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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserfügen
eines Werkstücks, bei dem ein Laserstrahl und ein Prozessgas
an die Bearbeitungsstelle geleitet wird.
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Unter
dem Begriff Laser-Fügen werden bekanntlich Laser-Schweißverfahren
und Laser-Hartlötverfahren (Hartlöten, engl.:
brazing) zusammengefasst.
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Die
Eigenschaften der Laserstrahlung, besonders die Intensität
und gute Fokussierbarkeit, haben dazu geführt, dass Laser
heute in vielen Gebieten der Materialbearbeitung zum Einsatz kommen. Die
Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen
sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laserstrahl
koaxial angeordneten Düse auf.
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Unter
einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein
im Wesentlichen 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 Laserstrahlung oder mit Fokussierung auf zwei oder
mehr Foki angewandt werden.
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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 als Prozessgase eingesetzt,
um diese Materialbearbeitungsprozesse effektiver, schneller und/oder
mit verbesserter Qualität durchführen zu können.
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Zum
Beispiel beim Laserschweißen erfüllen Prozessgase
verschiedene Aufgaben, wie beispielsweise die Kontrolle und Reduzierung
des Plasmas, das sich bei hohen Laserleistungen ausbilden und die
Energieeinkopplung massiv stören kann. Dies ist z. B. aus
der Veröffentlichung
„Laser im Nebel",
Dr. W. Danzer und K. 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 Qualität der Materialbearbeitung werden ebenfalls durch
den Einsatz bestimmter Prozessgase erfüllt. Besonders vorteilhafte
Prozessgaszusammensetzungen werden z. B. in den Dokumenten
EP 1 022 086 A2 und
EP 1 279 461 A2 angegeben.
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Das
Dokument
DE 39 27 451
C1 offenbart einen Versuch die Prozessgaswirkung beim Laserbearbeiten
durch den Einsatz eines turbulent strömenden Prozessgasstromes
weiter zu verbessern.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein weiter verbessertes
Verfahren zum Laserschweißen zur Verfügung zu
stellen, durch das die Protzesstabilität verbessert und/oder
die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit erhöht
sowie eine hohe Schweißqualität erreicht wird.
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Die
gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Volumenstrom
des Prozessgases während des Schweißvorgangs mehrmals
verändert wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich allgemein
zum Laserschweißen und Laserhartlöten. Insbesondere
eignet es sich zum Laser-Tiefschweißen. Beim Laserschweißen
(Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen)
und Laserlöten mit Prozessgas wird mit Vorteil ein fokussierter
Laserstrahl eingesetzt und ein den Laserstrahl umhüllender
Prozessgasstrom wird gegen die Werkstückoberfläche
geleitet. Das Prozessgas wechselwirkt insbesondere mit dem Schmelzbad.
Beim Laser-Tiefschweißen bildet sich dabei eine Dampfkapillare,
ein sog. Keyhole, aus, in welches das Prozessgas eindringt und an
dessen Entstehung und Ausgestaltung das Prozessgas wesentlich beeinflusst.
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Zur
Lasermaterialbearbeitung werden bevorzugt CO2-
oder Neodym:YAG-Laser sowie Dioden-, Faser- oder Scheibenlaser eingesetzt.
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Durch
die Änderung des Gasvolumenstroms wird vorteilhafterweise
die Schmelze in Schwingung versetzt, worauf wohl die Erhöhung
der Protzesstabilität zurückzuführen
ist. Auch das Ausgasen des Schweißbads bzw. des flüssigen
Zusatzmaterials wird begünstigt. Dadurch wird die Qualität
der Verbindung verbessert und insbesondere die Porenbildung vermindert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit
ein prozesssicheres und qualitativ hochwertiges Fügen möglich.
Des Weiteren erhöht der durch die zeitliche Veränderung
des Gasvolumenstroms pulsierende Prozessgasstrom vorteilhaft die
maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit, mit besonderem
Vorteil ohne die Streckenenergie, d. h. den Energieeintrag in das
Werkstück pro Länge der Schweißnaht,
signifikant zu erhöhen.
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Der
Bezug auf eine mehrmalige zeitliche Änderung soll dazu
dienen die vorliegende Erfindung von einfachen Aus- und Einschaltvorgängen
am Beginn und am Ende eines Fügeprozesses sowie von einfachen
Spülvorgängen klar abzugrenzen. Unter mehrmalig
ist dabei mindestens 10 mal, bevorzugt mindestens 20 mal, besonders
bevorzugt mindestens 50 mal zu verstehen. Mit besonderem Vorteil werden
die beschriebenen Änderungsvorgänge während
der gesamten Dauer eines Fügeprozesses durchgeführt.
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Die Änderung
des Gasvolumenstroms kann z. B. durch abwechselndes Aus- und Einschalten
des Prozessgasstroms erzeugt werden, wobei die Dauer des ausgeschalteten
Zustandes zum eingeschalteten Zustand gleich- oder verschiedenlang
ausgebildet sein kann. Statt dem Aus- und Einschalten kann auch
lediglich ein Vermindern und wieder Erhöhen des Durchflusses
durch eine Zuleitung für das Prozessgas durchgeführt
werden.
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Vorteilhafterweise
wird die Änderung des Volumenstroms des Prozessgases mit
einer konstanten Periode durchgeführt.
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Bevorzugt
enthält das Prozessgas Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxid,
Sauerstoff und/oder Wasserstoff. Verwendet werden insbesondere Ein- und
Zwei-Komponentenmischungen, aber auch Drei- und Mehr-Komponentenmischungen
können eingesetzt werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
zusätzlich die Zusammensetzung des Prozessgases während
des Schweißvorgangs mehrmals verändert. Eine Änderung
der Zusammensetzung des Prozessgases ist nur bei Zwei- und Mehr-Komponentenmischungen möglich.
Die Prozessgasmischung wird dazu aus mindestens zwei Komponenten
vor Ort hergestellt (eine Komponente kann dabei auch eine Mischung sein).
Nun wird zumindest einer der beiden Volumenströme zumindest vermindert,
so dass sich infolgedessen die Zusammensetzung des Prozessgases am
Bearbeitungsort ändert. Die Änderung der Zusammensetzung
verstärkt dabei die vorteilhaften Effekte, die die erfindungsgemäße Änderung
des Volumenstroms hervorruft.
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Mit
besonderem Vorteil wird die Änderung des Volumenstroms
mit einer konstanten Amplitudenänderung durchgeführt.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Änderung
des Volumenstroms und gegebenenfalls der Zusammensetzung des Prozessgases
mit einem periodisch unverändert wiederkehrenden Verlauf
durchgeführt. Die Änderung des Gasvolumenstroms über
die Zeit kann z. B. zumindest zum Teil durch ein Rechteck-, Dreieck-
oder Sinusprofil oder Kombinationen davon dargestellt werden. Die Änderung
der Zusammensetzung z. B. eines zweikomponentigen Prozessgases kann
beliebige Kurvenformen, besonders auch die oben genannten, annehmen.
Dabei gilt es Darstellungen, bei denen auf der x- und y-Achse einer
Darstellung jeweils eine Komponente des Prozessgases angetragen
ist von Darstellungen, bei denen die Komponenten in y-Richtung und
die Zeit in x-Richtung angetragen ist, zu unterscheiden. Für
bestimmte Anwendungen kann auch ein periodisch modifiziert wiederkehrender
Verlauf besonders vorteilhaft sein.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der
Volumenstrom aus- und eingeschalten. Bei dieser, sehr einfach auszuführenden
Ausgestaltung der Erfindung zeigen sich die erfindungsgemäßen
Vorteile in besonders hervorgehobener Weise.
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Zweckmäßigerweise
wird der Gasvolumenstrom mittels eines veränderlichen Strömungsbegrenzers
oder mittels eines steuerbaren Ventils verändert. Vorteilhaft
wird z. B. ein stufenlos steuer- oder regelbares Ventil eingesetzt.
Eine andere Möglichkeit ist es, dass mindestens ein weiterer
Gasstrom entsprechend zugeschalten wird. Auch ein Bypass kann Anwendung
finden.
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Mit
besonderem Vorteil wird auch die Zusammensetzung des Prozessgases
mittels veränderlicher Strömungsbegrenzer oder
mittels steuerbarer Ventile verändert. Vorteilhaft werden
auch hier stufenlos steuer- oder regelbare Ventile eingesetzt, bevorzugt
jeweils in den Zuleitungen für die einzelnen Komponenten
des Prozessgases.
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Mit
besonderem Vorteil können piezoelektrische oder magnetische
Ventile zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung liegt die Frequenz für
die periodische Wiederholung zwischen 0,5 und 500 Hz, vorzugsweise
zwischen 1 und 100 Hz, besonders bevorzugt zwischen 3 und 30 Hz.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt die Frequenz
für die periodische Wiederholung zwischen 500 und 8000
Hz, vorzugsweise zwischen 700 und 5000 Hz, besonders bevorzugt zwischen
1000 und 3000 Hz.
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Gemäß der
Erfindung wird mit besonderem Vorteil die Änderung des
Gasvolumenstroms so durchgeführt, dass eine stehende, schwingende Drucksäule
entsteht. Der Volumenstrom bildet eine stehende Welle aus, so dass
eine schwingende Drucksäule entsteht. Die stehende, schwingende Drucksäule
ermöglicht eine optimale Druckverteilung und einen erhöhten
Kraftübertrag auf das Werkstück. Dies stellt eine
deutliche Verbesserung gegenüber den bekannten Verfahren
dar. Insbesondere entsteht eine stehende, schwingende Drucksäule
bei hohen Frequenzen, die bevorzugt zwischen 500 und 8000 Hz, besonders
bevorzugt zwischen 700 und 5000 Hz, und ganz besonders bevorzugt
zwischen 1000 und 3000 Hz liegen.
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Durch
geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen
Ausgestaltungen kann das Laser-Fügen mit besonderem Vorteil aufgabenspezifisch
optimiert werden.
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Die
erfindungsgemäßen Vorteile zeigen sich in besonders
ausgeprägter Weise, wenn die Verbindung durch Laserschweißen,
insbesondere durch Lasertiefschweißen erzeugt wird. Die
Vorteile der Erfindung zeigen sich jedoch auch beim Wärmeleitungsschweißen
mit Laser und beim Laserstrahlhartlöten.
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Beispielsweise
wird ein Prozessgas beim Laserschweißen periodisch aus-
und eingeschaltet. Das periodische Aus- und Einschalten erfolgt
mit einer Frequenz aus dem Bereich 500 bis 8000 Hz, vorzugsweise
zwischen 700 und 5000 Hz, besonders bevorzugt zwischen 1000 und
3000 Hz. Es ist auch möglich, das Prozessgas nicht aus-
und einzuschalten sondern nur den Volumenstrom zu vermindern und
wieder auf den Maximalwert beziehungsweise Ausgangswert zu erhöhen.
Vorteilhafterweise ist die Taktung des Prozessgases hierbei so,
dass eine stehende, schwingende Drucksäule entsteht, die
an der Bearbeitungsstelle wirkt.
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Gemäß einem
weiteren Beispiel erfolgt das Ein- und Ausschalten des Prozessgasvolumenstroms
mit Frequenzen im Bereich von 0,5 bis 500 Hz, vorzugsweise zwischen
1 und 100 Hz, besonders bevorzugt zwischen 3 und 30 Hz.
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Auf
ein Prozessgas, das am Bearbeitungsort aus zwei Komponenten gemischt
wird, bezieht sich das nächste Beispiel. So kann bei einer
Mischung aus beispielsweise Argon und Helium als Prozessgas Argon
und/oder Helium periodisch wiederholt vermindert oder ausgeschalten
werden, so dass sich Zusammensetzung und/oder Volumenstrom des Prozessgases
an der Bearbeitungsstelle periodisch ändern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1022086
A2 [0006]
- - EP 1279461 A2 [0006]
- - DE 3927451 C1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Laser
im Nebel", Dr. W. Danzer und K. Behler, Zeitschrift LASER, Ausgabe
1/87, Seiten 32 bis 36 [0006]