DE10063165A1

DE10063165A1 - Prozessgas und Verfahren zum Laserschweißen

Info

Publication number: DE10063165A1
Application number: DE10063165A
Authority: DE
Inventors: Johann Herrmann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2002-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prozessgas zum Laserschweißen mit einem auf ein zu schweißendes Werkstück fokussierten Laserstrahl. Erfindungsgemäß enthält das Prozessgas neben Helium und Stickstoff zumindest Sauerstoff mit einem Anteil bis zu 30 Vol.-%. Das Prozessgas kann weniger oder gleich 85 Vol.-% Helium aufweisen. Vorteilhafterweise liegt der Anteil an Sauerstoff über 10 Vol.-%. Das Prozessgas kann ferner Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 40 Vol.-% enthalten. Die Erfindung eignet sich für das Laserschweißen niedriglegierter Stähle und beschichteter, insbesondere verzinkter, Stähle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prozeßgas zum Laserschweißen mit einem auf ein zu schweißendes Werkstück fokussierten Laserstrahl. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserschweißen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf eine zu bear beitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein inertgashaltiger Prozessgasstrom gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird, bei dem das Prozessgas eingesetzt wird.

Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussier barkeit, haben dazu geführt, dass Laser heute in vielen Gebieten der Materialbearbei tung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laser strahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsanlagen in Verbindung mit einer CNC-Steuerung eingesetzt.

Unter einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein im wesent lichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahl verstanden. Außer bei der überwiegend eingesetzten Methode mit auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahlung kann die Erfindung auch bei der selten benutzten Variante mit nicht exakt auf die Werkstückoberfläche fokussierter Strahlung angewandt werden.

Bei vielen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung wird metallisches und/oder sonstiges Material auf Temperaturen erhitzt, bei denen eine Reaktion mit den einhüllenden Gasen stattfindet. In vielen Fällen werden daher technische Gase eingesetzt, um diese Materialbearbeitungsprozesse effektiver, schneller und/oder mit verbesserter Qualität durchführen zu können.

Beim Laserschweißen erfüllen Prozessgase verschiedene Aufgaben. Die Kontrolle und Reduzierung des Plasmas ist bei hohen Laserleistungen zwingend. Dies ist beispiels weise aus der Veröffentlichung "Laser im Nebel", Dr. W. Danzer und Klaus Behler, Zeitschrift LASER, Ausgabe 1/87, Seiten 32 bis 36, bekannt. Andere Aufgaben wie der Schutz vor Oxidation, eine metallurgische Optimierung und/oder eine Maximierung der Geschwindigkeit und der Qualität (Spritzer, Poren, Nahtqualität) werden bislang vernachlässigt.

Beim Laserschweißen ist es bekannt, inerte Schutzgase wie Helium oder Argon einzusetzen. Auch Stickstoff wird teilweise verwendet. Vereinzelt werden auch Beimengungen von Kohlendioxid, Sauerstoff oder Wasserstoff zu Argon oder Stickstoff gemischt.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Prozessgas und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche ein verbessertes Laserschweißen er möglichen. Insbesondere sollten mit Hilfe des Prozessgases auch neben der Kontrolle und Reduzierung des Plasmas ein Schutz vor Oxidation, eine metallurgische Opti mierung und/oder eine Maximierung der Geschwindigkeit und der Qualität erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Prozessgas neben Helium und Stickstoff zumindest Sauerstoff mit einem Anteil bis zu 30 Vol.-% enthält.

Wesentlich ist für die Erfindung, dass das Prozessgas neben einem Inertgasanteil auch einen Aktivgasanteil aufweist.

Gute Ergebnisse haben sich bei Prozessgasen mit 0,1 bis 20 Vol.-% Sauerstoff erge ben. Vorzugsweise enthält das Prozessgas zwischen 0,5 und 10 Vol.-% Sauerstoff. In Ausgestaltung der Erfindung enthält das Prozessgas weniger oder gleich 85 Vol.-% Helium. Vorteilhafterweise liegt der Anteil von Helium im Prozessgas zwischen 5 und 50 Vol.-%.

Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass sogar bereits ein relativ niedriger Anteil an Helium in der Größenordnung von etwa 25 Vol.-% (z. B. ±10%) in der Regel für eine wirksame Plasmakontrolle ausreicht. Der genaue Prozentsatz für den Heliumanteil ist von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Laserleistung, der Energiedichte, der Materialart, der Menge an verdampftem Material, der Schutzgasmenge, der Art der Gaszufuhr zum Schweißprozess etc. abhängig. Die Anpassung der Gaszusammen setzung vor dem Hintergrund dieser Einflußfaktoren stellt für den Fachmann keinerlei Schwierigkeit dar.

Mit Vorteil kann das Prozessgas Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 40 Vol.-% enthal ten. In Weiterbildung der Erfindung enthält das Prozessgas zwischen 1 und 35 Vol.-% Kohlendioxid, vorzugsweise zwischen 5 und 30 Vol.-% Kohlendioxid, besonders bevor zugt zwischen 10 und 25 Vol.-% Kohlendioxid.

Versuche an verzinkten Blechen brachten sehr gute Ergebnisse mit einem Anteil von 10 bis 25 Vol.-% Kohlendioxid (z. B. 15 Vol.-% CO₂). Der Kohlendioxidanteil führte zu wesentlich konstanteren Schweißergebnissen. Der Schweißprozess war wesentlich sicherer und gegen Verunreinigungen des Nahtbereichs unempfindlicher. Die Geschwindigkeit konnte teilweise merklich gesteigert werden.

Es haben sich insbesondere Prozessgase

- aus einem ternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff und Sauerstoff,
- aus einem quaternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Kohlendioxid und Sauerstoff
- aus einem quaternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Argon und Sauerstoff oder
- aus einem quinternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff

bewährt.

In Ausbildung der Erfindung, insbesondere der genannten genannten ternären, quaternären bzw. quinternären Gasgemische, eignen sich für das Laserschweißen Prozessgase, welche zwischen 5 und 50 Vol.-% Helium, 0 bis 40 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 40 Vol.-% Sauerstoff, 0 bis 40 Vol.-% (insbesondere 0 bis 25 Vol.-%, vorzugs weise 0 bis 20 Vol.-%, besonders bevorzugt 0 bis 15 Vol.-%) Argon und restlich Stickstoff enthalten.

Helium dient dabei der Plasmaunterdrückung bzw. -kontrolle. Die Sauerstoffbeigabe kann am Schweißprozess mehrere bestimmte positive Effekte hervorrufen und zur Qualitätssteigerung beitragen. Kohlendioxid unterstützt den Schmelzfluß. Stickstoff wie auch Argon erhöhen die Abdeckung der Schweißzone. Stickstoff und Argon erfüllen auch zumindest teilweise die Aufgabe des Heliums und tragen daher als preis günstiger Ersatz des Inertgases Helium zur Wirtschaftlichkeit des Laserschweißens bei.

Die Erfindung kann im Zusammenhang mit allen Arten von Lasern zur Anwendung kommen. Vor allem eignet sie sich für den Einsatz bei der Laserbearbeitung mit Nd-YAG-Laser, Dioden-Laser und CO₂-Laser.

Mit dem erfindungsgemäßen Prozessgas können insbesondere mit Vorteil niedrig legierte Stähle und beschichtete, insbesondere verzinkte Stähle geschweißt werden.

Claims

1. Prozessgas zum Laserschweißen mit einem auf ein zu schweißendes Werkstück fokussierten Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas neben Helium und Stickstoff zumindest Sauerstoff mit einem Anteil bis zu 30 Vol.-% enthält.

2. Prozessgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas weniger oder gleich 85 Vol.-% Helium enthält.

3. Prozessgas nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 5 und 50 Vol.-% Helium enthält.

4. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 40 Vol.-% enthält.

5. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 1 und 35 Vol.-% Kohlendioxid, vorzugsweise zwischen 5 und 30 Vol.-% Kohlendioxid enthält.

6. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 0,1 und 20 Vol.-% Sauerstoff, vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 Vol.-% Sauerstoff enthält.

7. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas aus einem
ternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff und Sauerstoff,
quaternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Kohlen dioxid und Sauerstoff
quaternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Argon und Sauerstoff oder
quinternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff
besteht.

8. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 5 und 50 Vol.-% Helium, 0 bis 40 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 40 Vol.-% Sauerstoff, 0 bis 40 Vol.-% Argon und restlich Stickstoff enthält.

9. Verfahren zum Laserschweißen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf eine zu be arbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein inertgashaltiger Prozessgas strom gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendet wird.

10. Verwendung eines Prozessgases nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für das Laserschweißen niedriglegierter Stähle und/oder beschichteter, insbesondere verzinkter Stähle.