DE10113471A1

DE10113471A1 - Verfahren zum Hybridschweißen mittels eines Laserdoppelfokus

Info

Publication number: DE10113471A1
Application number: DE10113471A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Wedel; Roman Niedrig
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2021-03-20
Also published as: DE10113471B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridschweißverfahren, indem mindestens zwei Laserfokussierungspunkte (12, 13) im Schweißpunkt (20) oder im Bereich der entstehenden Schmelze um den Schweißpunkt fokussiert werden. Die Abstände und/oder Intensitäten der Fokussierungspunkte (12, 13) relativ zueinander und zur Schmelze (20) sind frei wählbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen oder Löten von Materialien mittels mindestens zweier Laserfokussierungspunkte und einer ge koppelten Schweißvorrichtung oder einer gekoppelten Lötvorrichtung.

Die Kopplung von unterschiedlichen Schweißprozessen, insbesondere mittels eines konventionellen Schweißverfahrens und eines Laserstrahls wird Laser- Hybridschweißverfahren genannt. Diese Verfahren werden vor allem in der Ferti gungstechnik verwendet, um die Vorteile der jeweiligen Verfahren zu kombinieren und auf spezifische Probleme anzuwenden. Bei einem Lichtbogenschweißverfahren wird die Schweißwärme durch einen hohen elektrischen Strom auf die Schweißoberfläche übertragen. Der Brennfleck des Lichtbogens erreicht jedoch keine große Einschweißtiefe in das Material. Auch Variationen bestimmter Schweißparameter, wie z. B. die zeitabhängige Veränderung des Schweißstromes (DE 198 08 383 A1), kann diese Schweißcharakteristik nicht wesentlich verändern.

Die Verwendung eines hochenergetischen Laserstrahles zur Behandlung, insbe sondere Verschweißen, von Oberflächen ist Stand der Technik (z. B. DE 197 51 195 C1). Die wärmebeeinflusste Zone des hochenergetischen Laserstrahls ist im Ge gensatz hierzu mit einer herkömmlichen Lichtbogenschweißanordnung wesentlich geringer als die Fläche des Brennfleckes. Die Einschweißtiefen sind jedoch im Ver gleich zum konventionellen Schweißverfahren wesentlich tiefer. Die Kombination dieser beiden Verfahren führt zu einer kelchförmigen Schweißnaht, mit der auch Spalte, z. B. zwischen Materialien, verschweißt werden können.

In der DE 199 16 831 A1 wird ein Verfahren zum Laser-WIG-Schweißen beschichte ter Stahlbleche beschrieben. Die Kombination eines Wolfram-lnertgas-(WIG)- Schweißverfahrens in Verbindung mit einem Nd:YAG-Festkörperlaser ermöglicht durch eine höhere Schweißnahtqualität als herkömmliche Schweißverfahren das Verschweißen von beschichteten Stahlblechen. Diese Möglichkeit ist jedoch nur in einem sehr engen Konfigurationsbereich möglich, bei dem die Parameter der Schweiß- und Lasereigenschaften genau vorgegebenen sind.

Aus der DE 198 49 117 A1 ist ein Verfahren und Vorrichtung zum gekoppelten La ser-MSG-Schweißen bekannt. Das Metallschutzgasschweißen (MSG) in Verbindung mit einem hochenergetischen Laser, wie z. B. ein CO₂-Laser oder ein Nd:YAG- Laser, wird als herkömmlicher Hybridschweißprozess durch einen weiteren Schweißprozess erweitert. Durch einen zusätzlichen, gekoppelten MSG- Schweißprozess wird das Schweißverhalten des herkömmlichen Hybridverfahrens verbessert und die Nahtqualität, vor allem beim Schweißen von Spaltenzwischen räumen, gesteigert.

Die Einzelschweißverfahren, wie Lichtbogen- oder Laserstrahlschweißenverfahren, bzw. deren Kombinationen als Hybridschweißverfahren haben die wesentlichen Nachteile, dass bestimmte Unzulänglichkeiten der Einzel- bzw. Hybridschweißverfahrens teilweise oder gar nicht berücksichtigt werden. In der Schmelze um den Schweißpunkt bildet sich aufgrund der hohen Temperaturen eine sogenannte Dampfkapillare aus. Erstarrt die Schmelze zu schnell, so bildet diese eingeschlossene Dampfkapillare Hohlräume und Poren, die die mechanische Fes tigkeit des Werkstückes und der Schweißnaht in einem hohen Maße negativ beeinflussen (z. B. "Online-Prozessüberwachnug bei Laserstrahltiefschweißen", G. Müller; Laser Magazin 6/2000, Seite 20ff.). In Verbindung mit einer nicht regulierten Laserstrahlung kann es bei einer größeren Ausdehnung der Schmelze zu einer Unterbrechung des elektrischen Stromes und damit des Lichtbogens kommen. Ein kontinuierliches, insbesondere automatisiertes, Verschweißen wird hierdurch verhindert und die Schweißqualität reduziert. Das Verschweißen von Spaltzwischenräumen mit nur einem Laserfokussierungspunkt führt zu einer asymmetrischen Temperaturverteilung über den Spalt hinweg und reduziert damit lung über den Spalt hinweg und reduziert damit die Schweißnahtqualität. Weiterhin kann die unkontrollierte Energieverteilung innerhalb der Schmelze bei heterogenen Werkstücken zu einem Herauslösen einzelner Bestandteile, wie z. B. Kohlenstoff verbindungen, führen, die die Materialeigenschaften einzelner Bereiche, z. B. einer Beschichtung, oder des gesamten Werkstückes negativ beeinflussen und unkontrol liert verändern können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Er findung die Qualität der Schweißnaht zu verbessern und beim Verschweißen von nichtschlüssigen Werkstücken eine asymmetrische Schweißnaht zu verhindern.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff "Schmelze" bei einem homogenen Werkstück oder bei zwei schlüssig abschließenden Werkstücken die räumliche Ausdehnung der reduzierten Festigkeit der Werkstückoberflächen um den hochenergetischen Schweißpunkt verstanden. Für das Verschweißen von zwei Werkstücken über einen Spalt hinweg wird mit "Schmelze" das noch viskose Schweißgut im Spalt und die durch den Schweißvorgang unmittelbar thermisch be einflussten Kanten und Seiten der zu verschweißenden Werkstücke verstanden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, dass der Laserstrahl mindestens zwei Fokussierungspunkte im Schweißpunkt oder im räumlich geringen Abstand zum Schweißpunkt besitzt. Durch die frei wählbare Veränderung der Abstände der Fokussierungspunkte zu einander oder zum Schweißpunkt und/oder der Intensitäten der jeweiligen Fokussie rungspunkte kann in Abhängigkeit vom Hybridschweißprozess die eingebrachte Energie in den Schweißpunkt und der Umgebung sehr genau beeinflusst werden. Hierdurch kann die Temperaturverteilung und -entwicklung der Schmelze im Schweißpunkt bzw. der Schweißnaht gesteuert werden.

Mit Hilfe einer ständigen Temperaturmessvorrichtung können, in Abhängigkeit von den Messdaten, die Einstellungsparameter des Lasers, wie z. B. Anzahl, Abstände und Intensitäten der Fokussierungspunkte, und der Schweißanordnung, wie. z. B. Drahtvorschub, so verändert werden, dass die oben genannten Nachteile nicht oder nur in einem sehr geringen Maße auftreten. Die Qualität der Schweißpunkte bzw. der Schweißnaht wird hierdurch erhöht und das umgebende Werkstück in seinen Materialeigenschaften durch den Schweißvorgang nur sehr gering verändert.

Dieses Verfahren bietet damit die Möglichkeit, die Temperaturverteilung und den Abkühlprozess der Schmelze durch die Fokussierungspunkte der Laserstrahlung so zu steuern, dass die Bildung von Hohlräumen und Poren aufgrund von schnell er starrten Dampfkapillaren stark reduziert und die Festigkeit der Schweißnaht bzw. des umgebenden Werkstückes nicht beeinflusst wird.

Auch die Laser-Hybridverschweißung von Materialien über einen Spalt hinweg, kann mit diesem Verfahren wesentlich besser durchgeführt werden und verhindert eine asymmetrische Ausbildung der Schweißnaht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Fokussierungspunkt des Laserstrahls auf die Kante des ersten Werkstückes und der zweite Fokussierungspunkt auf die zu verschweißende Kante des zweiten Werkstückes gelegt werden. Dies führt, bei gleich gewählten Intensitä ten der Fokussierungspunkte, zu einer homogenen Erwärmung der gesamten Schweißzone und verbessert die Qualität der Schweißnaht, gewährleistet eine voll ständige Auffüllung des gesamten Spaltzwischenraumes mit der Schmelze und ver hindert ein einseitiges Aufschmelzen nur eines Werkstückes und damit die Ausbil dung einer asymmetrischen Schweißnaht.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Figu ren näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des erfin dungsgemäßen Hybridschweißverfahrens mit einem Laserdoppelfokus;

Fig. 2 eine Aufsicht auf zwei sich überlappende Laser fokussierungspunkte relativ zur Position des Schweißdrahtes entlang einer Schweißnaht;

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Spalt zwischen zwei Blechen, wobei auf jeweils einem Blech ein Fokussierungspunkt positioniert ist und dieser relativ zur Posi tion des Schweißdrahtes entlang Spaltzwischenrau mes verschiebbar sind.

In der Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht des Hybridschweißverfahrens mit einem Laserdoppelfokus dargestellt. In Verbindung mit einem konventionellen Schweißbrenner 15 wird der Schweißdraht 14 direkt auf das zu verschweißende Werkstück (Blech) 10 geführt. Die dabei entstehende Schmelze 20 wird direkt oder im Bereich der entstehenden Schmelze durch einen Laserstrahl bestrahlt. Der La serstrahl wird durch eine Bearbeitungsoptik 16 mit Hilfe eines Doppelfokusfor mungs-Moduls 19 in zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Fokussierungspunk ten (12, 13) aufgeteilt. Eine Ausführungsform des Doppelfokusformungs-Moduls ist in der DE 199 61 918.2 offenbart. Hierbei gewährleistet das Doppelfokusformungs- Modul 19, das die Intensitäten und/oder Abstände der Fokussierungspunkte unab hängig voneinander frei wählbar sind. Das Doppelfokusformungsmodul 19 kann beispielsweise zwischen einem Kollimationslinsensystem 17 und einem Fokussie rungslinsenystem 18 einer Bearbeitungsoptik 16 angeordnet sein, wenn der Laser strahl durch ein - nicht gezeigtes - Lichtleitkabel an das Werkstück 10 geführt wird. Durch die Bearbeitungsoptik 16 wird eine genaue Positionierung und Intensitätszu weisung der Fokussierungspunkte 12, 13 in der Schmelze 20 erreicht und das ther mische Verhalten der Schmelze 20 kontrolliert beeinflusst.

In der Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die Bearbeitungspunkte des doppelfokussierten Laserstrahls 12, 13 und des Schmelzpunktes 20 der Schweißanordnung (als Durch stoßpunkt des Schweißdrahtes 14 durch die zu verschweißenden Bleche 10, 11) aufgetragen. Durch die freie Positionierbarkeit und Zuordnung geeigneter Intensitä ten der Fokussierungspunkte 12, 13 gegeneinander und relativ zum Schweißpunkt kann das Temperaturverhalten in der Schweißnaht und in den umgebenden Ble chen 10, 11 gesteuert werden. Die Fokussierungspunkte 12, 13 können mit Hilfe des Doppelfokus-Moduls 19 sogar überlappend positioniert werden. Die Hohlraum- und Porenbildung aufgrund der Ausbildung der Dampfkapillare wird damit verhindert.

Die Fig. 3 verdeutlicht die Vorteil des Hybridschweißverfahrens mittels eines La serdoppelfokus. Zwischen zwei Blechen 10, 11 befindet sich ein zu verschweißender Spalt, wobei auf der zu verschweißenden Kante des einen Blechs 10 ein Fokussierungspunkt 12 positioniert ist und auf der Kante des Gegenblechs 11 ein anderer Fokussierungspunkt 13. Die Positionen der Fokussierungspunkte 12, 13 können relativ zum Schweißdraht 14 entlang des Spaltzwischenraumes verschoben wer den. Dies verhindert eine ungleichmäßige Erwärmung der Bleche 10, 11 und ver bessert die Schweißqualität. Lasersysteme herkömmlicher Laser- Hybridschweißverfahren können nur jeweils eine Blechkante oder den schon ver schweißten Spalt bestrahlen und erzeugen damit asymmetrische Schweißnähte bzw. Schweißnähte mit Hohlräumen und Poren und damit reduzierten Festigkeiten.

Bezugszeichenliste

10

Blech

1

11

Blech

2

12

Erster Laserstrahlfokussierungspunkt

13

Zweiter Laserstrahlfokussierungspunkt

14

Schweißdraht

15

Schweißbrenner

16

Bearbeitungsoptik

17

Kollimationslinsensystem

18

Fokussierungslinsensystem

19

Doppelfokusformungs-Modul

20

Schmelze

Claims

1. Verfahren zum Schweißen von Materialien mittels eines Laserstrahls und einer gekoppelten Schweißvorrichtung, auch Laser- Hybridschweißverfahren genannt, dadurch gekennzeichnet, dass min destens zwei Laserfokussierungspunkte (12, 13) in den Schweißpunkt (20) oder in den Bereich der entstehenden Schmelze um den Schweiß punkt gerichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Fokussierungspunkte (12, 13) relativ zueinander und zum Schweiß punkt (20) frei wählbar sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitäten der einzelnen Fokussierungspunkte (12, 13) frei wählbar sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungspunkte (12, 13) durch einen einzelnen Laserstrahl er zeugt werden, wobei der Laserstrahl in zwei Fokussierungspunkte (12, 13) aufgespalten wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein Doppelfokusformungs-Modul (19) zwischen einem Kollimationslinsen system (17) und einem Fokussierungslinsensystem (18) den Strahlen gang eines Laserstrahls in zwei Fokussierungspunkte aufteilt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungspunkte (12, 13) durch separate Laser erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Parameter des Schweißprozesses, insbesondere die Schweißgeschwindigkeit und -güte, überwacht, gemessen und variiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Laserparameter, insbesondere Abstände und Intensitäten der Fokussie rungspunkte (12, 13), auf der Grundlage der Messungen laufend und un abhängig voneinander variiert werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch einen CO₂-Laser erzeugt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch einen Nd:YAG- Laser erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch einen Hoch leistungs-Diodenlaser erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Schweißvorrichtung eine Lötvorrichtung mit interner oder externer Lötdrahtführung verwendet wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine ständige Temperaturmessung der Schmelze (20) die Parameter des Lasers und/oder der Schweißan ordnung (14, 15) für eine optimale Schweißtemperatur angepasst werden.