Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei alu miniumhaltigen Bauteilen, wobei die Bauteile jeweils einen Gehalt von wenigstens 75 Gew% Aluminium aufweisen, wobei das Verschweißen als Laserschweißen im Tiefschweißregime erfolgt, wobei ein Ausgangslaserstrahl auf mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird, die auf die Bauteile gerichtet werden, sodass an einer Oberfläche der Bauteile mehrere Laserspots erzeugt werden, wobei die mehreren Laserspots an der Oberfläche der Bauteile eine Schweißkontur abfahren, und wobei Laserspot- Zentren von wenigstens drei Laserspots der mehreren Laserspots in einer Ringfor- mation angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine mit diesem Verfahren hergestellte Bauteil- Anordnung sowie eine Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen.

Das eingangs genannte Verfahren ist aus der DE 10 2016 124 924 Al bekannt geworden. In der Elektromobilität müssen für zahlreiche Anwendungsfälle Bauteile gefügt werden, welche gegenüber verschiedenen Medien dicht ausgebildet sind. Typische Medien, gegenüber denen eine Mediendichtigkeit hergestellt werden muss, sind beispielsweise Kühlflüssigkeiten oder auch Schutzgase, um eine geeignete Atmo sphäre für empfindliche Komponenten zu schaffen.

In der Elektromobilität sind, insbesondere aufgrund des geringen spezifischen Ge wichts, Bauteile basierend auf Aluminiumwerkstoffen von großer Bedeutung. Um aluminiumhaltige Bauteile mediendicht zu fügen, wird bislang vorwiegend Löten eingesetzt. Beim Löten muss zum Erzeugen der Lötverbindung ein Lot zugeführt werden. Das Löten ist vergleichsweise aufwändig und schwierig; zudem können Lötverbindungen korrosionsanfällig sein. Weiterhin ist es möglich, aluminiumhal tige Bauteile miteinander zu verkleben, um diese mediendicht zu fügen. Auch das Kleben ist vergleichsweise aufwändig und erfordert oft lange Aushärtungsprozesse, und die Klebestelle kann gegenüber hohen Temperaturen empfindlich sein.

Schweißen ist ein Fügeverfahren, mit dem zwei Werkstücke dauerhaft miteinander verbunden werden können. Laserschweißen wird meist eingesetzt, wenn mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit gerin gem thermischem Verzug geschweißt werden soll. Beim Laserschweißen erfolgt die Energiezufuhr über einen Laserstrahl. Zur Erzielung einer hohen Schweißge schwindigkeit erfolgt das Laserschweißen bevorzugt im Tiefschweißregime, wobei sich eine Dampfkapillare (Keyhole) im Bauteilmaterial ausbildet.

Das Laserschweißen von mediendichten Schweißnähten bei aluminiumhaltigen Bauteilen ist jedoch schwierig. Aluminiumhaltige Werkstücke neigen beim Laser schweißen zu starken Turbulenzen des Schmelzbades. Diese Turbulenzen führen zu einer ungleichmäßigen Erstarrung der Schweißnaht. Als Folge kann es zu Nahteinfällen, Randkerben oder Löchern bei der Schweißnaht kommen. Durch die zuvor genannten Probleme in Kombination mit Rissen und Poren an der Schweiß naht können Undichtigkeiten an der Schweißnaht entstehen, so dass die ver schweißten Bauteile für Anwendungen, bei denen es auf Mediendichtheit an kommt, nicht geeignet sind. Außerdem kommt es durch die starken Turbulenzen des Schmelzbades beim Laserschweißen oft zu starker Bildung von Schweißsprit zern, die die Umgebung verunreinigen und zu Materialverlust an der Schweißnaht führen.

Aus der DE 10 2010 003 750 Al ist es bekannt, die Strahl profilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser zu verändern. Hierbei kann ein La serstrahl mit einem Kernanteil und einem Ringanteil erzeugt werden.

Aus der DE 10 2016 124 924 Al ist eine Laserschweißvorrichtung bekannt gewor den, die zum Verschweißen einer Dichtungsplatte auf einem Gehäusekörper einer Batterie eingesetzt werden kann, wobei der Gehäusekörper und die Dichtungs platte aus Aluminium gefertigt sind. Ein kollimierter Laserstrahl wird über eine Umformeinrichtung geleitet, die ein diffraktives optisches Element (DOE) mit einer Öffnung umfasst. Mit dem DOE kann ein einfallender Laserstrahl auf mehrere Teil strahlen aufgeteilt werden, beispielsweise auf vier Teilstrahlen, die gemäß den Ecken eines Quadrats angeordnet sind. Je nach Überlapp des kollimierten Laser strahls mit dem DOE oder seiner Öffnung wird ein Teil des kollimierten Laserstrahls mit dem DOE auf die Teilstrahlen aufgeteilt, oder bleibt beim Passieren der Öffnung unverformt. Es hat sich mithin in der Praxis gezeigt, dass verschweißte aluminiumhaltige Bau teile oftmals Fehlstellen aufweisen und nicht mediendicht sind.

Aufgabe der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur schnellen und gleichzeitig kostengünstigen Herstellung einer besonders zuverlässig mediendichten Schweiß verbindung zu schaffen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Schweißverbindung und eine Bauteil-Anordnung mit einer solchen mediendichten Schweißverbindung zu schaffen. Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentan spruch 1, eine Bauteil-Anordnung gemäß Patentanspruch 10 sowie eine Vorrich- tung gemäß Patentanspruch 11. Die abhängigen Patentansprüche geben bevor zugte Weiterbildungen wieder.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit durch ein eingangs genanntes Verfah ren gelöst, wobei der Ausgangslaserstrahl mittels einer Multifaser, insbesondere einer 2-in-l-Faser, erzeugt wird, sodass die mehreren Laserspots an der Oberflä che der Bauteile jeweils einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweisen, wobei das Abfahren der Schweißkontur zumindest abschnittsweise durch eine Scanner optik mit einem gesteuert verschwenkten ersten Spiegel erfolgt. Die Scanneroptik dient dem schnellen und kosteneffizienten Ablenken des Aus gangslaserstrahls. Die Scanneroptik ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Schweißkontur einen kurvigen oder eckigen Abschnitt aufweist. In kurvigen oder eckigen Abschnitten muss bei rein mechanischer Verschiebung der Bauteile und/oder eines Laserkopfs ein Abbremsen erfolgen, das die Qualität der Schweiß- kontur beeinflussen kann. Ein solches Abbremsen kann mit der Scanneroptik ver mieden werden.

Die Erfindung schlägt vor, zum Verschweißen von aluminiumhaltigen Bauteilen einen Ausgangslaserstrahl auf mehrere Teilstrahlen und entsprechend mehrere Laserspots auf der Werkstückoberfläche aufzuteilen. Zumindest ein Teil der La serspots (meist alle Laserspots oder alle Laserspots bis auf einen Laserspot) sind an der Werkstückoberfläche in einer Ringformation angeordnet. Zudem ist eine Strahlformung des Ausgangslaserstrahls mit einer Multifaser, bevorzugt einer 2- in-l-Faser, vorgesehen, durch die im Ausgangslaserstrahl und in den Teilstrah- len, und damit in den einzelnen Laserspots, jeweils eine Aufteilung der Laserleis tung auf einen Kernanteil mit höherer Leistungsdichte und einen Ringanteil mit niedrigerer Leistungsdichte erfolgt (im Falle der 2-in-l-Faser als „2-in-l-Technik" bezeichnet). Die Multifaser umfasst eine zentrale Kernfaser und eine oder meh rere Ringfasern, die die Kernfaser ringförmig umgeben. Aus der Kernfaser resul tiert der Kernanteil, und aus der einen oder den mehreren Ringfasern resultiert der Ringanteil (im Falle mehrerer Ringfasern umfasst der Ringanteil dabei meh- rere Einzelringanteile, die insgesamt dann den Ringanteil bilden). Durch die Ge samtheit dieser Maßnahmen ist es erfindungsgemäß möglich, ein qualitativ hoch wertiges Laserschweißen von aluminiumhaltigen Bauteilen zu erreichen, und ins besondere eine porenarme und mediendichte Schweißnaht zu erhalten. Bei Verwendung eines einzelnen Laserspots (Single Spot) führt bei aluminiumhal tigen Bauteilen die 2-in-l-Technik zwar zu einer gewissen Reduktion der Spritzerbildung im Vergleich zur Single-Spot-Technik mit herkömmlichem (unver formtem) Laserstrahl, aber die verbleibenden Instabilitäten in den aluminiumhal tigen Bauteilen bewirken nach wie vor, dass die erhaltene Schweißnaht in der Regel nicht mediendicht ist. Es kommt aufgrund der spezifischen Eigenschaften des Aluminiums im Bauteilmaterial weiterhin zu starken Turbulenzen beim Schweißen im Schmelzbad. Möglicherweise ist das Keyhole bei einem einzigen Strahl im Vergleich zum erzeugten Schmelzbad zu klein. Es entstehen insbeson dere viele Poren, die dann die Schweißnaht mediendurchlässig machen.

Überraschenderweise konnten jedoch bei Verwendung einer Multifaser bzw. der 2-in-l-Technik mit mehreren Laserspots in Ringanordnung besonders stabile Keyholes beim Laserschweißen von aluminiumhaltigen Bauteilen erhalten wer den. Es können im Rahmen der Erfindung größere Keyholes (im Vergleich zu ein- zelnen Keyholes bei einzelnen Laserspots) erreicht werden; diese sind stabiler und kollabieren nicht. Stattdessen kann die Schmelze durch die größeren Keyho les zuverlässiger verdrängt werden. Eine homogene Erstarrung der Schweißnaht kann erreicht werden. Die Laserspot-Zentren der jeweils (in der Ringformation aufeinanderfolgen den/benachbarten) Laserspots der Ringformation können gedanklich entspre chend einem Polygon miteinander verbunden werden, in welchem eine Innenflä che (Polygonfläche) eingeschlossen ist. Im Bereich dieser Polygonfläche kann das erfindungsgemäße Tiefschweißen in den aluminiumhaltigen Bauteilen im Wesent lichen stattfinden.

Das Laserschweißen gemäß der Erfindung erzeugt ein besonders großes Schmel- zevolumen, insbesondere auch vorauslaufend zu einer jeweiligen Dampfkapillare (Keyhole); insbesondere können die (bzgl. der Ringformation) nach außen gele genen Teilbereiche der Ringanteile das Schmelzevolumen erhöhen. Die Laser spots können dabei eine gemeinsame Schmelze ausbilden. Das vorauslaufende, besonders große Schmelzevolumen kann die Dynamik der Schmelze und dadurch Turbulenzen reduzieren.

Im Rahmen der Erfindung können zudem besonders große Keyholes eingerichtet werden und die Keyhole-Geometrie ändert sich (im Vergleich zu einem Keyhole im Falle von Single-Spot), und das Absorptionsverhalten der Laserstrahlung ändert sich entsprechend. Insbesondere kann ein gemeinsames Keyhole durch alle Laser spots bzw. Teilstrahlen zusammen ausgebildet werden. Die Schmelze kann dann beim Fortschreiten des Schweißprozesses um die jeweilige Dampfkapillare herum fließen. Insgesamt kann eine besonders hohe Keyhole-Stabilität erreicht werden. Es sind hohe Schweißgeschwindigkeiten bei guter Nahtqualität möglich, und ins besondere können problemlos mediendichte Schweißnähte der aluminiumhaltigen Schweißnähte erzeugt werden, insbesondere im Stumpfstoß. Besonders bevorzugt wird dabei in ein Bauteil ein Deckel eingelegt und im Stumpfstoß geschweißt.. Durch die Anordnung von wenigstens drei Laserspots in einer Ringformation kann die Richtungsabhängigkeit des Schweißprozesses verringert werden. Mit vier oder mehr Laserspots in der Ringformation ist (bei symmetrischer Anordnung der La serspots) der Schweißprozess bereits weitgehend richtungsunabhängig. Zudem kann die Ringformation ein gemeinsames Keyhole der aluminiumhaltigen Bauteile sehr gut stabilisieren. Die Gesamtheit der Laserspots auf der Werkstückoberfläche) wird hier als das Schweißbild bezeichnet. Die Erzeugung der Teilstrahlen erfolgt typischerweise dadurch, dass der Ausgangs laserstrahl zwischen einer Kollimationsoptik und einer Fokussieroptik über ein oder mehrere optische Elemente geleitet wird, die zumindest in einen Teil des Strahl querschnitts des Ausgangslaserstrahls einragen. Typische optische Elemente zu diesem Zweck sind Keilplatten; es können aber auch andere diffraktive und refrak- tive optische Elemente eingesetzt werden. In einer bevorzugten Variante werden zwei Bifokaleinsätze eingesetzt, die in einem Winkel von 90° zueinander angeord net sind. Ebenso ist es möglich, als optisches Element eine Facettenplatte einzu setzen, die entsprechend der gewünschten Anzahl von Laserspots der Ringforma- tion über ringförmig angeordnete Facetten (Außenfacetten) verfügt, die gegenüber einer Grundebene, die quer zur Strahlausbreitungsrichtung verläuft, um einen Winkel ß abgewinkelt (angeschrägt) sind, typischerweise mit 0<ß<0,50°, oft ß<0,25°. Die Außenfacetten sind typischerweise zueinander um 360°/N, mit N: Anzahl der Laserspots in der Ringformation, gegeneinander um eine zentrale Achse (optische Achse der Facettenplatte, entsprechend der Strahlausbreitungsrichtung) rotiert. Falls auch ein zentraler Laserspot erwünscht ist, kann eine weitere Facette (Zentralfacette) vorgesehen sein, die parallel zur Grundebene liegt, wobei die Au ßenfacetten nach radial innen an die Zentralfacette angrenzen. Die Zentralfacette ist typischerweise als regelmäßiges Polygon ausgebildet. Falls kein zentraler La- serspot erwünscht ist, können die Außenfacetten radial innen einfach in einem gemeinsamen Zentralpunkt Zusammenstößen. Mit einer Facettenplatte kann eine grundsätzlich beliebige Anzahl von Laserspots erzeugt werden, entsprechend der Ausbildung der Facettenplatte. Die Laserspots weisen typischerweise eine gleiche Größe auf. Typischerweise ent fällt auf die Laserspots der Ringformation jeweils eine gleiche Laserleistung. Die Laserspots der Ringformation besitzen typischerweise bezüglich ihrer Laserspot- Zentren einen gleichen Abstand (Radius) zu einem gemeinsamen Zentrum (Schwerpunkt) der Gesamtheit der Laserspots.

Das Verfahren ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Leis tungsdichte im Kernanteil höher ist als eine mittlere Leistungsdichte im Ringanteil. Die Leistungsanteile von Kernanteil und Ringanteil bei einem jeweiligen Laserspot können über den Anteil des Ausgangslaserstrahls, der jeweils in die Kernfaser und die eine oder die mehreren Ringfasern der Multifaser eingeleitet werden, einge stellt werden. Meist ist die mittlere Leistungsdichte im Kernanteil wenigstens 2- mal, oft wenigstens 4-mal, so hoch wie im Ringanteil. Die (äußeren) Grenzen von Kernanteil und Ringanteil können bestimmt werden als der Ort, an dem die lokale Leistungsdichte geringer ist als die Hälfte der mittleren Leistungsdichte im Kern anteil oder Ringanteil, im Falle mehrerer Ringfasern im äußersten Einzelringanteil; bei näherungsweise einheitlicher Leistungsdichte innerhalb des Kernanteils und Ringanteils, bei mehreren Ringfasern des äußersten Einzelringanteils, entspricht dies einem FWHM-Kriterium. Die Durchmesser bzw. deren Verhältnisse der Kern faser und der (äußersten) Ringfaser am abgebildeten Faserende bestimmen die Durchmesser bzw. deren Verhältnisse von Kernanteil und Ringanteil in einem je weiligen Laserspot. Das Abbildungsverhältnis und damit die absolute Größe der Laserspots kann über die Kollimieroptik und die Fokussieroptik gewählt bzw. ein gestellt werden.

Die Schweißkontur wird von den Laserspots kontinuierlich entlang ihres Verlaufs abgefahren, typischerweise mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit). Dadurch entsteht die (mediendichte) Schweißnaht. Man beachte, dass sich beim Abfahren der Schweißkontur die lokale Vorschubrich tung (Schweißrichtung) ändern kann, und dadurch auch die Orientierung des Schweißbildes zur lokalen Vorschubrichtung. Durch die erfindungsgemäße, zumin dest weitgehende Richtungsunabhängigkeit des Schweißbildes sind solche Ände rungen der lokalen Vorschubrichtung beim erfindungsgemäßen Verschweißen der Bauteile weitgehend unkritisch.

Die Schweißkontur kann im Stumpfstoß, als Kehlnaht oder Überlappnaht ausgebil det sein. Das Laserschweißen kann als Einschweißen betrieben werden, oder auch als Durchschweißen. Bevorzugt erfolgt das Verschweißen der aluminiumhaltigen Bauteile als Einschweißen im Stumpfstoß, und besonders bevorzugt als Einschwei ßen im Überlappstoß. Man beachte, dass der Begriff der Bauteile, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung miteinander verschweißt werden, lokal bezüglich des Laserschweißvorgangs zu verstehen ist; entsprechend können die zu verschwei ßenden Bauteile vor dem Laserschweißen separat sein, oder bereits unabhängig von der zu schweißenden Verbindung miteinander verbunden sein. Besonders bevorzugt wird die Schweißkontur überwiegend, insbesondere vollstän dig, durch die Scanneroptik mit dem gesteuert verschwenkten ersten Spiegel ab gefahren.

Vorzugsweise erfolgt die Ablenkung des Ausgangslaserstrahls durch die Scanner- optik beim Abfahren der Schweißkontur zusätzlich zum ersten Spiegel durch einen gesteuert verschwenkten zweiten Spiegel. Der erste Spiegel kann den Ausgangs strahl in einer ersten lateralen Richtung (X-Richtung) auslenken, der zweite Spie gel kann den Ausgangsstrahl in einer zweiten lateralen Richtung (Y-Richtung) aus lenken. Durch die Aufteilung der Bewegung in X-Richtung am ersten Spiegel und in Y-Richtung am zweiten Spiegel kann die Ablenkung mit sehr hoher Geschwin digkeit erfolgen.

Die Ablenkung des Ausgangslaserstrahls durch die Scanneroptik erfolgt in vorteil hafter konstruktiver Ausgestaltung vorzugsweise nach einem Kollimieren des Aus- gangslaserstrahls und vor einem Fokussieren des Ausgangslaserstrahls.

Ferner kann die Aufteilung des Ausgangslaserstrahls auf mehrere Teilstrahlen vor der Ablenkung des Ausgangslaserstrahls durch die Scanneroptik erfolgen. Nach einem ersten Abfahren der Schweißkontur kann die Schweißkontur zumin dest teilweise ein zweites Mal abgefahren werden, wobei auch das zweite Abfahren der Schweißkontur durch die Scanneroptik erfolgt.

Vorzugsweise wird die Schweißkontur beim zweiten Abfahren vollständig abgefah- ren. Hierdurch wird auf einfache Art und Weise eine vollständig mediendichte Schweißkontur erreicht und das Verfahren vereinfacht.

Die Bauteile weisen vorzugsweise wenigstens 90 Gew% Aluminium auf. Ein Bauteil kann Aluminiumdruckguss oder eine Aluminium-Knetlegierung aufwei sen. Vorzugsweise besteht ein Bauteil aus Aluminiumdruckguss oder einer Alumi- nium-Knetlegierung. Weiter bevorzugt besteht ein Bauteil aus Aluminiumdruck- guss und das andere Bauteile aus einer Aluminium-Knetlegierung. Derlei Bauteil kombinationen sind ohne das erfindungsgemäße Verfahren praktisch nicht medi endicht auf produktive Art und Weise schweiß-verbindbar.

Als Aluminium-Knetlegierung wird vorzugsweise eine AI 1XXX, 3XXX, 5XXX, 6XXX Legierung eingesetzt.

Das zweite Abfahren soll vorzugsweise weniger Material aufschmelzen als das erste Abfahren. In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das zweite Abfahren daher mit geringerer Leistung und/oder höherer Vorschubgeschwindig- keit als das erste Abfahren. Das zweite Abfahren erfolgt vorzugsweise mit 2% bis 20%, insbesondere mit 5% bis 15%, besonders bevorzugt mit 8% bis 12%, weni ger Leistung pro Laserspot als das erste Abfahren. Das zweite Abfahren erfolgt vorzugsweise mit 2% bis 20%, insbesondere mit 5% bis 15%, besonders bevor zugt mit 8% bis 12%, höherer Vorschubgeschwindigkeit als das erste Abfahren.

Ein lateraler Offset beim zweiten Abfahren beträgt vorzugsweise gegenüber dem ersten Abfahren weniger als 20mm, insbesondere weniger als 10mm, besonders bevorzugt weniger als 5mm. Weiter bevorzugt werden die übrigen Parameter beim zweiten Abfahren gegenüber dem ersten Abfahren gleich gewählt. Die beim ersten Abfahren erstellte Schweiß kontur wird dadurch vollständig oder nahezu vollständig aufgeschmolzen und ho mogenisiert. Die Einschweißtiefe beträgt vorzugsweise weniger als 10mm. Vorzugsweise be trägt die Einschweißtiefe weniger als 4mm, insbesondere zwischen 1mm und 3mm. Die zweifach abgefahrene Schweißkontur kann von einem optischen Sensor auf genommen und Fehlstellen können detektiert werden. Eventuelle Fehlstellen kön nen dadurch erkannt und behoben werden. Durch die Begutachtung der Schweiß kontur kann aufwändiges Handling, insbesondere Ausspannen, Prüfung und erneu- tes Einspannen der Bauteile, vermieden werden.

Der optische Sensor kann in Form einer Kamera oder einer Photodiode ausgebildet sein. Das Erstellen der Aufnahme kann im unmittelbaren Anschluss an das zweite Ab fahren der Schweißkontur erfolgen. Durch das Erstellen der Aufnahme im unmit telbaren Anschluss an das zweite Abfahren der Schweißkontur kann das Prozess leuchten beim zweiten Abfahren detektiert und bewertet werden. Der Strahlengang des optischen Sensors kann dabei koaxial zum Strahlengang des Ausgangslaserstrahls verlaufen, sodass das Verfahren konstruktiv besonders ein fach umsetzbar ist.

Nach dem zweiten Abfahren kann die Schweißkontur zumindest teilweise ein drit- tes Mal abgefahren werden. Durch ein drittes Abfahren kann eine besonders me diendichte, vorzugsweise besonders gasdichte, Schweißverbindung geschaffen werden.

Das dritte Abfahren erfolgt vorzugsweise nur dann, wenn nach dem zweiten Ab- fahren zumindest eine Fehlstelle erkannt wurde.

Um das Verfahren zu vereinfachen, wird die Schweißkontur beim dritten Abfahren vorzugsweise vollständig abgefahren. Die Einschweißtiefe wird beim dritten Abfahren vorzugsweise im Wesentlichen gleich gewählt wie beim zweiten Abfahren. In bevorzugter Ausgestaltung der Er findung erfolgt das dritte Abfahren daher bis aus ±10%, insbesondere bis auf ±5%, besonders bevorzugt bis auf ±2%, mit denselben Parametern wie das zweite Abfahren. Das dritte Abfahren kann auch mit höherer Leistung als das zweite Ab fahren erfolgen, jedoch dann vorzugsweise mit entsprechend höherer Vorschub geschwindigkeit. In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens er folgt das erste Abfahren mit gewählten Parametern, das zweite Abfahren mit ge ringerer Leistung, aber gleicher Vorschubgeschwindigkeit (wodurch beim zweiten Abfahren eine geringere Einschweißtiefe als beim ersten Abfahren erzielt wird) und das dritte Abfahren mit höherer Vorschubgeschwindigkeit und höherer Leistung als das zweite Abfahren (wodurch eine im Wesentlichen gleiche Einschweißtiefe wie beim zweiten Abfahren erzielt wird).

Die dreifach abgefahrene Schweißkontur kann von einem optischen Sensor aufge nommen werden und Fehlstellen können detektiert werden. Bei dem optischen Sensor handelt es sich vorzugsweise um denselben optischen Sensor, mit dem die zweifach abgefahrene Schweißkontur aufgenommen wurde. Typischerweise wer den spätestens nach dem dritten Abfahren keine Fehlstellen mehr detektiert, so- dass die verschweißten Bauteile durch die optische Begutachtung als Gutteil zerti fiziert werden können.

Das Erstellen der Aufnahme erfolgt vorzugsweise beim dritten Abfahren der Schweißkontur. Besonders bevorzugt erfolgt das Erstellen der Aufnahme beim drit ten Abfahren der Schweißkontur auf die gleiche Art und Weise wie beim zweiten Abfahren der Schweißkontur. Hierdurch können Programmieraufwand und Pro- zesskomplexität signifikant reduziert werden.

Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschweißen von aluminiumhaltigen Bauteilen, die vorsieht, dass die wenigstens zwei Bauteile im Stumpfstoß miteinander verschweißt werden, und dass das Laserschweißen er- folgt als Einschweißen, wobei die Einschweißtiefe einer Deckeldicke oder mindes tens 75% einer Deckeldicke entspricht,

Alternativ als Überlapp: als Einschweißen, wobei das Einschweißen in wenigstens 10% einer Bauteil dicke des untersten Bauteils des Überlappstoßes erfolgt, oder als Durchschweißen durch alle Bauteile des Überlappstoßes. Das Verschwei ßen im Überlappstoß hat sich in der Praxis für die Fertigung von mediendich- ten Schweißnähten besonders bewährt, vor allem wenn dies als Einschweißen erfolgt. Durch das Einschweißen kann durch das Belassen von festem Material des untersten Bauteils eine zuverlässige Abdichtung eingerichtet werden.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der sich eine gemeinsame Dampfkapil- lare aller Laserspots in den Bauteilen ausbildet, die von einem gemeinsamen Schmelzbad umgeben ist. Die gemeinsame Dampfkapillare ist ein zusammenhän gender Raum in den zu verschweißenden Bauteilen, in welchem sich Metalldampf befindet, und der von flüssiger Schmelze umgeben ist; die Dampfkapillaren der einzelnen Laserspots (wenn sie isoliert verwendet würden) vereinigen sich zu die- sem zusammenhängendem Raum. Die gemeinsame Dampfkapillare (gemeinsa mes Keyhole) kann durch eine geeignete Verfahrensführung, insbesondere einen nicht zu großen Abstand der Laserspots der Ringformation, eingerichtet werden. Das gemeinsame Keyhole ist deutlich größer als ein Keyhole, das mit einem ein zelnen Laserstrahl (Single Spot) erzeugt werden könnte. Das größere und geomet- risch dann auch anders geformte Keyhole beeinflusst das Absorptionsverhalten der eingestrahlten Laserstrahlung. Mehrere Intensitätsspitzen, entsprechend den mehreren Laserspots der Ringformation, sind entsprechend der Ringformation am gemeinsamen Keyhole ringförmig verteilt angeordnet; hinzu kann weiterhin eine Intensitätsspitze eines weiteren Laserspots in der Mitte der Ringformation kom- men. Ein Keyhole ist am Ort einer lokalen Intensitätsspitzen besonders stabil; durch die mehreren Intensitätsspitzen am gemeinsamen Keyhole wird eine Stabi lisierung des gemeinsamen, großen Keyhole insgesamt erreicht. Im Gegensatz dazu kann bei einem Single-Spot Keyhole nur der Bereich einer einzigen Intensi tätsspitze stabilisiert werden. Die gemeinsame Dampfkapillare ragt (im Falle eines Überlappstoßes) bevorzugt so tief ein, dass auch an einer Grenzfläche zwischen den überlappenden, zu verschweißenden Bauteilen der Querschnitt der gemeinsa men Dampfkapillare eine zusammenhängende Fläche bildet. Weiterhin ragt (im Allgemeinen) die gemeinsame Dampfkapillare bevorzugt so tief ein, dass die ge meinsame Dampfkapillare auf Höhe der Hälfte der maximalen Tiefe aller Teilstücke der gemeinsamen Dampfkapillare die gemeinsame Dampfkapillare im Querschnitt eine Zusammenhänge Fläche bildet. Der Querschnitt wird hier senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung angenommen.

Bevorzugt ist eine Variante, bei der die mehreren Laserspots eine Anordnung bil den, die eine Rotationssymmetrie mit einer Zähligkeit entsprechend der Anzahl der Laserspots der Ringformation hat. Durch die Rotationssymmetrie wird eine hohe Richtungsunabhängigkeit des Laserschweißens erreicht, d.h. die relative Orientie rung der Gesamtheit der Laserspots zur momentanen Vorschubrichtung spielt keine oder nur eine sehr geringe Rolle für den Schweißprozess.

In einer Variante ist vorgesehen, dass alle Laserspots die Ringformation ausbilden. Dies ist besonders einfach einzurichten, beispielsweise mit zwei Bifokaleinsätzen im Falle von vier Laserspots in der Ringformation. Insbesondere ist hier kein La serspot in der Mitte der Ringformation vorgesehen. Im Falle von wenigen Laser spots in der Ringformation (zum Beispiel bei 3-5 Laserspots in der Ringformation) kann in der Regel auf diese Weise ein gut stabilisiertes, gemeinsames Keyhole eingerichtet werden.

In einer alternativen Variante ist ein Laserspot-Zentrum eines Laserspots in der Mitte der Ringformation angeordnet. Mit anderen Worten, die Laserspots der Ring formation werden durch einen weiteren Laserspot ergänzt, der in der Mitte der Ringformation angeordnet ist. Dadurch kann ein gemeinsames Keyhole zusätzlich stabilisiert werden, insbesondere im Falle von vielen Laserspots in der Ringforma tion (zum Beispiel bei 4 oder mehr, bevorzugt bei 6 oder mehr Laserspots in der Ringformation); bei vielen Laserspots in der Ringformation wird zumeist auch ein größerer Radius der Laserspot-Zentren der Laserspots der Ringformation gegen- über einem gemeinsamen Zentrum der Laserspots gewählt, um Überlappungen der Ringanteile der Laserspots zu reduzieren. Dann kann der mittlere Laserspot den Zentralbereich des gemeinsamen Keyholes stabilisieren und einem lokalen Rücksprung im Keyhole im Zentralbereich Vorbeugen. Bei einer Variante ist vorgesehen, dass die Ringformation von genau drei Laser spots gebildet wird, insbesondere wobei die Schweißkontur so verläuft, dass wäh rend des Laserschweißens zumindest überwiegend bezüglich der lokalen Vorschub- richtung ein Laserspot der Ringformation vorausläuft und zwei Laserspots der Ringformation mit gleicher Position bezüglich der lokalen

Vorschubrichtung nachlaufen.

Mit drei Laserspots in der Ringformation kann bereits die Richtungsabhängigkeit gegenüber zwei (oder noch mehr) Laserspots in einer linearen Formation erheblich reduziert werden. Die bevorzugte überwiegende Ausrichtung des Schweißbilds zur lokalen Schweißrichtung/Vorschubrichtung mit einem vorauslaufenden und zwei nachlaufenden Laserspots hat sich in der Praxis bewährt. Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die Ringformation von genau vier Laserspots gebildet wird. Dadurch lässt sich bereits eine sehr weitgehende Rich tungsunabhängigkeit auf einfache Weise erwirken. Die genau vier Laserspots der Ringformation sind bevorzugt quadratisch angeordnet. In einer Weiterentwicklung dieser Variante verläuft die Schweißkontur so, dass während des Laserschweißens zumindest überwiegend bezüglich der lokalen Vor schubrichtung ein Laserspot der Ringformation vorausläuft, zwei Laserspots der Ringformation mittig mit gleicher Position bezüglich der lokalen Vorschubrichtung angeordnet sind, und ein Laserspot der Ringformation nachläuft.

Mit dieser überwiegend angewandten Orientierung des Schweißbildes (auch „Tra- pez"-Anordnung genannt) kann eine vergleichsweise breite Schweißnaht mit vier Laserspots in der Ringformation eingerichtet werden, und ein besonders großes und stabiles Schmelzbad erhalten werden. Bevorzugt ist eine alternative Weiterentwicklung, bei der die Schweißkontur so verläuft, dass während des Laserschweißens zumindest überwiegend bezüglich der lokalen Vorschubrichtung zwei Laserspots der Ringformation mit gleicher Position bezüglich der lokalen Vorschubrichtung vorauslaufen, und zwei Laserspots der Ringformation mit gleicher Position bezüglich der lokalen Vorschubrichtung nachlaufen.

Mit dieser überwiegend angewandten Orientierung des Schweißbildes (auch „Quadrat"-Anordnung genannt) kann eine vergleichsweise schmale Schweißnaht mit vier Laserspots in der Ringformation eingerichtet werden, und dadurch ein besonders tief reichendes Aufschmelzen bei hoher Schweißgeschwindigkeit und stabilem Schmelzbad erreicht werden. Die überwiegende lokale Schweißrich tung/Vorschubrichtung kann einer der Koordinatenhauptachsen der verwendeten Laserschweißvorrichtung entsprechen. Man beachte, dass in Kurvenfahrten die Orientierung des Schweißbilds wechselt, z.B. von der Quadrat-Anordnung in die Trapez-Anordnung und wieder zurück in die Quadratanordnung beim Durchfahren einer 90°-Kurve.

In einer weiteren Variante wird die Ringformation von genau fünf Laserspots ge- bildet, insbesondere wobei die Schweißkontur so verläuft, dass während des La serschweißens zumindest überwiegend bezüglich der lokalen Vorschubrichtung ein Laserspot der Ringformation vorausläuft, zwei Laserspots der Ringformation mittig mit gleicher Position bezüglich der lokalen Vorschubrichtung angeordnet sind, - und zwei Laserspots der Ringformation mit gleicher Position bezüglich der lokalen Vorschubrichtung nachlaufen.

Diese Variante erreicht eine noch bessere Richtungsunabhängigkeit. Mit dem einen vorauslaufenden, den zwei mittigen und den zwei nachlaufenden Laserspots in der bevorzugt überwiegend angewandten Orientierung des Schweißbildes gegenüber der Vorschubrichtung wird ein besonders ruhiges Schmelzbad erreicht. In einer weiteren Variante wird die Ringformation von genau sechs Laserspots ge bildet. Zusätzlich kann ein weiterer Laserspot mittig in der Ringformation vorge sehen sein. Damit kann eine noch weitergehende Richtungsunabhängigkeit er reicht werden. Man beachte, dass eine Anzahl von 3 bis 6 Laserspots in der Ring- formation im Rahmen der Erfindung bevorzugt ist; eine noch größere Anzahl bringt in der Regel nur noch geringe Verbesserungen bezüglich Richtungsunabhängigkeit oder Schmelzbadstabilität.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die Ringanteile von in der Ringfor- mation benachbarten Laserspots einander berührend angeordnet sind. Dadurch kann ein sehr stabiles, gemeinsames Keyhole beim Laserschweißen der alumini umhaltigen Bauteile erreicht werden. Die Ringanteile benachbarter Laserspots der Ringformation werden als einander berührend angesehen, wenn diese Laserspots einen Abstand ihrer Laserspot-Zentren entsprechend der Summe ihrer jeweiligen halben Durchmesser ihrer Ringanteile aufweisen, mit einer Toleranz von ±10% bezogen auf diese Summe.

Bei einer alternativen Variante sind die Ringanteile von in der Ringformation be nachbarten Laserspots einander überlappend angeordnet, insbesondere wobei die Kernanteile von Laserspots der Ringformation nicht mit den Ringanteilen von in der Ringformation benachbarten Laserspots überlappen. Durch die Überlappung der Ringanteile der Laserspots, insbesondere ohne Überlappung von Ringanteilen und Kernanteilen, können oftmals lokale Vorsprünge und Rücksprünge eines ge meinsamen Keyholes bezüglich der Tiefe in die zu verschweißenden Bauteile hinein verringert werden.

Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der in jedem Ort maxi mal zwei Ringanteile von Laserspots der Ringformation miteinander überlappen. Dies hat sich für ein besonders stabiles Schmelzbad bei den aluminiumhaltigen Bauteilen bewährt.

Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der die Laserspots der Ringforma tion ein gemeinsames Zentrum umfassen, an welchem sich die Ringanteile der Laserspots der Ringformation einander berühren, insbesondere wobei genau vier Laserspots in der Ringformation angeordnet sind. In dieser Variante, die typischer weise ohne einen Laserspot in der Mitte der Ringformation eingerichtet wird, kann ein ruhiges und großes Keyhole mit nur geringen lokalen Vorsprüngen und Rück- Sprüngen in die Tiefe der zu verschweißenden Bauteile eingerichtet werden.

Vorteilhaft ist auch eine Variante, bei der in einem Zentralbereich die Ringanteile aller Laserspots der Ringformation einander überlappen, insbesondere wobei ge nau drei Laserspots in der Ringformation angeordnet sind. Insbesondere im Falle von nur wenigen Laserspots, etwa drei Laserspots in der Ringformation und ohne einen in der Mitte der Ringformation liegenden weiteren Laserspot, kann durch die Überlappung der Ringanteile der Laserspots der Ringanordnung in dem Zentralbe reich eine Hilfs-Intensitätsspitze erzeugt werden, die ein gemeinsames Keyhole zusätzlich zu den Intensitätsspitzen der Kernanteile der Laserspots stabilisieren kann.

In einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass für einen Durchmesser DK des Kernanteils und einen Durchmesser DR des Ringanteils gilt: 2<DR/DK<10, bevor zugt 2,5<DR/DK<6, besonders bevorzugt 3,5<DR/DK<5, und dass für einen Leis- tungsanteil LK des Kernanteils im Verhältnis zur Gesamtleistung in einem jeweili gen Laserspot gilt: 10%<LK<90%, bevorzugt 30%<LK<70%, besonders bevor zugt 40%<LK<60%. Diese Parameterbereiche haben sich für die Erfindung in der Praxis bei aluminiumhaltigen Bauteilen zur Erzielung eines stabilen Keyholes und mediendichter Schweißnähte bewährt.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, die vorsieht, dass die Bauteile eine Bauteildicke BD mit 0,5mm<BD<5,0 mm aufweisen, und/oder die Bauteile aus Aluminiumwerkstoffen der 3000er, 5000er oder 6000er- Klasse gefertigt sind, und/oder die Kernanteile der Laserspots einen Durchmesser DK aufweisen mit llpm<DK<200pm, bevorzugt 50pm<DK<150pm, und die Ringanteile der Laserspots einen Durchmesser DR aufweisen mit 50pm<DR<700pm, bevor zugt 200pm<DR<550pm, und/oder eine mittlere Laserleistung P des Ausgangslaserstrahls angewandt wird mit P>2kW, bevorzugt P>4kW, und/oder - eine Schweißgeschwindigkeit SG angewandt wird mit SG>5m/min, bevorzugt

SG>10m/min.

Auch diese Parameter haben sich in der Praxis zum Laserschweißen der alumini umhaltigen Bauteile bewährt. Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung eine besonders hohe Schweißgeschwindigkeit SG eingerichtet werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Bauteil-Anord nung, die durch ein hier beschriebenes Verfahren hergestellt wurde, wobei die Bauteil-Anordnung an der Schweißkontur dicht für ein Medium ausgebildet ist. Die Schweißkontur ist vorzugsweise wasserdicht, insbesondere dicht für eine Kühlflüs- sigkeit, besonders bevorzugt gasdicht, ausgebildet. Durch Anwendung des erfin dungsgemäßen Verfahrens kann die Bauteil-Anordnung auf einfache und zuverläs sige Weise mit einer Schweißnaht (bzw. verschweißten Schweißkontur) medien dicht gefertigt werden. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zum Verschweißen von wenigstens zwei aluminiumhaltigen Bauteilen, insbesondere zum Verschweißen mit einem hier beschriebenen Verfahren, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: a) Eine 2-in-l-Faser zum Abstrahlen eines Ausgangslaserstrahls; b) eine Teilungseinrichtung zum Aufteilen des Ausgangslaserstrahls auf meh rere Teilstrahlen, die so auf die Bauteile richtbar sind, dass an einer Ober fläche der Bauteile mehrere Laserspots erzeugt werden, wobei durch die mehreren Laserspots an der Oberfläche der Bauteile eine Schweißkontur abfahrbar ist, und wobei Laserspot-Zentren von wenigstens drei Laser- spots der mehreren Laserspots in einer Ringformation anordenbar sind, wobei die mehreren Laserspots an der Oberfläche der Bauteile jeweils ei nen Kernanteil und einen Ringanteil aufweisen; c) eine Scanneroptik mit einem gesteuert verschwenkbaren ersten Spiegel zum Abfahren der Schweißkontur.

Die Scanneroptik kann zusätzlich zum ersten Spiegel einen gesteuert verschwenk- baren zweiten Spiegel zum Abfahren der Schweißkontur aufweisen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausfüh rungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. la zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Schweißoptik, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren teilweise durchgeführt werden kann.

Fig. lb zeigt die beispielhafte Schweißoptik aus Fig. la um 90° gedreht.

Fig. lc zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften 2-in-l-Faser für die Erfindung im Querschnitt, wie sie als Laserlichtkabel in Fig. la verwendet werden kann und mit der ein Ausgangslaserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt werden kann.

Fig. 2 zeigt das Schweißbild einer Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens mit vier Laserspots, wie sie durch die beispielhafte Schweißoptik aus Fig. la erzeugt werden kann.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt zweier Bauteile während des

Verschweißens mit dem Schweißbild von Fig. 2, zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt der Dampfkapillare von Fig. 3 in den dortigen Ebenen A-A, B-B und C-C.

Fig. 5a zeigt das Schweißbild einer Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens, in dem die Ringanteile von vier Laserspots teilweise einander überlappend angeordnet sind und sich in einem Mittelpunkt einander berühren.

Fig. 5b zeigt ein Schweißbild einer Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens, in dem die Ringanteile von drei Laserspots teilweise einander überlappend angeordnet sind.

Fig. 5c zeigt ein Schweißbild einer Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens, in dem die Ringanteile von fünf Laserspots teilweise einander überlappend angeordnet sind.

Fig. 6a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine beispielhafte Facettenplatte wie sie in einer Schweißoptik verwendet werden kann zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen für das erfindungsgemäße Verfahren

Fig. 6b zeigt einen schematischen Querschnitt der beispielhaften Facetten platte aus Fig. 6a. Fig. 6c zeigt ein Schweißbild einer Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens mit sechs Laserspots in einer Ringformation und einem zentralen Laserspot, wie es durch die beispielhafte Facettenplatte aus Fig. 6a erzeugt werden kann.

Fig. 7 zeigt ein experimentelles Bild eines Längsschliffs von zwei aluminium haltigen Bauteilen nach Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens.

Fig. 8 zeigt eine schematische Seitenansicht einer beispielhaften Schweißoptik mit einem optischen Sensor zur Aufnahme einer Schweißkontur.

Fig. 9a zeigt eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung zum Ver schweißen von zwei aluminiumhaltigen Bauteilen mit mehreren La serspots, wobei am unteren Ende der Figur eine Draufsicht auf die Laserspots gezeigt ist.

Fig. 9b zeigt eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. la, wobei am unteren Ende der Figur eine entsprechende Draufsicht auf die Laserspots gezeigt ist.

Fig. 10 zeigt im Stumpfstoß verschweißte Bauteile. Fig. 11 zeigt einen Querschliff von zwei aluminiumhaltigen Bauteilen nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. la zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Schweißoptik 1, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Variante teilweise durchgeführt werden kann. Fig. lb zeigt die Schweißoptik 1 aus Fig. la um 90° gedreht.

Die Schweißoptik 1 umfasst ein Laserlichtkabel 2, welches als Multifaser, hier als 2-in-l-Faser 2a, ausgebildet ist, eine Kollimationslinse 3, zwei Bifokaleinsätze 4a, 4b, welche hier als Glaskeile ausgebildet sind, und eine Fokussierlinse 5. Die Bifo- kaleinsätze 4a, 4b sind hintereinander angeordnet und um 90° zueinander gedreht angeordnet.

Über das Laserlichtkabel 2 wird ein Ausgangslaserstrahl 6 bereitgestellt, der an einem Faserende des Laserlichtkabels 2 austritt. Das Faserende liegt im Fokus der Kollimationslinse 3, und der Ausgangslaserstrahl 6 wird von der Kollimationslinse 3 kollimiert, wodurch der Ausgangslaserstrahl 6 zu einem kollimierten Laserstrahl 7 wird. Der kollimierte Laserstrahl 7 wird zu den Bifokaleinsätzen 4a, 4b geführt. Die Bifokaleinsätze 4a, 4b nehmen hier jeweils etwa die Hälfte eines Querschnitts des kollimierten Laserstrahls 7 ein. Hierdurch kann der kollimierte Laserstrahl 7 in der hier gezeigten beispielhaften Schweißoptik 1 in vier Teilstrahlen 8 aufgeteilt werden. Die Teilstrahlen 8 werden durch die Fokussierlinse 5 auf eine Oberfläche eines zu verschweißenden Bauteils (nicht dargestellt) fokussiert, wodurch auf der Oberfläche des Bauteils ein Schweißbild aus hier vier gleich großen Laserspots er zeugt wird.

Als mittlere Laserleistung P des Ausgangslaserstrahls 6 kann beispielsweise P > 2 kW, bevorzugt P > 4 kW gewählt werden.

Die Schweißoptik 1 ist in den Fign. 9a und 9b erfindungsgemäß (siehe unten) wei- tergebildet.

Fig. lc zeigt beispielhaft einen Querschnitt der 2-in-l-Faser 2a, mit der der Aus gangslaserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt werden kann. Die 2-in-l-Faser 2a weist eine Kernfaser 9 mit einem Kernfaserdurchmesser KFD und eine Ringfaser 10 mit einem Ringfaserdurchmesser RFD auf. Typischerweise kann für den Kernfaserdurchmesser KFD beispielsweise 11 pm < KFD < 200 pm, bevorzugt 30 pm < KFD < 150 pm, gewählt werden und für den Ringfaserdurch messer RFD beispielsweise 30 pm < RFD < 700 pm, bevorzugt 100 pm < RFD < 550 pm gewählt werden. Das Abbildungsverhältnis der Schweißoptik (vgl. Fig. la), die die 2-in-l-Faser umfasst, ist in der Ausführungsform 1:1 gewählt; in anderen Ausführungsformen kann beispielsweise auch ein Abbildungsverhältnis > 1:1 ge- wählt werden.

Mit der 2-in-l-Faser kann ein Laserstrahl erzeugt werden, der einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweist (siehe hierzu z.B. Fig. 2 bezüglich der Laserspots) und als Ausgangslaserstrahl in der Schweißoptik dient (vgl. Fig. la). Hierzu wird ein Ursprungslaserstrahl (nicht näher gezeigt) teilweise in die Kernfaser 9 und teil weise in die Ringfaser 10 eingespeist, beispielsweise über einen teilweise in den Ursprungslaserstrahl eingeschobenen optischen Keil (nicht näher dargestellt).

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Schweißbildes 11 auf der Ober- fläche eines zu verschweißenden Bauteils gezeigt, wie es durch die beispielhafte Schweißoptik aus Fig. la erzeugt werden kann.

Das Schweißbild 11 umfasst hier vier gleich große Laserspots 12. Die vier Laser spots 12 weisen jeweils einen Kernanteil 13 und einen Ringanteil 14 auf, da der Ausgangslaserstrahl durch die 2-in-l-Faser erzeugt wird und dementsprechend bereits seinerseits einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweist.

Jeder Laserspot 14 hat ein Laserspot-Zentrum 15. Der Kernanteil 13 hat hier einen Durchmesser DK von 100 pm und der Ringanteil 14 hat hier einen Durchmesser DR von 400 pm. Das Verhältnis DR/DK ist dementsprechend 4.

Für einen Leistungsanteil LK des Kernanteils 13 eines einzelnen Laserspots 12 kann LK = 50% gewählt werden. In der hier gezeigten Variante weist der Ringanteil 14 eine ca. 15-fach größere Fläche auf als der Kernanteil 13. Eine mittlere Leistungs dichte im Kernanteil 13 ist dann hier etwa 15 mal größer als eine mittlere Leis tungsdichte im Ringanteil 14. Die Laserspots 12 sind in einer Ringformation 16 angeordnet; durch die Laserspot- Zentren 15 können die Eckpunkte eines Polygons (hier eines Quadrats) definiert werden, das eine Innenfläche einschließt. Der Abstand zwischen zwei Laserspot- Zentren 15 von nebeneinanderliegenden, in der Ringformation 16 benachbarten Laserspots 12 (z.B. der Laserspot-Zentren 15 der Laserspots 12' und 12") beträgt hier 400 pm. In der hier gezeigten Variante berühren sich die Ringanteile 14 der in der Ringformation 16 benachbarten Laserspots 12 genau. Der Abstand der La- serspot-Zentren 15 der in der Ringformation 16 benachbarten Laserspots 12 ent spricht der Summe der jeweils halben Durchmesser DR der Ringanteile 14 der beteiligten Laserspots 12.

Das Schweißbild 11 weist hier eine vierzählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 16 durch vier Laserspots 12 ausgebildet wird, die durch Drehung um 90° um ein gemeinsames Zentrum (Schwerpunkt) 17 ineinander überführt werden können. Die Laserspot-Zentren 15 der Laserspots 12 der Ringformation 16 liegen hier auf einer Kreislinie (strichpunktiert dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 17.

Bezüglich einer lokalen Vorschubrichtung 18 ist das Schweißbild 11 so angeordnet, dass zwei Laserspots 12a vorauslaufen und zwei Laserspots 12b nachlaufen.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt zweier Bauteile 19 während des Verschweißens mit einem Schweißbild wie in Fig. 2 dargestellt, zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Variante. Bei der Fü gesituation der zwei Bauteile 19 handelt es sich um einen Überlappstoß. Alterna- tiv und hier nicht gezeigt kann es sich bei der Fügesituation der zwei Bauteile 19 auch um einen Stumpfstoß handeln. Die Bauteile 19 sind aus einem Aluminiumwerkstoff gefertigt. Ein oberes Bauteil 19a weist hier eine Bauteildicke BD bzw. Dicke D _0b von etwa 2 mm auf. Ein un terstes Bauteil 19b weist hier eine Bauteildicke BD bzw. Dicke D _U n _t von etwa 3 mm auf. Das Verschweißen erfolgt hier als Einschweißen. Der Längsschnitt ist zentral durch zwei bezüglich der Vorschubrichtung 18 nebeneinander liegende Laserspots gewählt.

Die im Längsschnitt von Fig. 3 enthaltenen Teilstrahlen 8 werden von der Schweißoptik aus (nicht gezeigt) auf die Oberfläche 20 des oberen Bauteils 19a gerichtet. Die Teilstrahlen 8 dringen von der Oberfläche 20 aus in die Bauteile 19 ein und verdampfen in ihrer unmittelbaren Umgebung den Aluminiumwerkstoff. Es bildet sich durch die Wirkung aller Teilstrahlen 8 bzw. aller Laserspots eine gemeinsame Dampfkapillare 21 (auch gemeinsames Keyhole oder gemeinsame Metalldampfkapillare genannt), die bis in das unterstes Bauteil 19b reicht. Die gemeinsame Dampfkapillare 21 bildet in den Bauteilen 19 ein zusammenhängen des Volumen aus. In den Bereichen nahe der Kernanteile der Teilstrahlen 8 weist die gemeinsame Dampfkapillare 21 tiefer reichende Teilstücke 21a („Vor sprünge") aus. In einem Bereich zwischen den Teilstrahlen 8 weist die gemein same Dampfkapillare 21 ein weniger tief reichendes Teilstück 21b auf („Rück- sprung"). Eine maximale Tiefe T _ma x der gemeinsamen Dampfkapillare 21 an ei nem untersten Punkt 23 beträgt hier ca. 4 mm.

Durch die Kombination der 2-in-l-Technik mit mehreren Laserspots, die durch die Teilstrahlen 8 erzeugt werden, ist die gemeinsame Dampfkapillare 21 beson- ders stabil.

In der Umgebung der gemeinsamen Dampfkapillare 21 wird der Aluminiumwerk stoff aufgeschmolzen, wodurch sich ein Schmelzbad 24 von flüssigem Alumini umwerkstoff bildet. Da die Teilstrahlen 8 beim Verschweißen relativ zu den Bau- teilen 19 in Vorschubrichtung 18 entlang einer Schweißkontur 20a bewegt wer den, in der hier gezeigten Darstellung nach links, ist das Schmelzbad 24 im Querschnitt nach rechts ausgesackt. An einer linken Kante 24a und an einer un- teren Kante 24b des Schmelzbades 24 wird Aluminiumwerkstoff aufgeschmol zen, während an einer rechten Kante 24c des Schmelzbades 24 Aluminiumwerk stoff wieder erstarrt. Das Einschweißen in das unterste Bauteil 19b erfolgt bis in eine Einschweißtiefe ET _U n _t , die im gezeigten Fall ca. 85% der Bauteildicke D _unt beträgt. Auf diese Weise kann eine gute und mediendichte Verschweißung erzielt werden. In einer nicht gezeigten Variante ist es ebenso möglich, dass das Laserschweißen als Durch schweißen durch alle Bauteile 19 des Überlappstoßes erfolgt.

Als Aluminiumwerkstoffe für die Bauteile 19 können Werkstoffe der 3000er, der 5000er oder der 6000er-Klasse gewählt werden. Als eine Schweißgeschwindigkeit SG kann SG>5 m/min, bevorzugt SG>10 m/min gewählt werden. In Fig. 4 sind schematische Querschnitte der Dampfkapillare 21 von Fig. 3 in den dortigen Ebenen A-A, B-B und C-C gezeigt.

Die strichpunktierte Linie zeigt einen Umriss 21a der Dampfkapillare 21 in der Ebene A-A von Fig. 3, die in der Grenzfläche des oberen und unteren Bauteils liegt, also in einer Tiefe von ca. 2 mm. Die Dampfkapillare 21 bildet hier eine zu sammenhängende Fläche aus.

Die gestrichelte Linie zeigt einen Umriss 21b der Dampfkapillare 21 in der Ebene B-B von Fig. 3, die bei einer Tiefe entsprechend der Hälfte der maximalen Tiefe T _max der gemeinsamen Dampfkapillare entspricht, hier bei ca. 2,5 mm Tiefe. Die Dampfkapillare 21 bildet hier eine etwas kleinere, aber immer noch zusammen hängende Fläche aus.

Mit durchgehender Linie ist einen Umriss 21c der Dampfkapillare 21 in etwa 3,8 mm Tiefe der Dampfkapillare 21 in der Ebene C-C von Fig. 3 gezeigt. Die

Dampfkapillare bildet in dieser Tiefe im Querschnitt vier separate (nicht zusam- menhängende) Teilbereiche aus, die jeweils näherungsweise kreisförmig ausge bildet sind. Die Ebene C-C schneidet die Dampfkapillare also nur noch im Bereich der lokalen Vorsprünge. In Fig. 5a ist eine schematische Darstellung eines Schweißbildes 11 im Quer schnitt gezeigt mit vier Laserspots 12 in Ringformation, für eine weitere Variante der Erfindung.

Die Laserspots 12 sind hier alle gleich groß. Der Kernanteil 13 hat hier einen Durchmesser DK von 100 pm und der Ringanteil 14 hat hier einen Durchmesser DR von 400 pm. Das Verhältnis DR/DK ist dementsprechend 4.

Der Abstand zwischen zwei (diagonal) gegenüberliegenden Laserspot-Zentren der Laserspots 12 beträgt hier 400 pm. In der hier gezeigten Variante berühren sich die Ringanteile 14 der gegenüberliegenden Laserspots 12 genau im gemein samen Zentrum 17. Die benachbarten Laserspots 12 sind einander überlappend angeordnet. Die Kernanteile 13 überlappen jeweils nicht. Das Schweißbild 11 weist hier eine vierzählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation durch vier Laserspots 12 ausgebildet wird, die durch Drehung um 90° um das gemein- same Zentrum 17 ineinander überführt werden können.

Bezüglich der eingezeichneten lokalen Vorschubrichtung 18 ist das Schweißbild 11 so angeordnet, dass die zwei Laserspots 12a vorauslaufen und die zwei Laser spots 12b nachlaufen. Die beiden Laserspots 12a befinden sich bezüglich der lo- kalen Vorschubrichtung 18 an identischen Positionen. Ebenso befinden sich die beiden Laserspots 12b bezüglich der lokalen Vorschubrichtung 18 an identischen Positionen.

In Fig. 5b ist eine schematische Darstellung eines Schweißbildes 11 im Quer- schnitt gezeigt mit drei Laserspots 12 in Ringformation, in einer weiteren Vari ante der Erfindung. Die Laserspots 12 sind hier alle gleich groß. Der Kernanteil 13 hat hier einen Durchmesser DK von 300 pm und der Ringanteil 14 hat hier einen Durchmesser DR von 800 pm. Das Verhältnis DR/DK ist dementsprechend 2,67. Die benachbarten Laserspots 12 sind bezüglich der Ringanteile 14 einander über lappend angeordnet und in einem Zentralbereich 26 überlappen sich alle drei La serspots 12 in den Ringanteilen 14. Die Kernanteile 13 überlappen jeweils nicht.

Bezüglich der gezeigten lokalen Vorschubrichtung 18 ist das Schweißbild 11 so angeordnet, dass ein Laserspot 12a vorausläuft und zwei Laserspots 12b nach laufen. Die beiden Laserspots 12b befinden sich bezüglich der lokalen Vorschub richtung 18 an identischen Positionen. Die Laserspots 12b sind hier zueinander etwas geringer beabstandet als der vorauslaufende Laserspot 12a zu jedem der nachlaufenden Laserspots 12b (jeweils bezogen auf die Laserspot-Zentren).

In Fig. 5c ist eine schematische Darstellung eines Schweißbildes 11 im Quer schnitt gezeigt mit fünf Laserspots 12 in Ringformation, in einer weiteren Vari ante der Erfindung. Die Laserspots 12 sind hier alle gleich groß. Der Kernanteil 13 hat hier einen Durchmesser DK von 100 pm und der Ringanteil 14 hat hier einen Durchmesser DR von 400 pm. Das Verhältnis DR/DK ist dementsprechend 4.

Der Abstand zwischen zwei in der Ringformation benachbarten Laserspot-Zentren 15 der Laserspots 12 beträgt hier ungefähr 350 pm. In der hier gezeigten Vari ante sind die in der Ringformation benachbarten Laserspots 12 mit den Ringan teilen 14 einander überlappend angeordnet. Das Schweißbild 11 weist hier eine fünfzählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation durch fünf Laserspots 12 ausgebildet wird, die durch Drehung um 72° um das gemeinsame Zentrum 17 ineinander überführt werden können.

Bezüglich der gezeigten lokalen Vorschubrichtung 18 ist das Schweißbild 11 so angeordnet, dass ein Laserspot 12a vorausläuft, zwei Laserspots 12b nachlaufen, und zwei Laserspots 12c mittig zwischen den Laserspots 12a, 12b angeordnet sind. Die beiden nachlaufenden Laserspots 12b befinden sich bezüglich der loka len Vorschubrichtung 18 an identischen Positionen. Ebenso befinden sich die bei den mittleren Laserspots 12c bezüglich der lokalen Vorschubrichtung 18 an iden- tischen Positionen.

Fig. 6a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine beispielhafte Facetten platte 27, wie sie in einer Schweißoptik verwendet werden kann, zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen für das erfindungsgemäße Verfahren.

Die Facettenplatte 27 umfasst in der hier gezeigten Form eine regelmäßig sechs eckige zentrale Facette 28 („Zentralfacette"). Die Facetten platte 27 umfasst und dieser herum angeordnet sechs äußere Facetten 29 („Außenfacetten"). Auf die Facettenplatte 27 wird der kollimierte Laserstrahl 7 eingestrahlt.

Fig. 6b zeigt einen schematischen Querschnitt der beispielhaften Facettenplatte 27 aus Fig. 6a.

Die äußeren Facetten 29 sind keilförmig ausgebildet. Ein Facettenwinkel ß beträgt hier etwa 0,15°, gemessen gegenüber einer Grundebene 25, die senkrecht zur Einstrahlrichtung des kollimierten Laserstrahls 7 liegt. Der kollimierte Laserstrahl 7 wird auf die Facettenplatte 27 eingestrahlt. Im Bereich der zentralen Facette 28 erfolgt keine Ablenkung des kollimierten Laserstrahls 7. In den Bereichen der sechs äußeren Facetten 29 wird der kollimierte Laserstrahl 7 abgelenkt (gebrochen). So- mit ergeben sich ein unabgelenkter Teilstrahl 8 und sechs abgelenkte Teilstrahlen 8.

Fig. 6c zeigt ein Schweißbild 11 einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit sechs Laserspots 12 in einer Ringformation und einem zentralen Laserspot 12, wie sie durch die beispielhafte Facettenplatte 27 aus Fig. 6a erzeugt werden kann. Der zentrale Laserspot 12 wird hier auch mit 12'" bezeichnet. Die Laserspots 12 sind hier alle gleich groß. Der Kernanteil 13 hat hier einen Durch messer DK von 100 pm und der Ringanteil 14 hat hier einen Durchmesser DR von 400 pm. Das Verhältnis DR/DK ist dementsprechend 4.

Der Abstand zwischen zwei in der Ringformation benachbarten Laserspot-Zentren 15 der Laserspots 12 beträgt hier ungefähr 350 pm. In der hier gezeigten Variante sind die in der Ringformation benachbarten Laserspots 12 mit den Ringanteilen 14 einander überlappend angeordnet. Der zentrale Laserspot 12"' ist mit allen ande ren Laserspots 12 bezüglich der Ringanteile 14 überlappend angeordnet. Die Kern anteile 13 überlappen jeweils nicht. Das Schweißbild 11 weist hier eine sechszäh- lige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation durch sechs Laserspots 12 aus gebildet wird, die durch Drehung um 60° um das gemeinsame Zentrum 17 inei nander überführt werden können; der zentrale Laserspot 12'" bleibt von der Rota tion unberührt, da sein Laserspot-Zentrum mit dem gemeinsamen Zentrum 17 zusammenfällt.

Bezüglich der lokalen Vorschubrichtung 18 ist das Schweißbild 11 so angeordnet, dass die zwei Laserspots 12a vorauslaufen, die zwei Laserspots 12b nachlaufen, und die drei Laserspots 12c mittig zwischen den Laserspots 12a, 12b angeordnet sind.

Fig. 7 zeigt ein experimentelles Bild von zwei aluminiumhaltigen Bauteilen, die bei Durchführung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens im Überlappstoß miteinander verschweißt wurden. Es wurde ein Querschliff gefertigt und im Licht mikroskop fotografiert.

Das obere Bauteil hat eine Bauteildicke von ca. 1 mm, und das untere Bauteil hat eine Bauteildicke von ca. 2 mm. Die Verschweißung erfolgte durch Einschweißen zu ca. 40% in das untere Bauteil; die Schweißrichtung war senkrecht zur Zeichen ebene. Es wurde eine praktisch porenfreie, mediendichte Schweißnaht erhalten.

Im vorliegenden Beispiel wurde das Schweißbild von Fig. 2 (siehe oben) ange wandt, mit vier Laserspots in quadratischer, einander berührender Anordnung. Es wurde eine (gesamte) mittlere Laserleistung P = 3 kW und eine Schweißgeschwin digkeit SG = 5m/min gewählt. Der Leistungsanteil im Kern betrug 70%, der Kern durchmesser DK war 100 pm, und der Ringdurchmesser DR war 400 pm für jeden Laserspot. Die aluminiumhaltigen Bauteile waren aus der Aluminiumlegierung AW- 5083 gefertigt.

Fig. 8 zeigt eine Vorrichtung 30 mit einer Schweißoptik 1 zum Schweißen von Bauteilen 19 bzw. zum Erzeugen einer Schweißkontur 20a. Die Schweißkontur 20a wird erfindungsgemäß mehrfach abgefahren, insbesondere mehrfach vollständig abgefahren. Nach oder - bevorzugt - während des Abfahrens kann durch einen optischen Sensor 31 bestimmt werden, ob ein weiteres Abfahren nötig ist. Der optische Sensor 31 ist vorzugsweise koaxial zum Strahlengang von Teilstrahlen 8 angeordnet. Fig. 9a und Fig. 9b werden nachfolgend gemeinsam beschrieben. Die Figuren 9a und 9b zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 mit einer Schweißoptik 1 (in Weiterbildung der Schweißoptik 1 aus den Fign. la, lb) zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 30 weist eine 2-in-l-Faser 2a zum Abstrahlen eines Ausgangsla serstrahls 6 auf. Der Ausgangslaserstrahl 6 durchläuft eine Kollimationslinse 3, die eine Linse oder mehrere Linsen aufweisen kann. Anschließend durchläuft der Aus gangslaserstrahl 6 eine Teilungseinrichtung 32, um den Ausganslaserstrahl 6 in mehrere Teilstrahlen 8 und damit in mehrere Laserspots 12 aufzuteilen. Die Tei- lungseinrichtung 32 kann zumindest einen Bifokaleinsatz 4a, 4b, insbesondere mehrere Bifokaleinsätze 4a, 4b, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Teilungseinrichtung 32 andere optische Elemente, beispielsweise die in den Fign. 6a, 6b gezeigte Facettenplatte 27, aufweisen. Nach der Teilungseinrichtung 32 ist eine Scanneroptik 33 angeordnet, die zumin dest einen gesteuert verschwenkbaren Spiegel 34a, 34b, insbesondere zumindest zwei gesteuert verschwenkbare Spiegel 34a, 34b, aufweist, um den Ausgangsla serstrahl 6 innerhalb eines Scanfelds 35 zu bewegen. An die Scanneroptik 33 schließt sich eine Fokussierlinse 5 an, die eine oder meh rere Linsen aufweisen kann. Fig. 10 zeigt verschweißte Bauteile, wobei eine Schweißkontur 20a im Stumpfstoß erstellt wurde. Vor dem Schweißen wurde ein deckelförmiges Bauteil 19c in das andere gefäßförmige Bauteil 19d eingelegt.

Fig. 11 zeigt einen Querschliff zweier verschweißter Bauteile, wobei aus der Schweißkontur 20a ein zweifaches Abfahren ersichtlich ist.

Bezuaszeichenliste

1 Schweißoptik

2 Laserlichtkabel

2a 2-1-Faser

3 Kollimationslinse

4a, 4b Bifokaleinsätze

5 Fokussierlinse

6 Ausgangslaserstrahl

7 kollimierter Laserstrahl

8 Teilstrahl

9 Kernfaser

10 Ringfaser 11 Schweißbild 12 Laserspot 12 Laserspot benachbart zu Laserspot 12

12 Laserspot benachbart zu Laserspot 12' zentraler Laserspot

12a vorlaufender Laserspot

12b nachlaufender Laserspot

12c mittiger Laserspot

13 Kernanteil

14 Ringanteil

15 Laserspot-Zentrum

16 Ringformation

17 gemeinsames Zentrum

18 Vorschubrichtung

19 Bauteil 19a oberes Bauteil 19b unterstes Bauteil 19c deckelförmiges Bauteil 19d gefäßförmiges Bauteil

20 Oberfläche 20a Schweißkontur 21 Dampfkapillare 21a Vorsprung 21b Rücksprung 23 unterster Punkt 24 Schmelzbad 24a linke Kante 24b untere Kante 24c rechte Kante 25 Grundebene 26 Zentralbereich

27 Facettenplatte

28 zentrale Facette

29 äußere Facetten

30 Vorrichtung 31 optischer Sensor

32 Teilungseinrichtung

33 Scanneroptik

34a, 34b verschwenkbare Spiegel 35 Scanfeld ß Facettenwinkel

BD Bauteildicke DK Durchmesser Kernanteil Dob Bauteildicke oberes Bauteil DR Durchmesser Ringanteil Dunt Bauteildicke unterstes Bauteil ETunt Einschweißtiefe in das unterste Bauteil KFD Kernfaserdurchmesser RFD Ringfaserdurchmesser T max maximale Tiefe der Dampfkapillare