Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei alu miniumhaltigen Bauteilen, wobei die Bauteile jeweils einen Gehalt von wenigstens 75 Gew% Aluminium, be- vorzugt wenigstens 90 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, so dass an einer Oberfläche der Bauteile mehrere Laserspots erzeugt werden, wobei die mehreren Laserspots an der Oberfläche der Bauteile eine Schweißkon tur abfahren, und wobei Laserspot-Zentren von wenigstens drei Laserspots der mehreren La serspots in einer Ringformation angeordnet sind.

Ein solches 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. Typi sche Medien, gegenüber denen eine Mediendichtigkeit hergestellt werden muss, sind beispielsweise Kühlflüssigkeiten oder auch Schutzgase, um eine geeignete Atmosphäre für empfindliche Komponenten zu schaffen.

In der Elektromobilität sind, insbesondere aufgrund des geringen spezifischen Gewichts, Bauteile basierend auf Aluminiumwerkstoffen von großer Bedeutung. Um aluminiumhaltige Bauteile mediendicht zu fügen, wird bislang vorwiegend Lö ten eingesetzt. Beim Löten muss zum Erzeugen der Lötverbindung ein Lot zuge führt werden. Das Löten ist vergleichsweise aufwändig und schwierig; zudem können Lötverbindungen korrosionsanfällig sein. Weiterhin ist es möglich, alumi niumhaltige Bauteile miteinander zu verkleben, um diese mediendicht zu fügen. Auch das Kleben ist vergleichsweise aufwändig und erfordert oft lange Aushär tungsprozesse, und die Klebestelle kann gegenüber hohen Temperaturen emp findlich sein.

Schweißen ist ein Fügeverfahren, mit dem zwei Werkstücke dauerhaft miteinan der verbunden werden können. Laserschweißen wird meist eingesetzt, wenn mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug geschweißt werden soll. Beim Laserschweißen erfolgt die Energiezufuhr über einen Laserstrahl. Zur Erzielung einer hohen Schweißgeschwindigkeit erfolgt das Laserschweißen bevorzugt im Tiefschweißre gime, 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 ei nes Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser zu verändern. Hierbei kann ein Laserstrahl mit einem Kernanteil und einem Ringanteil erzeugt werden.

Aus der DE 10 2016 124 924 Al ist eine Laserschweißvorrichtung bekannt ge worden, die zum Verschweißen einer Dichtungsplatte auf einem Gehäusekörper einer Batterie eingesetzt werden kann, wobei der Gehäusekörper und die Dich tungsplatte 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 meh rere Teilstrahlen aufgeteilt werden, beispielsweise auf vier Teilstrahlen, die ge mäß den Ecken eines Quadrats angeordnet sind. Je nach Überlapp des kollimier- ten Laserstrahls mit dem DOE oder seiner Öffnung wird ein Teil des kollimierten Laserstrahls mit dem DOE auf die Teilstrahlen aufgeteilt, oder bleibt beim Passie ren der Öffnung unverformt.

Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verschweißen von zwei alumini umhaltigen Bauteilen bereitzustellen, mit dem mit hoher Zuverlässigkeit medien dichte Schweißnähte gefertigt werden können. Kurze Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Ausgangslaserstrahl mittels einer Multifaser, bevorzugt einer 2-in-l-Faser, erzeugt wird, so dass die mehreren Laserspots an der Oberfläche der Bauteile jeweils einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweisen, wobei eine mittlere Leistungsdichte im Kernanteil hö her ist als eine mittlere Leistungsdichte im Ringanteil. 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 än dert sich entsprechend. Insbesondere kann ein gemeinsames Keyhole durch alle Laserspots 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 insbesondere können problemlos mediendichte Schweißnähte der alumini umhaltigen Schweißnähte erzeugt werden, insbesondere im Überlappstoß.

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 Bau teile sehr gut stabilisieren. Die Gesamtheit der Laserspots auf der Werkstück oberfläche) wird hier als das Schweißbild bezeichnet.

Die Erzeugung der Teilstrahlen erfolgt typischerweise dadurch, dass der Aus gangslaserstrahl zwischen einer Kollimationsoptik und einer Fokussieroptik über ein oder mehrere optische Elemente geleitet wird, die zumindest in einen Teil des Strahlquerschnitts des Ausgangslaserstrahls einragen. Typische optische Ele mente zu diesem Zweck sind Keilplatten; es können aber auch andere diffraktive und refraktive optische Elemente eingesetzt werden. In einer bevorzugten Vari ante werden zwei Bifokaleinsätze eingesetzt, die in einem Winkel von 90° zuei nander angeordnet sind. Ebenso ist es möglich, als optisches Element eine Facet tenplatte einzusetzen, die entsprechend der gewünschten Anzahl von Laserspots der Ringformation über ringförmig angeordnete Facetten (Außenfacetten) ver fügt, 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 Strahl ausbreitungsrichtung) rotiert. Falls auch ein zentraler Laserspot erwünscht ist, kann eine weitere Facette (Zentralfacette) vorgesehen sein, die parallel zur Grundebene liegt, wobei die Außenfacetten nach radial innen an die Zentralfa cette angrenzen. Die Zentralfacette ist typischerweise als regelmäßiges Polygon ausgebildet. Falls kein zentraler Laserspot erwünscht ist, können die Außenfacet ten 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 entfällt auf die Laserspots der Ringformation jeweils eine gleiche Laserleistung. Die Laserspots der Ringformation besitzen typischerweise bezüglich ihrer Laser spot-Zentren einen gleichen Abstand (Radius) zu einem gemeinsamen Zentrum (Schwerpunkt) der Gesamtheit der Laserspots.

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, ein gestellt 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 Kernanteil oder Ringanteil, im Falle mehrerer Ringfasern im äußersten Einzelring anteil; bei näherungsweise einheitlicher Leistungsdichte innerhalb des Kernan teils und Ringanteils, bei mehreren Ringfasern des äußersten Einzelringanteils, entspricht dies einem FWHM-Kriterium. Die Durchmesser bzw. deren Verhältnisse der Kernfaser und der (äußersten) Ringfaser am abgebildeten Faserende bestim men die Durchmesser bzw. deren Verhältnisse von Kernanteil und Ringanteil in einem jeweiligen Laserspot. Das Abbildungsverhältnis und damit die absolute Größe der Laserspots kann über die Kollimieroptik und die Fokussieroptik gewählt bzw. eingestellt werden.

Die Schweißkontur wird von den Laserspots kontinuierlich entlang ihres Verlaufs (ohne Wobbeln) abgefahren, typischerweise mit einer konstanten Vorschubge schwindigkeit. Dadurch entsteht die (mediendichte) Schweißnaht. Man beachte, dass sich beim Abfahren der Schweißkontur die lokale Vorschubrichtung (Schweißrichtung) ändern kann, und dadurch auch die Orientierung des Schweiß bildes zur lokalen Vorschubrichtung. Durch die erfindungsgemäße, zumindest weitgehende Richtungsunabhängigkeit des Schweißbildes sind solche Änderungen der lokalen Vorschubrichtung beim erfindungsgemäßen Verschweißen der Bau teile weitgehend unkritisch.

Die zwei zu schweißenden aluminiumhaltigen Bauteile können beispielsweise im Überlappstoß oder im Stumpfstoß angeordnet sein. Das Laserschweißen kann als Einschweißen betrieben werden, oder auch als Durchschweißen. Bevorzugt er folgt das Verschweißen der aluminiumhaltigen Bauteile als Einschweißen im Überlappstoß oder Stumpfstoß, und besonders bevorzugt als Einschweißen im Überlappstoß. Man beachte, dass der Begriff der Bauteile, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung miteinander verschweißt werden, lokal bezüglich des La serschweißvorgangs zu verstehen ist; entsprechend können die zu verschweißen den Bauteile vor dem Laserschweißen separat sein, oder bereits unabhängig von der zu schweißenden Verbindung miteinander verbunden sein.

Bevorzugte Varianten der Erfindung

Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschwei ßen von aluminiumhaltigen Bauteilen, die vorsieht, dass die wenigstens zwei Bauteile miteinander verschweißt werden durch eine Einschweißung, und dass das Laserschweißen erfolgt

- als Einschweißen im Überlappstoß, insbesondere wobei das Einschweißen in we nigstens 10% einer Bauteildicke eines untersten Bauteils des Überlappstoßes er folgt, oder

- als Einschweißen im Stumpfstoß. Das Verschweißen von aluminiumhaltigen Bauteilen durch eine Einschweißung hat sich in der Praxis für die Fertigung von mediendichten Schweißnähten besonders bewährt. Ebenso bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ver schweißen von aluminiumhaltigen Bauteilen, die vorsieht, dass die wenigstens zwei Bauteile im Überlappstoß miteinander verschweißt werden, und dass das Laserschweißen erfolgt

- als Einschweißen, wobei das Einschweißen in wenigstens 10% einer Bauteildi cke des untersten Bauteils des Überlappstoßes erfolgt, oder

- als Durchschweißen durch alle Bauteile des Überlappstoßes. Das Verschweißen im Überlappstoß hat sich in der Praxis für die Fertigung von mediendichten Schweißnähten besonders bewährt, vor allem wenn dies als Einschweißen erfolgt. Durch das Einschweißen kann durch das Belassen von festem Material des un tersten Bauteils eine zuverlässige Abdichtung eingerichtet werden.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der sich eine gemeinsame Dampfka pillare 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 diesem zusammenhängendem Raum. Die gemeinsame Dampfkapillare (gemein sames Keyhole) kann durch eine geeignete Verfahrensführung, insbesondere ei nen nicht zu großen Abstand der Laserspots der Ringformation, eingerichtet wer den. Das gemeinsame Keyhole ist deutlich größer als ein Keyhole, das mit einem einzelnen Laserstrahl (Single Spot) erzeugt werden könnte. Das größere und ge ometrisch dann auch anders geformte Keyhole beeinflusst das Absorptionsver halten der eingestrahlten Laserstrahlung. Mehrere Intensitätsspitzen, entspre chend den mehreren Laserspots der Ringformation, sind entsprechend der Ring formation am gemeinsamen Keyhole ringförmig verteilt angeordnet; hinzu kann weiterhin eine Intensitätsspitze eines weiteren Laserspots in der Mitte der Ring formation kommen. Ein Keyhole ist am Ort einer lokalen Intensitätsspitzen be sonders stabil; durch die mehreren Intensitätsspitzen am gemeinsamen Keyhole wird eine Stabilisierung des gemeinsamen, großen Keyhole insgesamt erreicht.

Im Gegensatz dazu kann bei einem Single-Spot Keyhole nur der Bereich einer einzigen Intensitätsspitze 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 gemeinsamen Dampfkapillare eine zusammenhängende Fläche bildet. Weiterhin ragt (im Allgemeinen) die gemeinsame Dampfkapillare bevor zugt so tief ein, dass die gemeinsame Dampfkapillare auf Höhe der Hälfte der maximalen Tiefe aller Teilstücke der gemeinsamen Dampfkapillare die gemein same 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 Orientierung 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 ausbil den. Dies ist besonders einfach einzurichten, beispielsweise mit zwei Bifokalein- sätzen im Falle von vier Laserspots in der Ringformation. Insbesondere ist hier kein Laserspot in der Mitte der Ringformation vorgesehen. Im Falle von wenigen Laserspots in der Ringformation (zum Beispiel bei 3-5 Laserspots in der Ringfor mation) kann in der Regel auf diese Weise ein gut stabilisiertes, gemeinsames Keyhole eingerichtet werden.

In einer alternativen Variante ist ein Laserspot-Zentrum eines Laserspot in der Mitte der Ringformation angeordnet. Mit anderen Worten, die Laserspots der Ringformation werden durch einen weiteren Laserspot ergänzt, der in der Mitte der Ringformation angeordnet ist. Dadurch kann ein gemeinsames Keyhole zu sätzlich stabilisiert werden, insbesondere im Falle von vielen Laserspots in der Ringformation (zum Beispiel bei 4 oder mehr, bevorzugt bei 6 oder mehr Laser spots in der Ringformation); bei vielen Laserspots in der Ringformation wird zu meist auch ein größerer Radius der Laserspot-Zentren der Laserspots der Ring formation gegenüber 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 Laserspots gebildet wird, insbesondere wobei die Schweißkontur so verläuft, dass während des Laser schweißens zumindest überwiegend bezüglich der lokalen Vorschubrichtung

- 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 be reits die Richtungsabhängigkeit gegenüber zwei (oder noch mehr) Laserspots in einer linearen Formation erheblich reduziert werden. Die bevorzugte überwie gende Ausrichtung des Schweißbilds zur lokalen Schweißrichtung/Vorschubrich- tung 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 lo kalen Vorschubrichtung angeordnet sind,

- und ein Laserspot der Ringformation nachläuft. Mit dieser überwiegend ange- wandten Orientierung des Schweißbildes (auch „Trapez"-Anordnung genannt) kann eine vergleichsweise breite Schweißnaht mit vier Laserspots in der Ringfor mation 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 loka len Vorschubrichtung nachlaufen. Mit dieser überwiegend angewandten Orientie- rung des Schweißbildes (auch „Quadrat"-Anordnung genannt) kann eine ver gleichsweise schmale Schweißnaht mit vier Laserspots in der Ringformation ein gerichtet werden, und dadurch ein besonders tief reichendes Aufschmelzen bei hoher Schweißgeschwindigkeit und stabilem Schmelzbad erreicht werden. Die überwiegende lokale Schweißrichtung/Vorschubrichtung kann einer der Koordina- tenhauptachsen der verwendeten Laserschweißvorrichtung entsprechen. Man be achte, 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 Laser schweißens zumindest überwiegend bezüglich der lokalen Vorschubrichtung

- ein Laserspot der Ringformation vorausläuft, - zwei Laserspots der Ringformation mittig mit gleicher Position bezüglich der lo kalen Vorschubrichtung angeordnet sind,

- und zwei Laserspots der Ringformation mit gleicher Position bezüglich der loka len Vorschubrichtung nachlaufen. Diese Variante erreicht eine noch bessere Rich tungsunabhängigkeit. Mit dem einen vorauslaufenden, den zwei mittigen und den zwei nachlaufenden Laserspots in der bevorzugt überwiegend angewandten Ori entierung des Schweißbildes gegenüber der Vorschubrichtung wird ein besonders ruhiges Schmelzbad erreicht. In einer weiteren Variante wird die Ringformation von genau sechs Laserspots gebildet. Zusätzlich kann ein weiterer Laserspot mittig in der Ringformation vor gesehen 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 Richtungsunab hängigkeit 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 Laser spots einen Abstand ihrer Laserspot-Zentren entsprechend der Summe ihrer je- weiligen 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 Über lappung von Ringanteilen und Kernanteilen, können oftmals lokale Vorsprünge und Rücksprünge eines gemeinsamen Keyholes bezüglich der Tiefe in die zu ver- schweißenden 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 typischerweise ohne einen Laserspot in der Mitte der Ring formation eingerichtet wird, kann ein ruhiges und großes Keyhole mit nur gerin gen lokalen Vorsprüngen und Rücksprüngen 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 genau 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 Ringa nordnung in dem Zentralbereich 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, bevorzugt 2,5<DR/DK<6, besonders bevorzugt 3,5<DR/DK<5, und dass für einen Leistungsanteil LK des Kernanteils im Verhältnis zur Gesamt leistung in einem jeweiligen Laserspot gilt: 10%<LK<90%, bevorzugt 30%<LK<70%, besonders bevorzugt 40%<LK<60%. Diese Parameterbereiche haben sich für die Erfindung in der Praxis bei aluminiumhaltigen Bauteilen zur Er zielung 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, wobei auch Durchmesser DK bis 400mhi denkbar sind, und die Ringanteile der Laserspots einen Durchmesser DR aufweisen mit 50pm<DR<700pm, bevorzugt 200pm<DR<550pm, wobei auch Durchmesser DR bis 1500pm denkbar sind, und/oder

- eine mittlere Laserleistung P des Ausgangslaserstrahl 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 Laserschwei ßen der aluminiumhaltigen Bauteile bewährt.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Bauteil-Anordnung, hergestellt durch Verschweißen von wenigstens zwei Bauteilen nach einem erfin dungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren, wobei die Bauteil-Anordnung an der verschweißten Schweißkontur dicht für ein Medium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, ausgebildet ist. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Bauteil-Anordnung auf einfache und zuverlässige Weise mit einer Schweißnaht (bzw. verschweißten Schweißkontur) mediendicht gefertigt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungs- beispielen näher erläutert.

Fig. la zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Schweißoptik, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durch geführt 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-Fa- ser für die Erfindung im Querschnitt, wie sie als Laserlichtkabel in Fig. la verwendet werden kann und mit der ein Ausgangslaserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren bereit gestellt werden kann;

Fig. 2 zeigt das Schweißbild einer Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens mit vier Laserspots, wie sie durch die beispielhafte Schweißop tik 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 Facetten platte wie sie in einer Schweißoptik verwendet werden kann zur Er zeugung 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 zentra len Laserspot, wie es durch die beispielhafte Facettenplatte aus Fig. 6a erzeugt werden kann;

Fig. 7 zeigt ein experimentelles Bild eines Längsschliffs von zwei alumini umhaltigen Bauteilen nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Fig. la zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Schweißoptik 1, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzug ten Variante durchgeführt werden kann. Die 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 Bifokaleinsätze 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 Kollimations linse 3 kollimiert, wodurch der Ausgangslaserstrahl 6 zu einem kollimierten La serstrahl 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 Teil strahlen 8 aufgeteilt werden. Die Teilstrahlen 8 werden durch die Fokussierlinse 5 auf eine Oberfläche eines zu verschweißenden Bauteils (nicht dargestellt) fo- kussiert, wodurch auf der Oberfläche des Bauteils ein Schweißbild aus hier vier gleich großen Laserspots erzeugt wird.

Als mittlere Laserleistung P des Ausgangslaserstrahls 6 kann beispielsweise P >

2 kW, bevorzugt P > 4 kW gewählt werden.

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 50 pm < KFD < 150 pm, gewählt werden und für den Ringfaserdurch messer RFD beispielsweise 50 pm < RFD < 700 pm, bevorzugt 200 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 an deren Ausführungsformen kann beispielsweise auch ein Abbildungsverhältnis > 1:1 gewählt 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 teilweise in die Ringfaser 10 eingespeist, beispielsweise über einen teilweise in den Ursprungslaserstrahl eingeschobenen optischen Keil (nicht näher darge stellt). 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 ei- nen Durchmesser DK von 100 pm und der Ringanteil 14 hat hier einen Durch messer 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 Ring- anteil 14 eine ca. 15-fach größere Fläche auf als der Kernanteil 13. Eine mittlere Leistungsdichte im Kernanteil 13 ist dann hier etwa 15 mal größer als eine mitt lere Leistungsdichte im Ringanteil 14.

Die Laserspots 12 sind in einer Ringformation 16 angeordnet; durch die Laser- spot-Zentren 15 können die Eckpunkte eines Polygons (hier eines Quadrats) defi niert werden, das eine Innenfläche einschließt. Der Abstand zwischen zwei Laser spot-Zentren 15 von nebeneinanderliegenden, in der Ringformation 16 benach barten 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 Laserspot-Zentren 15 der in der Ringformation 16 benachbarten Laserspots 12 entspricht 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 gemein same Zentrum 17.

Bezüglich einer lokalen Vorschubrichtung 18 ist das Schweißbild 11 so angeord- net, dass zwei Laserspots 12a vorauslaufen und zwei Laserspots 12b nachlau fen.

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 Facettenplatte 27, wie sie in einer Schweißoptik verwendet werden kann, zur Erzeugung mehre- rer 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 be trägt hier etwa 0,15°, gemessen gegenüber einer Grundebene 25, die senkrecht zur Einstrahlrichtung des kollimierten Laserstrahls 7 liegt. Der kollimierte Laser- strahl 7 wird auf die Facettenplatte 27 eingestrahlt. Im Bereich der zentralen Fa cette 28 erfolgt keine Ablenkung des kollimierten Laserstrahls 7. In den Berei chen der sechs äußeren Facetten 29 wird der kollimierte Laserstrahl 7 abgelenkt (gebrochen). Somit ergeben sich ein unabgelenkter Teilstrahl 8 und sechs abge lenkte Teilstrahlen 8.

Fig. 6c zeigt ein Schweißbild 11 einer Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens mit sechs Laserspots 12 in einer Ringformation und einem zentralen Laser spot 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 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. Der zentrale Laserspot 12"' ist mit allen anderen Laserspots 12 bezüglich der Ringanteile 14 überlappend angeord- net. Die Kernanteile 13 überlappen jeweils nicht. Das Schweißbild 11 weist hier eine sechszählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation durch sechs La serspots 12 ausgebildet wird, die durch Drehung um 60° um das gemeinsame Zentrum 17 ineinander überführt werden können; der zentrale Laserspot 12"' bleibt von der Rotation unberührt, da sein Laserspot-Zentrum mit dem gemein samen 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 Über lappstoß miteinander verschweißt wurden. Es wurde ein Querschliff gefertigt und im Lichtmikroskop 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 Zei chenebene. Es wurde eine praktisch porenfreie, mediendichte Schweißnaht erhal ten. 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 Schweißge schwindigkeit SG = 5m/min gewählt. Der Leistungsanteil im Kern betrug 70%, der Kerndurchmesser DK war 100 pm, und der Ringdurchmesser DR war 400 pm für jeden Laserspot. Die aluminiumhaltigen Bauteile waren aus der Aluminiumle gierung AW-5083 gefertigt.

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' 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

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 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