitts des Außenbleches 10 weggebrochen gezeigt (wie auch der obere Abschnitt des Schenkels 14 des Außenbleches) aber in der Praxis würde das Innenblech 12 im Allgemeinen die vollständige Gestalt des äußeren Bleches 10 ergänzen. Der Schenkel 14 des Außenbleches 10 erstreckt sich von dem Schenkel 16 des Innenbleches 12 nach außen und wird um das Ende 18 des Innenblechschenkels 16 in einem Säumvorgang umgefalzt. Die Ausgestaltung dieser gesäumten Schenkel ist in der weggebrochenen, fragmentarischen und geschnittenen Ansicht von 2 gezeigt. Somit umgreift das Außenblech 10 infolge des Säumens des Schenkels 14 des Außenbleches 10 um das Ende 18 des Schenkels 16 des Innenbleches 12 herum mechanisch das Innenblech 12 um zumindest die Unterseite 22, die untere rechte Seite 26 und die untere linke Seite 24 der zusammengebaute Bleche, wie es in 1 gezeigt ist.
Bei der praktischen Ausführung dieser Erfindung wird dann ein Verbund-Laserstrahl auf die gesäumte Schenkelanordnung gerichtet und um diese herumbewegt, um eine Schweißung in der Anordnung zu erzeugen und somit die Anbringung des Innenbleches an dem Außenblech sicherzustellen. Der allgemeine Weg der Schweißung um den Umfang der angebrach ten Bleche herum folgt parallel zu aber innerhalb des Außenrandes 18 des Innenbleches 12.
Der Querschnitt eines lokalen Abschnitts des Schweißkerns 30 ist in der Querschnittsansicht von 2 gezeigt. Der Schweißkern 30 wird von der oberen Oberfläche 32 des Schenkels 14 aus gebildet (wie es in 2 zu sehen ist) und erstreckt sich durch den umgefalzten Endabschnitt 34 des Schenkels 14 und durch den Schenkel 16 des Innenbleches hindurch.
Erfindungsgemäß wird die Schweißung durch einen Verbund-Laserstrahl erzeugt, der den Strahl eines Kohlendioxidlasers umfasst, der mit dem Strahl eines Neodym:YAG-Lasers verschmolzen wird. 3 veranschaulicht schematisch einen CO₂-Laser 40 und einen YAG-Laser 42. Diese Lasergeneratoren sind im Handel mit Steuerungssystemen erhältlich, durch die die Ausgangsleistung der jeweiligen Laser 40, 42 individuell gesteuert werden kann. Der YAG-Laserstrahl 46 (bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikrometern) wird von dem YAG-Strahlspiegel 50 zu einem Verbund-Laserstrahlspiegel 54 reflektiert. Ähnlich wird der CO₂-Laserstrahl 44 (bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern) von dem CO₂-Strahlspiegel 52 zu dem gemeinsamen Laserstrahlspiegel 54 reflektiert. Die Strahlen 44 und 46 werden bei Spiegel 54 kombiniert und als Verbundstrahl 48 auf die Oberfläche 56 eines Werkstücks 58, wie etwa der gesäumten Innen- und Außenblech-Schenkelanordnung von 1, gerichtet. 3 ist eine ebene Darstellung der Anordnung der Laser 40 und 42. Die Spiegel 50 und 52 befinden sich nicht notwendigerweise in einer Linie und die Strahlen 40 und 46 verschmelzen nicht, bis sie sich an dem Spiegel 54 treffen.
Der Verbund-Laserstrahl 48 und das Werkstück 58 werden relativ zueinander durch irgendein geeignetes Mittel bewegt, um eine kontinuierliche Linienschweißung in den gesäumten Schenkeln 14 und 16 der Heckklappenanordnung aus Blechen 10 und 12 zu erzeugen. Die Schweißstelle wird häufig mit einer Schutzatmosphäre aus einem Gas oder einem Gemisch von Gasen geflutet, das/die in Bezug auf das geschmolzene Material und das laserinduzierte Plasmamaterial an der Schweißstelle inert ist/sind. In 3 veranschaulicht Rohr 60 ein Mittel zum Richten der Schutzatmosphäre auf die Stelle an dem Werkstück 58.
Der Grund für die zumindest zeitweilige Verwendung des Verbund-Laserstrahls ist, die Form des Schweißkerns in der kontinuierlichen linienförmigen Schweißung zu verändern, um eine heile, rissfreie Schweißnaht zu erhalten. Indem die Form des Schweißkerns verändert wird, wird die Wärmeübertragung von dem geschmolzenen lokalen Schweißbad in die umgebende Anordnung bei Umgebungstemperatur verändert, und es ist festzustellen, dass das Auftreten von Rissbildung des Schweißkerns bei der Verfestigung merklich vermindert ist. In dem Fall von Schweißungen in Saumblechschenkeln aus Aluminiumlegierungen weist der umgefalzte Schenkel des Außenbleches andere Wärmeübertragungseigenschaften auf als das verdeckte Ende des Innenbleches. Diese Kombination führt augenscheinlich zu Hitzerissbildung in kontinuierlichen linienförmigen Laserschweißungen.
Um eine geeignete Veränderung der Ausgestaltung des linienförmigen Schweißkerns zu erhalten, werden die Leistungspegel von zumindest einem von dem YAG-Laser und dem Kohlendioxidlaser verändert, um eine periodische Schwankung der Energie des Verbund-Laserstrahls zu erzeu gen, die auf die Schweißstelle auftrifft, wenn das Werkstück und der Laserstrahl in Bezug zueinander bewegt werden. Es ist beobachtet worden, dass die Kombination aus einer guten, fokussierten Strahlqualität von dem CO₂-Laser und der guten Absorptionsrate von dem YAG-Laser die Schweißeindringung verbessert und die Porosität vermindert wird. Der fokussierte CO₂-Strahl bildet ein schmales Schlüsselloch aus geschmolzenem Metall, wo dieses Merkmal erwünscht ist. Der diffusere YAG-Laserstrahl erzeugt ein breiteres Schlüsselloch für eine breitere und tiefere Kernbildung und weniger Porosität. Durch Modulieren der Leistung des YAG-Lasers wird der Wärmeeintrag optimiert, um eine Schweißeindringung zu erzeugen, während Schrumpfspannungen vermindert werden.
Bei diesem Beispiel wurde der Leistungspegel des Kohlendioxidlasers für die Bildung der kontinuierlichen linienförmigen Schweißung auf 1 Kilowatt gehalten. Der Leistungspegel des YAG-Lasers wurde über regelmäßige Intervalle von ungefähr 3 Kilowatt bis 0 Kilowatt verändert. Der YAG-Laser wurde wiederholt für 200 ms ein- und für 100 ms ausgeschaltet. Somit lag die Gesamtleistung des Verbund-Strahllasers für ein erstes Intervall von 200 Millisekunden auf einem Pegel von 4 Kilowatt und wurde dann für ein folgendes Intervall von 100 Millisekunden auf einen Pegel von 1 kW reduziert. Diese Veränderung der Leistungspegel des Verbund-Laserstrahls wurde mit 3,3 Hz wiederholt, als die Schweißung gebildet wurde. Der Verbund-Laserstrahl wurde mit einer Geschwindigkeit von 5,5 Metern pro Minute um den Umfang des Werkstücks bewegt. Ein Abschirmungsgas, das aus einem Gemisch von Helium, Stickstoff und Argon bestand, wurde mit einer Geschwindigkeit von 14 Litern pro Minute an die Stelle des auftreffenden Laserstrahls strömen gelassen.
4 veranschaulicht die Leistungspegel der jeweiligen Komponenten des Verbund-Laserstrahls, wobei zu sehen ist, dass der Leistungspegel des CO₂-Lasers während der Anwendung des Laserstrahls auf die Schweißstelle bei einem Kilowatt konstant ist. Bei diesem Beispiel wurde der Leistungspegel des YAG-Lasers über ein Intervall von 200 Millisekunden auf 3 kW gehalten und dann abrupt stufenweise auf 0 Kilowatt abfallen gelassen. Der Prozess des Erhöhens und Verringerns des Leistungspegels des YAG-Laserstrahls wurde durch Anwenden des Verbund-Laserstrahls auf die Heckklappen-Schenkelanordnung fortgesetzt.
Gemäß dieser Ausführungsform eines Schweißens eines gesäumten Schenkels wird der Laserstrahl vorzugsweise auf einem sinusförmigen Weg in Bezug auf den Rand 34 des Außenschenkels 10 und den Rand 18 des Innenschenkels 16 der Schenkelanordnung bewegt, so dass er einen langen, gekrümmten, linienförmigen Schweißkern 62 mit verändertem Querschnitt erzeugt, wie es in 5 veranschaulicht ist. Der Verbund-Laserstrahl 48 wurde gegen die obere Oberfläche 32 des Schenkels 14 des Außenbleches 10 gelenkt, um den langen krummlinigen Schweißkern 62 zu erzeugen. Die Abfolge der Laserleistungseinstellungen und das Vorrücken des Laserstrahls wurden derart gesteuert, dass schmale Kernstreifen 66 näher an dem Rand 18 des Innenschenkels 16 und breite Kernstreifen 64 näher an dem Endabschnitt 34 des Schenkels 14 erzeugt wurden. Mit dieser Schweißstrategie führen die Einschränkungen von dem gebogenen Abschnitt des Schenkels 14 und Schrumpfungsspannungen von dem Kernstreifen 62 nicht zu Rissbildung in der Schweißung.
Somit weist der linienförmige Schweißkern 62 keinen konstanten Querschnitt auf, wie man es durch einen Schnitt an einer Stelle von 2 annehmen könnte und wie es in dem Kern 30 gezeigt ist. Der linienförmige Schweißkern 62 weist abwechselnde breite Kernabschnitte 64 und schmale Kernabschnitte 66 auf. Die breiten Schweißkernabschnitte 64 sind länger als die schmalen Abschnitte 62, da der Hochleistungs-Verbund-Laserstrahl doppelt solange, 200 ms, an war, als der YAG-Laser ausgeschaltet war. Die Unterschiede zwischen den breiten Kernabschnitten 64 und schmalen Kernabschnitten 66 sind an ihren Oberflächenprofilen größer, wie es in 5 veranschaulicht ist. Diese weiteren Unterschiede in der Struktur des krummlinigen linearen Schweißkerns 62 werden in Bezug auf 7 veranschaulicht.
Alternativ kann in einem weiteren Beispiel der Verbund-Laserstrahl auf einem im Allgemeinen geraden Weg in Bezug auf den Rand der mit Schenkelanordnung bewegt werden, wie es in 6 veranschaulicht ist. Ein geradliniger Schweißkern 68 wird mit den abwechselnden kurzen schmalen Kernstreifenabschnitten 70 und längeren breiten Kernstreifenabschnitten 72 erzeugt. Während der Perioden von 100 Millisekunden mit relativ niedriger Leistungsaufbringung (CO₂ + YAG = 1 kW Gesamtlaserausgangsleistung) ist zu sehen, dass der Schweißkern kürzer und dünner ist (Kernabschnitte 70) und über der Dauer von 200 Millisekunden der Aufbringung von hoher Leistung (4 kW Gesamtlaserleistung) die Schweißkerne 72 länger und breiter sind. Die Querschnittsansicht von 7 bestätigt, dass die Gesamtgröße des breiten Kernstreifens 72 größer ist als der Querschnitt des schmalen Kernstreifens 70. Es ist festzustellen, dass eine geeignete Veränderung der Größe der Schweißkernstreifenabschnitte starke Schweißungen ohne Hitzerisse erzeugt.
Es ist festzustellen, dass für unterschiedliche Metalllegierungen und unterschiedliche Dicken der zu befestigenden Blechstücke unterschiedliche Leistungspegel der Bestandteile des Verbund-Laserstrahls zu benutzen sind. Bei diesem Beispiel wurde der Leistungspegel des besser fokussierten, längerwelligen Kohlendioxidlaserstrahls für seine beständige Energieaufbringung im Verlaufe des Schweißens auf einem recht konstanten Pegel gehalten. Der Leistungspegel des weniger fokussierbaren YAG-Laserstrahlbestandteils wurde durch Ein- und Ausschalten desselben verändert. Der Betrag an Veränderung und die Leistungspegel der Laserstrahlen können experimentell bestimmt werden. Bei jeder Schweißeinstellung werden die Pegel natürlich derart eingestellt, dass eine starke wirksame Schweißung erzeugt, aber die Bildung von Rissen in dem Schweißkern während seiner Verfestigung vermieden wird.
Im Allgemeinen wird die praktische Ausführung der Erfindung auf kontinuierliche linienförmige Schweißungen, die gerade oder nicht gerade sind, angewandt. Aber die Verwendung von Verbund-Laserschweißstrahlen könnte auch vorteilhaft bei der Bildung von Schweißungen in einer abschnittsweisen oder unterbrochenen linearen Abfolge verwendet werden.
Zusammengefasst wird eine Hitzerissbildung in Laserschweißungen, die in Metallwerkstücken, insbesondere aus Aluminium- oder Magnesiumblechlegierungen, erzeugt werden, vermieden, indem die Strahlen von zwei unterschiedlichen Lasern, beispielsweise einem CO₂-Laser und einem YAG-Laser, geeignet zu einem Verbundstrahl kombiniert werden, der entlang eines Schweißweges in der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird. Der Leistungspegel von zumindest einem der Laser wird zyklisch verändert, so dass Schweißkernsegmente mit unterschiedlichen, abwech selnden, hitzerissfreien Ausgestaltungen in einer linienförmigen Schweißung erzeugt werden.

Claims

Verfahren zum Bilden einer Schweißung entlang eines Schweißweges in der Oberfläche eines Metallwerkstücks (58), wobei das Verfahren umfasst, dass: der Strahl (44) eines ersten Lasers (40) bei einem ersten Laserleistungspegel mit dem Strahl (46) eines zweiten Lasers (42) bei einem zweiten Laserleistungspegel zu einem Verbundstrahl (48) kombiniert wird, der Verbundstrahl (48) auf das Werkstück (58) gerichtet wird, der Verbundstrahl (48) relativ zu dem Werkstück (58) entlang des Schweißweges bewegt wird, und zumindest einer von dem ersten Leistungspegel und dem zweiten Leistungspegel während der Bewegung des Verbundstrahls (48) verändert wird, dadurch gekennzeichnet dass die ersten und zweiten Laserleistungspegel gesteuert werden, um Schweißkernsegmente (64, 66; 70, 72), die einen umgefalzten Abschnitt (32, 34) eines ersten Blechschenkels (14) und einen zweiten Blechschenkel (16) verbinden, entlang des Schweißweges mit variierender Breite und Tiefe und frei von Hitzerissbildung zu erzeugen, wobei die Schweißsegmente (64, 66; 70, 72) sich vollständig durch den ersten Blechschenkel (14) und zumindest teilweise durch den zweite Blechschenkel (16) erstrecken.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserleistungspegel während des Bildens der Schweißung auf einem vorbestimmten konstanten Pegel gehalten wird, und der zweite Laserleistungspegel zwischen ersten und zweiten vorbestimmten Leistungspegeln verändert wird, wobei einer von den ersten und zweiten Leistungspegeln eine Leistung von Null sein kann.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserleistungspegel während der Bildung der Schweißung zyklisch zwischen den beiden Leistungspegeln verändert wird.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallwerkstück (58) zumindest zwei Blechlagen (10, 12) aus einer Leichtmetalllegierung umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen besteht.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laser ein Kohlendioxid-Gaslaser (40) ist und der zweite Laser ein Neodym:YAG-Laser (42) ist.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10, 12, 58) den ersten Blechschenkel (14) umfasst, der über den Rand (18) des zweiten Blechschenkels (16) in einer Saumanordnung gefalzt wird, und der Verbund-Laserstrahl (48) auf den umgefalzten Abschnitt (32, 34) des ersten Blechschenkels (14) entlang eines Schweißweges, der von dem Rand (18) des zweiten Blechschenkels (16) beabstandet ist, gerichtet wird.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung entlang eines linienförmigen Schweißweges in der Oberfläche eines Werkstücks (58) aus einer Blechlegierung, wobei das Metallwerkstück aus einer Metalllegierung gebildet ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen besteht, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: der Strahl (44) eines ersten Lasers (40) bei einem ersten Laserleistungspegel mit dem Strahl (46) eines zweiten Lasers (42) bei einem zweiten Laserleistungspegel zu einem Verbundstrahl (48) kombiniert wird, der Verbundstrahl (48) auf das Werkstück (58) gerichtet wird, der Verbundstrahl (48) relativ zu dem Werkstück (58) entlang des linienförmigen Schweißweges bewegt wird, und zumindest einer von dem ersten Laserleistungspegel und dem zweiten Laserleistungspegel während der Bewegung des Verbundstrahls (48) verändert wird, um eine zyklische Veränderung des Volumens des Schweißbadmaterials, das entlang des Schweißweges erzeugt wird, zu bewirken dadurch gekennzeichnet dass die ersten und zweiten Laserleistungspegel gesteuert werden, um Schweißkernsegmente (64, 66; 70, 72), die einen umgefalzten Abschnitt (32, 34) eines ersten Blechschenkels (14) und einen zweiten Blechschenkel (16) verbinden, entlang des Schweißweges mit variierender Breite und Tiefe und frei von Hitzerissbildung zu erzeugen, wobei die Schweißsegmente (64, 66; 70, 72) sich vollständig durch den ersten Blechschenkel (14) und zumindest teilweise durch den zweite Blechschenkel (16) erstrecken.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (44) eines Kohlendioxidlasers (40) auf einem Kohlendioxidlaser-Leistungspegel mit dem Strahl (46) eines zweiten Lasers (42) bei einem zweiten Laserleistungspegel zu einem Verbundstrahl (48) kombiniert wird, und der Kohlendioxidlaser-Leistungspegel bei einem Kohlendioxidlaser-Leistungswert gehalten wird, während der zweite Laserleistungspegel von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert verändert wird, wobei die Kombination aus dem Kohlendioxidlaser-Leistungspegel mit dem veränderten zweiten Laserleistungspegel Schweißkernsegmente (64, 66; 70, 72) entlang des Schweißweges mit abwechselnden unterschiedlichen Ausgestaltungen erzeugt, die frei von Hitzerissen sind.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laser ein YAG-Laser (42) ist und der Leistungspegel des YAG-Lasers (42) von einem ersten Wert, der höher als der Kohlendioxidlaser-Leistungspegel ist, auf einen zweiten Wert, der niedriger als der Kohlendioxidlaser-Leistungspegel ist, verändert wird.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung in einer Anordnung, das umfasst, dass der Rand (34) eines ersten Blechschenkels (14) über den Rand (18) eines zweiten Blechschenkels (16) gefalzt wird, wobei der Rand (18) des zweiten Blechschenkels (16) in dem umgefalzten Abschnitt (34) des ersten Blechschenkels (14) und dem nicht gefalzten Blechabschnitt des ersten Blechschenkels (14) eingeschlossen wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass der Strahl (44) eines ersten Lasers (40) bei einem ersten Laserleistungspegel mit dem Strahl (46) eines zweiten Lasers (42) bei einem zweiten Laserleistungspegel zu einem Verbundstrahl (48) kombiniert wird, der Verbundstrahl (48) auf die Oberfläche (32) des umgefalzten Abschnittes (34) des ersten Blechschenkels (14) gelenkt wird, und der Verbundstrahl (48) entlang der Oberfläche (32) auf einem linienförmigen Schweißweg bewegt wird, dadurch gekennzeichnet dass zumindest einer von dem ersten Laserleistungspegel und dem zweiten Laserleistungspegel während der Bewegung des Verbundstrahls (48) verändert wird, um Schweißkernsegmente (64, 66; 70, 72), die den umgefalzten Abschnitt (34) des ersten Blechschenkels (14) und den zweiten Blechschenkel (16) verbinden, entlang des Schweißweges mit variierender Breite und Tiefe und frei von Hitzerissbildung zu erzeugen.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Blechschenkel (14, 16) aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden, und der erste Laserstrahl von einem Kohlendioxidlaser (40) stammt und der zweite Laserstrahl von einem YAG-Laser (42) stammt.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl eines Kohlendioxidlasers (40) bei einem Kohlendioxidlaser-Leistungspegel mit dem Strahl eines YAG-Lasers (42) bei einem YAG-Laserleistungspegel zu einem Verbundstrahl (48) kombiniert wird, und der Kohlendioxidlaser-Leistungspegel bei einem Kohlendioxidlaser-Leistungswert gehalten wird, während der YAG-Laser-Leistungspegel von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert verändert wird, wobei der zweite Wert eine Leistung von Null sein kann, wobei die Kombination aus dem Kohlendioxidlaser-Leistungspegel mit den veränderten YAG-Laserleistungspegeln Schweißkernsegmente (64, 66; 70, 72) entlang des Schweißweges mit abwechselnden unterschiedlichen Ausgestaltungen, die frei von Hitzerissen sind, erzeugt.
Verfahren zum Bilden einer Schweißung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundstrahl (48) entlang der Oberfläche (32) auf einem sinusförmigen Schweißweg mit ersten abwechselnden Spitzenabschnitten (64) in Richtung des Randes (34) des ersten Blechschenkels (14) und zweiten abwechselnden Spitzenabschnitten (66) entfernt von dem Rand (34) bewegt wird, und zumindest einer von dem ersten Laserleistungspegel und dem zweiten Laserleistungspegel verändert wird, um abwechselnde größere Schweißkernsegmente (64) bei den ersten abwechselnden Spitzen abschnitten und kleinere Schweißkernsegmente (66) bei den zweiten abwechselnden Spitzenabschnitten zu erzeugen.