DE19616844A1 - Verfahren zum Laserbeschichten sowie zum Laserschweißen von metallischen Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von metallischen Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laserbeschichten von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Laserschweißen ist aus offenkundiger Vorbenutzung bekannt. Dabei wird ein Laserstrahl auf das zu schweißende Werkstück fokussiert. Häufig wird der Schweißstelle gleichzeitig ein Prozeßgas zugeführt, das mehreren Anforderungen gerecht werden muß. Es soll einerseits die verwendeten Laseroptiken vor Spritzern und Verunreinigungen schützen und andererseits unerwünschte Reaktionen der Umgebungsatmosphäre mit dem Schweißbereich verhindern oder begrenzen. In der Regel wird das Prozeßgas durch eine Düse koaxial zum Laserstrahl gerichtet zugeführt, u. U. kann jedoch statt dessen oder zusätzlich auch eine transversal zum Laserstrahl gerichtete zweite Düse Verwendung finden.

Als Prozeßgas werden im Stand der Technik in der Regel Inertgase verwendet. Stickstoff und Argon sind kostengünstig zur Verfügung stehende Gase, weisen allerdings den Nachteil auf, daß der Laserstrahl mit den Stickstoffmolekülen bzw. den Argonatomen wechselwirkt und so ein Prozeßgasplasma bildet, das unerwünscht ist, da es den Wir­ kungsgrad des Schweißens verringert. Es werden daher häufig Prozeßgase verwendet, die etwa 30% Helium in Argon enthalten. Helium unterdrückt die unerwünschte Plasma­ bildung im Prozeßgas, ist allerdings sehr kostspielig.

Das Beschichten von Werkstücken unter Zuhilfenahme von Laserstrahlen ist aus US-A- 4,958,058 und US-A-5,043,548 in der Form des sogenannten Laserplasmabeschichtens bekannt. In der erstgenannten Schrift ist der Laserstrahl transversal zur Auftragsrichtung des Beschichtungsmedium gerichtet, die zweite Druckschrift offenbart einen kollinear zur Auftragsrichtung gerichteten Laserstrahl. Gemeinsam ist den beiden Druckschriften, daß das Beschichtungsmedium (i.d.R. ein metallisches Pulver) mit dem Laserstrahl in dessen Fokuspunkt wechselwirkt. Die hohe Energiedichte im Fokuspunkt ionisiert das Be­ schichtungsmedium und bildet so ein Metallplasma, das anschließend auf das zu be­ schichtende Werkstück aufgebracht wird. Dieses Laserplasmabeschichten erfordert ei­ nen hohen Energieaufwand.

US-A-5,418,350 offenbart eine Düse und ein Verfahren zum Laserbeschichten, bei dem eine Wechselwirkung zwischen dem Beschichtungsmedium und dem Laserstrahl erst im Defokusbereich des Lasers, also beabstandet vom Fokuspunkt des Laserstrahls, statt­ findet. Im Fokuspunkt des Laserstrahls befindet sich hier lediglich das zum Auftragen des Beschichtungsmediums auf das Werkstück verwendete Prozeßgas. Auch hier taucht wieder das Problem auf, daß eine unerwünschte Plasmabildung des Prozeßgases (also nicht des metallischen Beschichtungsmediums) den Wirkungsgrad des Beschichtens vermindert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Laserschweißen bzw. Laserbeschichten der eingangs genannten Art zu schaffen, die kostengünstig und mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß als Prozeßgas beim Laserschweißen bzw. Laserbeschichten eine Mischung aus wenigstens einem Inertgas und Wasserstoff verwendet wird.

Im Rahmen der Erfindung bezeichnet der Begriff "Inertgas" jedes Gas und jede Gasmi­ schung, das bzw. die unter den beim Schneiden bzw. Beschichten auftretenden Bedin­ gungen keine oder nur geringfügige chemische Reaktionen mit dem zu bearbeitenden Werkstück, den beim Bearbeiten entstehenden Reaktionsprodukten und/oder der Um­ gebungsatmosphäre eingeht. Verwendbare Inertgase sind bspw. Edelgase, Stickstoff sowie Mischungen daraus. Unter den Edelgasen ist Argon besonders bevorzugt.

Der Begriff "Prozeßgas" bezeichnet jede Gasmischung, die beim Laserschweißen den Bereich der Schweißstelle zugeführt wird bzw. die beim Laserbeschichten entweder als Transportmedium für die aufzubringenden Stoffe (i.d.R. ein Metallpulver) dient oder aber separat dem Beschichtungsbereich zugeführt wird, bspw. um diesen Bereich vor der Umgebungsatmosphäre zu schützen. Beim Laserbeschichten kann das Prozeßgas gleichzeitig Transportfluid zum Heranführen des Beschichtungsmediums sein, es kann aber auch statt dessen oder aber zusätzlich separat dem Beschichtungsbereich zuge­ führt werden.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß schon ein verhältnismäßig geringer Volumenanteil Wasserstoff in einem Inertgas die Ionisationsneigung dieser Gasmischung insgesamt so stark herabsetzt, daß eine im Rahmen der Erfindung sowohl beim Schweißen als auch beim Beschichten unerwünschte Gasplasmabildung weitge­ hend vermieden wird. Diese Wirkung beruht unter anderem darauf, daß die hohe Wär­ meleitfähigkeit des Wasserstoffs und sein geringer Atomdurchmesser eine erhöhte Re­ kombinationsrate bereits ionisierter Atome bewirkt und somit die Plasmabildung unter­ drückt. In US-A-4,959,058 und US-A-5,043,548 werden wasserstoffhaltige Prozeßgase beim Laserplasmabeschichten zwar schon offenbart. Jedoch handelt es sich bei diesen Beschichtungsverfahren um Plasmabeschichtungsverfahren, bei denen eine Plasmabil­ dung nicht etwa unterdrückt werden soll, sondern im Gegenteil Voraussetzung für das Funktionieren des Verfahrens ist. Die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und den Beschichtungsmedien findet bei diesen US-Schriften im Fokuspunkt des Laserstrahls statt. Es war daher für den Fachmann völlig überraschend, daß erfindungsgemäß eine Plasmabildung durch ein wasserstoffhaltiges Prozeßgas unterdrückt wird. In diesem Zu­ sammenhang sei angemerkt, daß die beiden genannten US-Schriften ausdrücklich eine Plasmabildung auch des Prozeßgases für wünschenswert halten, die von dem Gasplasma abgestrahlte Wärme soll dann das als Beschichtungsmedium vorgesehene Metallpulver verdampfen.

Im Unterschied zu diesem Stand der Technik schlägt der Aspekt der Erfindung, der sich mit dem Laserbeschichten beschäftigt, vor, den Laserstrahl erst im Defokusbereich un­ mittelbar mit dem Beschichtungsmedium wechselwirken zu lassen und dieses dadurch in die zum Auftragen gewünschte Form (i.d.R. in eine flüssige oder Gasform) zu bringen. Die Erfindung vermeidet somit den energieaufwendigen Umweg über ein Plasma, den der Stand der Technik benutzt.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Prozeßgasmischung beim Laserschweißen war für den Fachmann ebenfalls überraschend, da der Stand der Technik einen Heliumzusatz zur Vermeidung der unerwünschten Plasmafackelbildung (eine Plasmabildung im Pro­ zeßgas bereits vor dem Auftreffen des Laserstrahls auf die Metalloberfläche) für erfor­ derlich hielt. Zwar ist es beim Lichtbogenschweißen bereits aus offenkundiger Vorbenut­ zung bekannt, der Schweißstelle von hinten ein Schutzgas zuzuführen, das Wasserstoff in Argon enthält. Der technische Effekt des Wasserstoffs ist hier jedoch lediglich die Bin­ dung von ggf. trotz Schutzgasspülung zur Schweißstelle gelangendem Luftsauerstoff. Der Fachmann konnte nicht erwarten, daß der Wasserstoffzusatz beim Laserschweißen die Plasmafackelbildung verhindert oder verringert, im Gegenteil ist beim Lichtbogen­ schweißen gerade die Entstehung eines Plasmas zur Lichtbogenbildung erforderlich.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen können vorteilhaft bei­ spielsweise metallische Werkstücke aus austenitischem Stahl, austenitisch-ferritischem Stahl, oder einer Nickel-Basis-Legierung geschweißt werden.

Beim Laserbeschichten wird das Beschichtungsmedium vorzugsweise als Pulver (bevorzugt ein Metallpulver) zugeführt. Die zu beschichtenden Werkstücke werden in der Regel metallische Werkstücke sein, es kann sich jedoch auch um andere Materialien (bspw. keramische Materialien) handeln. Das Beschichtungsmedium kann ggf. auch in Form bspw. einer Stange zugeführt werden, von der mittels des Laserstrahls Beschich­ tungsmedium abgeschmolzen wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Laserbeschichtens ist der Laserstrahl im wesentlichen kollinear zu der Hauptauftragsrichtung des Beschichtungsmediums. Wenn das Beschichtungsmedium bspw. kegelförmig aus der Beschichtungsdüse austritt, ist die Hauptauftragsrichtung die Achse dieses Kegels.

Bevorzugte Wasserstoffanteile des zum erfindungsgemäßen Laserschweißen bzw. -beschichten verwendeten Prozeßgases liegen bei 1-30, vorzugsweise 3-25, weiter vorzugsweise 5-15, besonders bevorzugt etwa 10 Vol.-% Wasserstoff.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläu­ tert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch wesentliche Elemente einer Schweißvorrichtung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Laserschweißens;

Fig. 2 schematisch wesentliche Elemente einer Beschichtungsanlage zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Laserbeschichtens.

Zunächst wird das Laserschweißen anhand Fig. 1 beschrieben. Ein Laserstrahl 1 wird mittels einer Fokussierlinse 2 auf das zu schweißende Werkstück 6 gerichtet. Dabei tritt er durch eine Düse 3 und deren Mundstück 11 hindurch. Der Laser selbst ist in der Zeichnung nicht dargestellt, geeignete Laser sind dem Fachmann geläufig. Bspw. kann ein CO₂-Laser oder Feststofflaser wie z. B. ein Nd-YAG-Laser verwendet werden. Ge­ eignete Strahlleistungen liegen bspw. im Bereich 1-3 kW. Größere Laserleistungen sind ggf. ebenfalls anwendbar, jedoch werden dann bevorzugt Spiegeloptiken zur Fokussie­ rung des Laserstrahls verwendet. Die Fokussierlinse 2 fokussiert den Laserstrahl auf die Oberseite des zu schweißenden Werkstücks 6. Der Durchmesser der Öffnung des Dü­ senmundstücks 11 kann im Bereich 3-15 mm, vorzugsweise 7-10 mm liegen. Der Ab­ stand des Düsenmundstücks 11 von der Oberfläche des Werkstücks 6 liegt bevorzugt im Bereich 10-15 mm.

Die Düse 3 weist eine Zufuhrleitung 5 auf, durch die Prozeßgas in eine Kammer 4 ge­ führt wird. Als Prozeßgas wird eine Ar-H₂-Mischung mit einem Wasserstoffanteil von 10 Vol.-% verwendet. Die zugeführte Prozeßgasmenge beträgt vorzugsweise 30 l/min (gemessen unter Normbedingungen).

Das zu schweißende Blech 6 stützt sich auf einer Tragvorrichtung 9 ab. Die Düse 3 kann zur Konstanthaltung bzw. Regelung des Arbeitsabstandes mit einem Abstandssensor 7 (bspw. einer induktiven Abstandssensorik) ausgerüstet sein.

Bei dem Schweißvorgang wird das Blech 6 mit einer Geschwindigkeit von z. B. 6 m/min in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Pfeils durch die Schweißvorrichtung geführt. Der Wasserstoffanteil im Prozeßgas bewirkt, daß der größte Teil der Energie des Laser­ strahls 1 unmittelbar mit dem Material des Blechs 6 im Bereich der Schweißstelle wech­ selwirkt. Eine Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Prozeßgas durch Ionisation des Prozeßgases und daraus resultierende Plasmabildung wird vermieden bzw. verringert. Es geht also keine oder nur wenig Energie des Laserstrahls 1 bei der Bildung einer un­ erwünschten Plasmafackel im Prozeßgas verloren. Besonders bemerkbar macht sich diese vorteilhafte Wirkung der Erfindung, wenn mit hohen Laserleistungen über 3 kW (und dementsprechend Spiegeloptiken zur Fokussierung) und einer dementsprechend hohen Leistungsdichte im Bereich der Schweißstelle gearbeitet wird.

Im Rahmen der Erfindung kann das Prozeßgas auch anders zugeführt werden, bspw. über eine in der Zeichnung nicht dargestellte, seitlich angeordnete Düse. Eine solche Düse kann entweder zusätzlich oder anstelle der Düse 3 vorgesehen sein.

Eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Schweißen von austenitischem Edelstahl (AISI 304) mit einer Materialstärke von 2 mm. Ein anderer vorteilhaft zu schweißender Werkstoff ist bspw. eine Nickel-Basis-Legierung.

Das erfindungsgemäße Laserbeschichten wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 be­ schrieben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen hier gleiche oder ähnliche Bauteile. Ein Laserstrahl 1 wird mittels einer Fokussierlinse 2 in der Düse 3 fokussiert, der Fokuspunkt liegt bei 12. Der Laser zur Erzeugung des Laserstrahls 1 ist in der Zeichnung nicht dar­ gestellt, geeignete Laser sind dem Fachmann geläufig. Es können die gleichen Laser, wie oben im Zusammenhang mit dem Laserschweißen erläutert, verwendet werden. Ge­ eignete Strahlleistungen liegen bspw. im Bereich 1-3 kW, bevorzugt etwa 2 kW bei Fo­ kussierung mittels Fokussierlinse 2. Ggf. können höhere Strahlleistungen, bevorzugt unter Verwendung von Spiegeloptiken zur Fokussierung, verwendet werden. Der Ab­ stand der Unterkante der Düse 3 zum Werkstück liegt bspw. im Bereich 3-30 mm, be­ vorzugt 20-25 mm.

Die Düse 3 kann erforderlichenfalls durch in der Zeichnung nicht dargestellte Kühlein­ richtungen (bspw. mittels Kühlwasser) gekühlt werden.

Die Düse 3 weist einen Einlaß 10 auf, der der Zufuhr des Beschichtungsmediums dient. In der Regel handelt es sich dabei um ein metallisches Pulver, das durch einen Träger­ gasstrom gefördert wird. Als Trägergas wird bevorzugt das erfindungsgemäße Prozeß­ gas eingesetzt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Ar-H₂-Mischung mit einem H₂- Gehalt von 10 Vol.-%. Das Beschichtungsmedium tritt bei 13 aus der Düse 3 und wird in Richtung auf das Werkstück 6 zu gefördert. Über eine weitere Zufuhreinrichtung 8 der Düse 3 wird erfindungsgemäßes Prozeßgas als sogenanntes Fokussiergas zugeführt. Es tritt bei 14 aus der Düse aus und fokussiert aufgrund der Injektorwirkung den bei 13 austretenden Strom des Beschichtungsmediums auf das Werkstück 6 zu. Man erkennt, daß eine Wechselwirkung zwischen Beschichtungsmedium und Laserstrahl 1 erst au­ ßerhalb des Körpers der Düse 3 und unterhalb des Fokuspunkts 12, also im Defokusbe­ reich des Laserstrahls stattfindet. Die Energiedichte des Laserstrahls in diesem Defo­ kusbereich ist ausreichend, um das zur Beschichtung vorgesehene Metallpulver in eine für das Beschichten geeignete Form (Flüssig- oder Gasphase) zu bringen. Eine Bildung von Metallplasma findet jedoch nicht statt. Gleichfalls vermieden wird eine unerwünschte Bildung von Plasma des Prozeßgases, obwohl dieses Prozeßgas im Bereich des Fokus­ punkts 12 zugegen ist und damit prinzipiell mit dem Laserstrahl 1 auch in diesem Bereich hoher Energiedichte wechselwirken kann. Der erfindungsgemäße Wasserstoffzusatz vermeidet bzw. verringert jedoch die unerwünschte Plasmabildung.

Das zu beschichtende Werkstück 6 stützt sich auf einer Tragvorrichtung 9 ab. Der über die Zufuhreinrichtung 10 zugeführte Pulvermassenstrom liegt bevorzugt im Bereich von etwa 10-30 g/min. Der über die Einrichtung 8 zugeführte Fokussiergasstrom liegt be­ vorzugt bei etwa 10-20 l/min. Da in der Regel der Volumenstrom des Fokussiergases den des Trägergases deutlich überwiegt, ist es nicht unbedingt erforderlich, daß es sich auch bei dem Trägergas um ein erfindungsgemäßes Prozeßgas handelt. Ggf. können hier auch andere Trägergase verwendet werden. Entscheidend ist, daß das durch Mi­ schung von Fokussier- und Trägergas insgesamt entstehende Prozeßgas wasserstoff­ haltig ist.

Eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Beschichten von Baustahl mit Stellit-6-Pulver.

Claims (10)

1. Verfahren zum Laserschweißen von metallischen Werkstücken, bei dem die Schweißstelle von einem Prozeßgas umspült wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßgas eine Mischung aus wenigstens einem Inertgas und Wasserstoff verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Werk­ stück aus austenitischem Stahl besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Werk­ stück aus austenitisch-ferritischem Stahl besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Werk­ stück aus einer Nickel-Basis-Legierung besteht.

5. Verfahren zum Laserbeschichten von Werkstücken mit einem Beschichtungsmedi­ um, bei dem eine Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Beschichtungsmedi­ um im Defokusbereich des Laserstrahls stattfindet und bei dem der Wechselwir­ kungsbereich Laserstrahl/Beschichtungsmedium und/oder der zu beschichtende Werkstückbereich von einem Prozeßgas umspült wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßgas eine Mischung aus wenigstens einem Inertgas und Wasserstoff verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsme­ dium als Pulver zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl im wesentlichen kollinear zu der Hauptauftragsrichtung des Beschichtungsmedi­ ums ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas als Inertgas wenigstens ein Edelgas und/oder Stickstoff enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas Argon und/oder Stickstoff enthält.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas 1-30, vorzugsweise 3-25, weiter vorzugsweise 5-15, besonders be­ vorzugt etwa 10 Vol.-% Wasserstoff enthält.