DE2211195A1

DE2211195A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialschweißung

Info

Publication number: DE2211195A1
Application number: DE19722211195
Authority: DE
Inventors: Conrad Martin Manchester; Brown Clyde Owen Newington; Conn. Banas (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-03-08
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1972-10-05
Also published as: FR2128872A1; GB1336806A; FR2128872B1; IT949946B

Description

Patentanwälte Dipl.-Inc. F.

Dipl.-Ing. H. "We ι c km an n, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

<983921/22>

UNITED AIRCRAFT CORPORATION

400 Main Street, East Hartford, Conn. 06108, V. St. A.

Verfahren und Vorrichtung zur Materialschweißung

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Schweißung; sie betrifft insbesondere die Schweißung mit Hilfe eines Laserstrahls. Unter geeigneten Bedingungen können tiefgehende Schweißungen mit einem hohen Tiefe-Breite-Verhältnis erzeugt werden.

Die Schweißung mit Hilfe fokussierter Elektronenstrahlen ist bereits bekannt und seit einer Anzahl von Jahren kommerziell ausgeführt. Mit der Erfindung des Lasers zeigte es sich bei vielen Untersuchungen, daß ein gebündelter Strahl von kohärentem Licht auch zum Schweißen verwendet werden könnte. Es ist daher vielfach davon berichtet worden^ daß durch einen Laserstrahl erfolgreich Schweißungen ausgeführt

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worden sind. Es ist jedoch festzustellen, daß bisher mit Hilfe eines Laserstrahls tiefgehende Schweißungen, wie sie üblicherweise durch Anwendung der Elektronenstrahltechnologie erzielt werden, nicht erreicht worden sind. Die Eigenschaft der tiefgehenden Schweißung mit Hilfe von Elektronenstrahlen ist in der US-PS 2 987 610 angegeben, auf die bezüglich der erwähnten Eigenschaft hier hingewiesen sei. Vor der Entdeckung der Eigenschaft der tiefgehenden Schweißung wurde im allgemeinen die Schweißung sogar mit Elektronenstrahlen lediglich durch Wärmeleitung anstatt durch direkte Energieübertragung ausgeführt. Bei mit einer Wärmeübertragung arbeitenden Schweißungen wird eine Energie an die jeweilige Materialoberfläche abgegeben, wovon sich die betreffende Energie durch Wärmeleitung in das Material ausbreitet. Die Wärmeleitung stellt einen relativ langsamen Prozess dar; sie setzt sich von der Quelle aus gleichmäßig in sämtliche Richtungen innerhalb eines homogenen Materials fort. Aus diesem Grunde ist die Schweißgeschwindigkeit begrenzt, und die jeweilige Schweißung zeigt ein halbkugelförmiges Aussehen, wobei die Schweißung eine Breite besitzt, die etwa gleich der Tiefe ist. Mit der Entdeckung der tiefgehenden Elektronenstrahlschweißung, bei der eine Schweißung durch direkte Energieübertragung erfolgt, war es möglich, tiefe, schmale Schweißungen bzw. Schweißstellen zu liefern, die ein Tiefe-zu-Breite-Verhältnis von 20 zu 1 oder ein noch größeres Verhältnis aufwiesen,, Bei dieser Art von Schweißung wird eine metallurgische Beschädigung von Werkstoffteilen neben der jeweiligen Schweißstelle verhindert, und außerdem werden festere und saubere Schweißstellen erhalten. Die thermische Verformung ist ebenfalls minimisiert, da nämlich maximale Energie zur Vornahme der Schweißung benutzt wird. Mit dem Aufkommen der

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tiefgehenden Schweißung hat sich das Gebiet der Elektronenstrahlschweißung und die industrielle Anwendung dieser Schweißung riesig erweitert.

Ein der Elektronenstrahlschweißung anhaftender Nachteil besteht jedoch darin, daß eine komplizierte und teure Vakuumbzw. Unterdruckkammer für die meisten Schweißungen erforderlich ist, da die verfügbare fokussierte Leistungsdichte der sich bewegenden Elektronen in der Atmosphäre schnell abnimmt, und zwar auf Grund von Kollisionen mit Luftmolekülen. Vor kurzem sind zwar Fortschritte im Hinblick auf ohne Vakuum arbeitende Schweißmaschinen gemacht worden. Bei diesen Maschinen ist jedoch dennoch eine Vakuumkammer erforderlich, um den Elektronenstrahl zu erzeugen, und das jeweilige Arbeitsstück muß unmittelbar neben der Austrittsstelle des Elektronenstrahls aus der Vakuumkammer in die sogenannten Nicht-Vakuum-Schweißberelche angeordnet sein. Dadurch ist die Geometrie möglicher Schweißungen beschränkt, und das Tiefe-Breite-Verhältnis der Schweißungen ist vermindert.

Es ist bereits bekannt, daß die Laser-Schweißung einen Vorteil gegenüber der Elektronenstrahl-Schweißung insofern mit sich bringt, als für die Aufnahme des Werkstücks keine Vakuumkammer mehr erforderlich ist, da nämlich der Laserstrahl sich ohne weiteres durch die Atmosphäre ausbreitet. Ein zusätzlicher mit der Laserstrahl-Schweißung verknüpfter Vorteil besteht noch darin, daß der Laserstrahl abgelenkt, fokussiert und wesentlich einfacher gerichtet werden kann als ein entsprechender Elektrc^nstrahl. Außerdem ist keine Röntgenstrahlenabschirmung erforderlich, wie dies bei der Elektronenstrahl-Anlage der Fall ist«, Bisher war es jedoch nicht möglich, mit Hilfe eines Laserstrahls eine tiefgehende Schweißung vorzu-

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nehmen, weshalb die Laser-Schweißung auf Schweißungen entsprechend dem Wärmeleitungstyp beschränkt war» Derartige Schweißungen konnten jedoch in vielen Fällen in entsprechend einfacher Weise durch eine herkömmliche Schweißvorrichtung ausgeführt werden. Die hohen Kosten einer leistungsfähigen Laser-Anlage rechtfertigen dabei nicht ohne weiteres deren Einsatz für einfache Wärmeleitungs-Schweißungen.

Es ist von vielen Forschern bereits von Untersuchungen mit Laser-Schweißvorrichtungen berichtet worden, jedoch jeweils nur mit geringem praktischen Erfolg. Da es bisher nicht möglich war, tiefgehende Schweißungen mit Hilfe eines Lasers zu erzeugen, war eine erfolgreiche Schweißung auf dünne Materialien beschränkt. Schweißstellen mit Dicken, wie sie auf dem Gebiet der Technik von Bedeutung sind, wurden entweder langsam ausgeführt, oder sie wiesen eine unannehmbare Qualität auf. Die NichtVerfügbarkeit einer Laseranlage hoher Leistung verminderte ebenfalls die Leistungen, die beim Experimentieren zur Verfügung standen; außerdem wurde dadurch die Tiefe auf Werte beschränkt, bis zu denen sogar herkömmliche Wärmeleitungs-Schweißungen ausgeführt werden konnten. Im übrigen ließ die Tatsache, daß die Metalloberflächen häufig einen hohen Anteil des auf sie auftreffenden Laserstrahls reflektierten, viele Forscher schließen, daß eine tiefgehende Schweißung mit Hilfe eines Laserstrahls nicht erfolgen könnte. So geben z.B_o die Autoren der Druckschrift "Machine Design", 15. Oktober 1970, S. 136 ff an, daß Laser keine guten Mittel zur Schweißung von Metallen sind, die dicker sind als ein dünnes Blatt, und daß eine Dicke von etwa 1 mm im allgemeinen als die praktisch obere Grenze für die Laserschweißung anzusehen ist. In dem

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betreffenden Artikel wird der Schluß gezogen, daß ein Elektronenstrahl für die Industrie praktischer hinsichtlich der Metallbearbeitung ist.

Von einigen Experimentatoren sind impulsweise betriebene Laser bei den Experimenten benutzt worden. Dabei trat jedoch neben dem Problem der Reflexionskraft noch das Problem auf, daß die derzeit zur Verfügung stehenden Impulsdauern die erzielbaren Schweißungen auf eine Dicke von etwa 1,6 mm beschränkten. Der Grund hierfür liegt darin, daß die erzielten extrem hohen Leistungsdichten die Neigung zeigen, das Material bei dem Werkstück zu verdampfen und eine durchgehende Ausnehmung zu bilden anstatt die Schweißung und das für eine Schweißung erforderliche Fließen zu bewirken. Im Dauerbetrieb arbeitende Laser besitzen diese Beschränkung nicht; sie liefern einen wesentlich stärker steuerbaren Strahl, der viele Nachteile der Nachteile eines Impuls-Lasers bei Schweißanwendungen vedlndert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu zeigen, wie unter Vermeidung der Elektronenstrahl-Schweißsystemen und den bisher bekannten Laser-Schweißsystemen anhaftenden Nachteile, vorzugehen ist, damit auf besonders einfache Weise tiefgehende Schweißungen erzeugt werden Können»

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung.

Gemäß der Erfindung ist ein COp-Laser vorgesehen, der einen Laserstrahl im TEM -Modus verstärkt. Der Laserstrahl wird durch geeignete Übertragungs- oder Reflexionsöptiken auf ein zu schweißendes Arbeitsstückmaterial fokussiert. Der

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Laserstrahl wird dabei so fokussiert -, daß er an der Auftreffstelle auf das Werkstückmaterial eine Leistungsdichte von 1O^P/A^1O⁸ Watt/Quadratzoll (entsprechend 3,543· P/A£3,543·1O⁸ Watt/cm²) besitzt, wobei P die Laserleistung und A die Fläche des Brennflecks bedeuten. Für eine bedeutsame Eindringung einer Schweißung sind Strahlleistungen im Bereich von 3 kW erforderlich. Eine wirksame oder tiefgehende Schweißung wird dadurch erzeugt, daß zwischen dem Laserstrahl und dem Arbeitsstück eine Relativbewegung hervorgerufen wird, deren Wert der Beziehung Υ>γ—- genügt, wobei d der Durch-

exp

messer des Lasers an dem Brennfleck und t die charakteristische Zeit fürfdie Materialverdampfung und -ablösung (die zur Lochausbildung führt) bedeuten. Diese Zeit ist durch die Auftreffleistung und durch/Leistungsdichte festgelegt.

Gemäß der Erfindung muß im übrigen die durch die hohe Reflexionsfähigkeit des jeweils zu schweißenden Materials hervorgerufene Reflexion des Laserstrahls von dem jeweiligen Arbeitsstück überwunden werden, bevor eine tiefgehende Schweißung erfolgen kann. Demgemäß ist es für eine tiefgehende Laser-Schweißung erforderlich, daß der unmittelbar unter dem fokussierten Brennfleck liegende Bereich des Arbeitsstückmaterials auf seine Verdampfungstemperatur in einer Zeit erwärmt wird, die gleich der charakteristischen Wärmediffusionszeit in dem betreffenden Bereich oder die kürzer als diese Zeit ist. Auf diese Weise wird die für Laserstrahlung charakteristischerweise hohe Metall-Reflexionsfähigkeit vermindert, und die Absorption des Lasers wird gesteigert. Die erforderliche Leistungsdichte steigt im Verhältnis zu dem Wärmeausbreitungsvermögen des Materials.

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An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläuterte

Fig. 1 zeigt schematisch in einer Draufsicht eine Laser-S chwe ißvorri chtung·

Fig. 2 zeigt eine typische, gemäß den Lehren der Erfindung vorgenommene tiefgehende Laser-Stumpfschweißung.

Tiefgehende Schweißungen sind bisher nur mit Elektronenstrahl-Schweißsystemen möglich gewesen. Sie zeichnen sich durch Tiefe-Breite-Verhältnisse aus, die wesentlich größer sind als eins. Ferner zeichnen sie sich durch eine kleine, durch Wärme beeinflußte Zone aus, durch hohe Festigkeit und dadurch, daß dem jeweiligen Arbeitsstück eine minimale Wärme zugeführt wird«, Die Erzielung derartiger Schweißungen hängt hauptsächlich von der Bereitstellung einer hinreichend hohen Leistung und Leistungsdichte auf der Materialoberfläche ab. Bisher konnte diese hohe Leistungsdichte nur mit Elektronenstrahlanlagen realisiert werden.

Bis etwa 1965 konnten tiefgehende Schweißungen lediglich mit Hilfe von Elektronenstrahlen vorgenommen werden, wobei das jeweilige Arbeitsstück in einem Hochvakuumsystem untergebracht wurde. Dadurch waren die Arbeitsstückgröße und die Schweißgeschwindigkeit durch die Vakuumkammercharakteristiken erheblich beschränkt. Die kürzliche Entwicklung einer ohne Vakuum auskommenden Elektronenstrahl-Schweißanlage erweitert die Fähigkeit dieses Schweißverfahrens auf atmosphärische Bedingungen«, In Systemen, in denen ohne Vakuum gearbeitet wird, werden jedoch unterschiedlich abgepumpte Kammern und ein aerodynamisches Fenster benutzt, um einen Elektronenstrahl aus einer Hochvakuumkammer in den Arbeitsbereich zu führen,

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in dem atmosphärischer Druck herrscht. Auf Grund der Strahlstreuung auf Grund der atmosphärischen Gasdichte nimmt die zur Verfügung stehende Strahlleistungsdichte mit zunehmender Arbeitsentfernung von der Strahlaustrittsöffnung erheblich ab. Dieser Faktor begrenzt z.Z. außerhalb des Vakuums die Elektronenstrahlschweißung auf Entfernungen bis zu etwa 1,27 cm, wodurch die Geometrie des jeweiligen Arbeitsstücks, das durch dieses Verfahren geschweißt werden kann, beschränkt ist. Auf Grund der durch die Streuung des Strahls in einem Bereich hohen Druckes hervorgerufenen verminderten Strahlleistungsdichte zeigen im Nichtvakuum ausgeführte Elektronenstrahlschweißungen ein geringeres Tiefe-zu-Breite-Verhältnis als in dem Fall, daß die betreffenden Schweißungen mit gleichen Strahlleistungen im Vakuum ausgeführt wären. Demgemäß nehmen die Fähigkeiten der Schweißdurchdringung bzw. Schweißeindringung ab. Ein weiterer Nachteil der Elektronenstrahlschweißung besteht darin, daß eine Röntgenstrahlenabschirmung über den gesamten Arbeitsstückbereich vorgesehen sein muß.

Im Unterschied zu der Elektronenstrahlschweißung bringt die Laser-Schweißung folgende Vorteile mit sich. Zum einen kann der Energiestrahl über nennenswerte Entfernungen durch die Atmosphäre geführt bzw_e übertragen werden, ohne daß dabei eine ernsthafte Dämpfung bzw. Abschwächung oder Beeinträchtigung der Fokussierungseigenschaft auftritt,, Zum weiteren ist eine Vakuumkammer für das Arbeitsstück nicht erforderlich. Im übrigen werden Röntgenstrahlen mit dem Auftreffen des Strahls auf das Werkstück nicht erzeugt. Schließlich kann der Strahl ohne weiteres abgelenkt, fokussiert und mit gewöhnlichen reflektierenden und/oder brechenden Optiken geformt

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werden· Ein Nachteil der Laser-Schweißung besteht jedoch darin, daß die meisten Metalle bei den Wellenlängen, die von den zur Zeit verfügbaren Hochleistungs-Dauerstrichlasern erzeugt werden, stark reflektierend sind. Auf Grund dieser Eigenschaft haben viele Forscher geschlossen, daß es unmöglich sei, mit Hilfe von Lasern tiefgehende Schweißungen zu erzielen oder daß in dem Fall, daß eine solche Schweißung möglich wäre, extrem hohe Leistungen erforderlich wären, nämlich auf Grund der Verluste, die durch die Reflexion des Laserstrahls hervorgerufen würden.

Bei gewöhnlichen Schweißverfahren, wie beim Sauerstoff-Acetylen-Schweißverfahren, beim MIG-Verfahren, beim TIG-Verfahren, beim Unterwasser-Lichtbogen-Schweißverfahren, etc., wird Wärmeenergie an die Materialoberfläche abgegeben und dann durch Wärmeleitung in das Material transportiert. Da der Wärmefluß sich gleichmäßig in allen Richtungen von der Oberfläche homogener Materialien ausbreitet, zeigt die jeweilige Schweißzone ein Tiefe-zu-Breite-Verhältnis von etwa eins. Aus diesem Grunde erhält man eine große, durch Wärme beeinflußte Zone, bei der hohe Energiezufuhren erforderlich sind und bei der eine thermische Verformung auftreten kann.

Bei hinreichend hohen Einfall-Leistungsdichten, wie sie nur mit Elektronenstrahlanlagen oder Laserstrahlanlagen zur Verfügung stehen, kann in dem jeweiligen Material ein Loch gebildet werden, so daß durch die Materialdicke hindurch Energie abgegeben wird. Innerhalb des Loches tritt eine Vielzahl von Reflexionen auf, wobei mit jeder Reflexion eine teilweise Absoprtion erfolgt. Auf diese Weise erfolgt eine Energieverteilung längs der Oberfläche des betreffenden Loches, wobei die große Anzahl von Reflexionen dasu dient,

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eine'im wesentlichen vollständige Absorption sicherzustellen. Das so erzeugte Loch ist statisch nicht stabil; es würde vielmehr zur Ausbildung einer Öffnung führen, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Arbeitsstück nicht aufträte. Wird das Arbeitsstück relativ zu dem Schweißstrahl bewegt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die zumindest zehn Durchmessern des fokussierten Strahlfleckes in der Zeit entspricht, die für einen Materialausstoß erforderlich ist, d,h. V·^ , so wird das betreffende Loch

exp
dynamisch stabil und durch das Material übertragen, wobei unmittelbar hinter dem betreffenden Loch eine Verfestigung des Materials auftritt. Eigenschaften der so gebildeten Schweißung können unter Zugrundelegung der Annahme einer sich längs einer Linie bewegenden Wärmequelle vorhergesagt werden, deren Wärme in dem Material verteilt wird. Die Breite der Schweißzone liegt in der Größenordnung der Strahlfleckgröße; die Tiefe der Schweißzone ist proportional der Auftreffleistung. Die einzigartige Eigenschaft dieses Schweißverfahrens ist durch einen Tiefe-zu-Breite-Wert charakterisiert, der erheblich größer ist als eins..

In Fig. 1 ist ein typischer Aufbau einer Anordnung zur Erzeugung von tiefgehenden Schweißungen mittels eines Laserstrahls gezeigt. Eine Laseranordnung bzw. ein Laser 10 wie ein C0₂-Laser, der bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikron arbeitet, liefert einen Laserstrahl 12 des TEM_QO-Modua mit hoher Leistung. Dieser Laserstrahl 12 trifft auf ein Fokussierungselement 14 auf, durch das er so gerichtet wird, daß er auf ein Arbeitsstück 16 auftrifft. Dieses Arbeitsstück 16 ist im Brennpunkt des betreffenden Laserstrahls angeordnet. Das Arbeitsstück ist auf einem Arbeits-

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tisch 18 untergebracht, der relativ zu dem Laserstrahl bewegbar ist, und zwar mittels eines Motorantriebs 20. Der Motorantrieb 20 ist mit dem Arbeitstisch derart verbunden, daß eine gleichmäßige, fortlaufende Bewegung erzeugt wird. Durch eine Leitung 24 kann ein Schutzgas von einer Gasabgabevorrichtung 22 in die Nähe des Arbeitsstücks 16 geleitet werden, um unerwünschte Reaktionen auf bzw. an der Oberfläche des Arbeitsstücks zu vermeiden.

Das Arbeitsstück 16 sei durch zwei metallische Stücke gebildet, die durch Bewegung des Arbeitstisches 18 in Bezug auf den Laserstrahl mittels einer Nahtschweißung zusammenzuschweißen sind. Andere Schweißarten können ebenfalls in an sich bekannter Weise ausgeführt werden. Die Aufspannung der Arbeitsstücke und der Vorrichtung zur Erzielung der Bewegung sind auf dem Gebiet der Elektronenstrahlschweißung an sich bekannt, weshalb hierauf nicht näher eingegangen werden wird.

Der Laser 10 kann ein Laser-Oszillator oder -Verstärker irgendeines Typs sein, der einen Strahl zu erzeugen gestattet,

6 welcher Leistungsdichten innerhalb der Grenzen 1Oe P/A^=

Watt/Zoll² (entsprechend 3,543°10^β^Ρ/Αίτ3,543·10⁸ W/cm²) bei Leistungen von etwa 3kW oder noch höheren Leistungen zu erzielen erlaubt. Dies macht es normalerweise erforderlich, daß der Laser in dem TEM_QO-Modus betrieben wird, so daß fokussierte Strahlfleckdurchmesser erzeugt werden.können, die sich an das theoretische, durch Beugung begrenzte Minimum annähern, wie es durch die Beziehung d = · festgelegt ist, wobei Λ die Strahlungswellenlänge, f die Brennweite und D die Strahlöffnung bedeuten. Da die Energieverteilung bei dem TEM -Modus einer Gaußschen Verteilung entspricht, bei der

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die maximale Energie in der Strahlmitte liegt, ist die Ausbildung des Loches vereinfacht, welches kennzeichnend ist für den mit tiefer Durchdringung arbeitenden Vorgang. Schwingungstypen höherer Ordnung, bei denen ein großer Anteil der Strahlenergie in dem äußeren Teil des Strahls auftreten kann, führen zu übermäßig hohen Energieablagerungen an den Kanten der Schweißung, was zu einer Unterbrechung des eine Tiefenwirkung entfaltenden Verfahrens führen kann. Im übrigen kann dies zu einem "weinglasförmigen" Querschnitt führen, bei dem eine verminderte Schweißtiefe vorhanden ist. Es kann aber auch zu einer flachen Wärmeleitungs-Schweißung führen.

Ein im Gegensatz zur Elektronenstrahlschweißung bei der Laserstrahlschweißung zu berücksichtigender bedeutender Faktor besteht darin, daß die Reflexionsfähigkeit der meisten Metalle bei den Wellenlängen, bei denen die derzeitigen Hochleistungslaser arbeiten, relativ stark ist und in einigen Fällen 90% überschreiten kann. Es dürfte ersichtlich sein, daß dann, wenn unter Ausnutzung der tiefen Durchdringung bzw. Eindringung eine wirksame Schweißung vorzunehmen ist, dieses Problem umgangen werden muß« Demgemäß ist hier ein Verfahren erforderlich, wie es bei der Elektronenstrahlschweißung nicht notwendig ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Oberflächenreflexionsfähigkeit R eines typischen reinen metallischen Materials bei Wellenlängen, bei denen derzeit Hochleistungs-Dauerstrichlaser arbeiten, proportional der Quadratwurzel seiner elektrischen Leitfähigkeit ist. Dies bedeutet, daß in erster Annäherung die Reflexionsfähigkeit umgekehrt proportional der

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Quadratwurzel der Temperatur ist. Da das Reflexionsvermögen bzw. die Reflexionskraft eine komplexe Funktion des chemischen und physikalischen Zustands der Oberfläche ist, stimmt diese Beziehung genau nur für hochpolierte Proben aus reinem Material. Tatsächlich folgt die Oberflächenbeschaffenheit jedoch diesem allgemeinen Zug, so daß die Beziehung als Richtschnur dremt. Da die Absorptionskonstante A für undurchsichtige Materialien gegeben ist durch die Beziehung

A=I-R,

nimmt die absorbierte Laserenergie mit der Temperatur entsprechend der nachstehenden Beziehung zu:

A ^A₀ V 1 + <*. CT-T₀)

hierin bedeuten A die Absorptionskonstante bei der Bezugstemperatur T , T die Temperatur des Arbeitsstücks und <A eine Konstante, deren Wert abhängt von dem Material. Der Anteil der von dem Material absorbierten Laserenergie nimmt daher mit der Temperatur zu. Die Beträge der Absorptionskonstanten einer Vielzahl von Materialien als Funktion der Temperatur sind aus der Literatur erhältlich»

Die Absorption nimmt ferner erheblich zu, wenn das Material vom festen zum flüssigen Zustand übergeht. Auf die Verdampfung des jeweiligen Materials hin wird ein Loch gebildet, das die Absorption noch weiter steigert, und zwar auf Grund der- Tatsache, daß infolge einer Vielzahl von Reflexionen Strahlungseinschlüsse auftreten. Die Erzielung des zuletzt genannten Zustands führt zu einer im wesentlichen vollständigen Absorption.

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Um ein tiefes Schweißloch zu erhalten, ist es erforderlich, daß genügend Energie an den Anfangsschweißpunkt abgegeben wird, um nämlich Verluste zu überwinden, die durch die Materialreflexionskraft hervorgerufen werden. Die Energieabgabe muß ferner lokalisiert sein, damit das Material im Brennpunkt des Laserstrahls innerhalb einer Zeit verdampft, die kürzer ist als die charakteristische Wärmeausbreitungszeit des betreffenden Materials. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß das im Brennpunkt des Laserstrahls befindliche Material verdampfen muß, bevor genügend Energie in das die betreffende Stelle umgebende Material geleitet ist, um die typische Schmelzeigenschaft der normalen Wärmeleitungsschweißung auftreten zu lassen. Wenn eine derartige Wärmeleitung und Schweißung auftreten, kann eine tiefgehende Schweißung nicht auftreten, da ein stabiles Loch nicht erzeugt werden kann. Damit erhält man eine Schweißung, deren Tiefe-zu-Breite-Verhältnis in der Größenordnung von eins liegt.

Um die erforderliche Verdampfung des Materials im Brennpunkt des Laserstrahls zu bewirken und eine Wärmeleitung durch das Material zu verhindern, derzufolge ein großes Materialschmelzbad entsteht, muß die Einfall-Leistungsdichte des auf die Oberfläche auftreffende Laserstrahls anfänglich sehr hoch sein. Dies wird durch die Gaußsche Verteilung des TEM_QO-Betriebsmodus erleichtert. Wenn die Reflexionskraft des Schweißmaterials so hoch ist, daß für eine lokalisierte Verdampfung nicht ausreichende Energie von dem Schweißmaterial innerhalb einer vorgeschriebenen kurzen Zeit absorbiert werden kann, dann kann es erforderlich sein, augenblicklich die Leistung des Schweißstrahls soweit zu erhöhen, daß eine Verdampfung ausgelöst und ein Loch gebildet wird. Die

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Oberflächenabsorption kann ferner künstlich durch einen Überzug gesteigert werden, der bei der Wellenlänge des Lasers stark absorbierend wirkt. Tritt eine Verdampfung einmal auf, so kann die Strahlleistung vermindert werden, und die Relativbewegung zwischen dem Arbeitsstück und dem Strahl kann bei stabiler Öffnung beibehalten werden. Ist das Loch einmal gebildet, so muß die Strahlleistung auf ihren Dauerschweißpegel vermindert werden, da sich sonst eine Aushöhlung bilden kann. Ein entsprechender Beginn läßt sich auch dadurch erhalten, daß die Schweißgeschwindigkeit anfänglich bei konstant gehaltener Strahlleistung vermindert wird.

Wenn die Leistungsdichte hinreichend hoch ist, ermöglicht die gebildete Öffnung eine Strahleindringung in das Material, wobei sie als schwarzer Körperhohlraum beim Einfangen der gesamten Strahlenergie wirkt, die auf die Oberfläche auftrifft. Wie oben bereits erwähnt, ist die betreffende Öffnung bzw. das betreffende Loch jedoch statisch instabil, und ferner kann es zu einer Aushöhlung kommen, wenn die Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Arbeitsstück nicht vorhanden ist. Dabei ist es speziell erforderlich, daß der Strahl relativ zu dem Arbeitsstück mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, die zumindest etwa zehn fokussierten Strahlfleckdurchmessern in der Zeit entspricht, die für eine Aushöhlungsbildung bzw. für eine Lochausbohrung erforderlich ist. Dies bedeutet, daß die betreffende Geschwindigkeit der Beziehung V^ genügt. Unter diesen

exp Voraussetzungen wird die betreffende Öffnung dynamisch stabil, wobei neben der Linie der Wärmequelle ein kleiner Bereich von geschmolzenem Material vorhanden ist_o Die betreffende Öffnung setzt sich durch das Material hindurch fort,

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wodurch eine Zone von stark erhitztem geschmolzenen Material gebildet ist, das unter Bildung einer Schweißung zusammenschmilzt. Die Eigenschaften der betreffenden Schweißung können auf der Basis der Annahme einer sich bewegenden Linien-Wärmequelle vorherbestimmt werden, die in dem Material verteilt ist. Die Breite der Schweißzone liegt in der Größenordnung des Strahlfleckdurchmessers, wodurch das Fehlen einer nennenswerten seitlichen Wärmeausbreitung angezeigt ist. Die Tiefe der Schweißung ist proportional der bei einer gegebenen Schweißgeschwindigkeit auf das Material auftreffenden Gesamtleistung.

Bei der Punktschweißung tritt eine Energieabgabe in der beschriebenen Weise auf, jedoch ist die Energiedichte dabei nicht hoch genug, um eine Materialbeseitigung zu bewirken. Zwischen dem Strahl und dem Arbeitsstück tritt in diesem Fall keine Relativbewegung auf.

Es sind Untersuchungen unter Verwendung eines mit elektrischer Konvektionsentladung arbeitenden COg-Lasers durchgeführt worden, der als Verstärker in dem TEM_QO-Modus bei einer Ausgangsleistung im Bereich von 3 bis 4 kW betrieben wurde» Der Laser-Austrittsstrahl wurde auf einen Spiegel gerichtet, der so ausgerichtet war, daß ein fokussierter Strahl auf einem Arbeitsstück auftraf, das von der Hauptlaserstrahlachse versetzt angeordnet war. Dabei wurden optische Reflexionsglieder, wie der Spiegel 14 gemäß Fig_e 1 benutzt. Es sei jedoch bemerkt, daß auch Übertragungsoptiken verwendet werden können, wenn derartige Optiken, die bei den erforderlichen Leistungspegeln zu arbeiten imstande sind, zur Verfugung stehen.

Der Fakussierungsspiegel bzw. Spiegel 14 kann irgendeine geometrische Form besitzen; er kann z.B. sphärisch, elliptisch,

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parabolisch, oder in sonstiger Weise geeignet geformt sein, um einen scharf begrenzten Brennfleck zu erhalten. Eine sphärische Aberration infolge einer sich von der Achse entfernenden Fokussierung kann bei einem sphärischen Spiegel dadurch minimisiert werden, daß die von der Achse entfernte Stelle des Arbeitsstücks auf Winkel beschränkt wird, die kleiner sind als etwa 10°. Es können hierbei aber auch zwei Spiegel mit solcher relativen Lage und Krümmung gewählt werden, daß sich die gegenseitige Aberration aufhebt. Derartige Verfahren sind bereits an sich bekannt.

Das Prüfarbeitsstück wurde auf einem Drei-Achsen-Einsteiltisch angeordnet, dessen eine Achse einen motorgetriebenen Antrieb besitzt. Die Tischgeschwindigkeit wurde durch einen mit veränderbarer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl betreibbaren Antriebsmotor gesteuert. Durch einen geeigneten Aufbau wurde die Tischreibung auf einen minimalen Wert herabgesetzt, wie durch die Verwendung von Kugellagern, um die für die Erzielung von gleichmäßigen Schweißungen erforderliche gleichmäßige, ständige Bewegung hervorzurufen.

Es wurden Untersuchungen unter Verwendung einer Vielzahl von Metallen mit zwei unterschiedlichen Brennpunkten durchgeführt, und zwar jeweils mit und ohne Schutzgas zur Vermeidung einer Oberflächenoxydation. Dabei wurde Mit Schweißgeschwindigkeiten bis su 127 cm pro Minute gearbeitet

Die typischen Ergebnisse der betreffenden waren eine tiefgehende Schweißung₉ wie sie in Fig» 2 gezeigt ist. In Fig. 2 ist eine Stumpf schweißung bzw. Stumpf scfc^ stelle gezeigt, die mittels eines Laserstrahls bei eines 0,635 cm dicken rostfreien Stahl bei einer

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keit von 127 cm pro Minute durchgeführt wurde. Die Laserleistung lag dabei im Bereich von 3 bis k kW. Die in Fig. dargestellte Schweißstelle zeigt das Durchdringen des Materials in entsprechender Weise wie in dem Fall, daß mit einem Elektronenstrahl im Vakuum gearbeitet wird. Die in Fig. 2 dargestellte Schweißung ist jedoch an der Atmosphäre ausgeführt worden, und zwar ohne den Vorteil einer schützenden Umgebung.

Für die Erzielung von tiefgehenden Schweißungen wird ein Dauerstrichlaserbetrieb bevorzugt» Es kann jedoch auch bei einem Quasi-Dauerstrichbetrieb bei einer Frequenz von ^ 1 kHz ebenfalls gearbeitet werden. Zu diesem Zweck müssen diejenige Frequenz und Impulsdauer gewählt werden, die ein Zusammenfallen der Öffnung zwischen den Impulsen verhindern.

Tiefgehende Schweißungen sind sowohl bei überlappten Anordnungen als auch bei stumpf aneinanderstoßenden Anordnungen erzielt worden. Diese Schweißungen zeichnen sich durch eine relativ kleine, durch Wärme beeinflußte Zone und durch ein bei 7 oder einem höheren Wert liegendes Tiefe-zu-Breite-Verhältnis aus. Wie durch Röntgenstrahlen und Zerreißproben nachgewiesen, wurden gute Verbindungen erzielt.

Es ist ferner für eine tiefgehende Laser-Schweißung wünschenswert, jedoch nicht erforderlich, daß Fokussierungsoptiken mit großem F/D-Wert (Strahlbrennweits zu Strahlöffnung) verwendet werden, so daß die innere Reflexion und Ausbreitung der Strahlenergie in dem Material auf Grund eines streifenden Strahleinfalls gesteigert werden. F/D-Werte, die größer sind als vier, werden im übrigen bevorzugt, da nämlich dann der

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Tiefenbereich entsprechend langer ist und da die Arbeitsstücklage nicht so kritisch "ist.

Ist eine tiefgehende Schweißung mittels eines Laserstrahls einmal begonnen, so kann die Leistungsdichte, die Leistung, die Relativbewegung, die Tiefe der Strahleindringung bzw. -durchdringung, etc., experimentiell entsprechend den Richtlinien bestimmt werden, die bei normalen tiefgehenden Elektronenstrahl-Schweißverfahren angegeben sind.

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Claims

Patentansprüche

.jVerfahren zur Schweißung eines Materials bis zu einer gewünschten Tiefe hinab, ohne Ausnutzung einer Wärmeleitung durch das betreffende Material, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl (12) einer kohärenten optischen Strahlung erzeugt und in der Nähe des zu schweißenden Materials (16) fokussiert wird, daß die Leistungsdichte und die Leistung des betreffenden Strahls (12) in Abhängigkeit von dem zu schweißenden Material (16) so eingestellt werden, daß das Material (16) an der Auffangstelle des Strahls (12) in einer Zeit verdampft, die kürzer ist als die Wärmeausbreitungszeit des Materials (16), derart, daß sich eine Öffnung in dem Material (16) bildet, und daß der Strahl (12) von dem Teil des Materials (16), in dem die Öffnung gebildet ist, vor der Ablösung einer nennenswerten Materialmenge und vor der Ausbildung einer Aushöhlung unter Verfest igung des geschmolzenen und wieder zusammenfließenden Materialteilen weggeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Leistung des Strahls (12) so gewählt wird, daß der Strahl (12) in das Material (16) bis zu der gewünschten Tiefe hineindringt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, für eine Nahtschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegführung des Strahls (12) von dem Materialteil, in welchem sich die Öffnung gebildet hat, dadurch erfolgt, daß der Strahl (12) derart relativ zu dem zu schweißenden Material (16) bewegt wird, daß die betreffende Öffnung durch das Material (16) unter Bildung der Nahtschweißung übertragen wird.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahl (12) der kohärenten optischen Strahlung ein im TEM_QO-Modus auftretender Strahl (12) erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Leistungsdichte und der Leistung des Strahls (12) auch von der Reflexionskraft des zu schweißenden Materials (16) abhängig gemacht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Herabsetzung der Leistung des Strahls (12) nach Bildung der Öffnung in dem zu schweißenden Material (16) vorgenommen wird«,
7« Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, unabhängig von Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung des Strahls (12) und des zu schweißenden Materials (16) mit einer solchen Geschwindigkeit vorgenommen wird, daß der Strahl (12) um zumindest eine Strecke verschoben wird, die gleich dem Zehnfachen des Strahldurchmessers in der Zeit ist, die für den Strahl (12) erforderlich ist, die Öffnung in dem zu schweißenden Material (16) zu bilden,
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, unabhängig von Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Strahls (12) relativ zu dem zu schweißenden Material (16) nach Bildung der Öffnung erhöht wird.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlleistung und die Leistungsdichte im Auftreffpunkt des Strahls (12) auf einen Wert eingestellt werden, der oberhalb eines Wertes, bei dem eine geschmolzene Zone hauptsächlich durch Wärmeleitung in dem Material (16) gebildet wird, und unterhalb eines Wertes, der zur Ausbildung einer Aushöhlung in dem Material (16) führt, liegt, und daß das Material (16) seitlich neben dem eindringenden Strahl (12) in seiner gesamten Dicke durch direkte Wärmeübertragung unter Bildung einer Zone aus stark erhitztem, geschmolzenem Material erwärmt wird, welches nach Wegführen des Strahles (12) unter Bildung einer Schweißung zusammenschmilzt,
1Or Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (12) derart fokussiert wird, daß er eine Querschnitts-Energieverteilung besitzt, die nahezu einer Gaußschen Verteilung entspricht.
11, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zwecks Erzeugung einer tiefgehenden Schweißung bei einem Arbeitsstückmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (10) vorgesehen sind, die eine im TEM_QO~Modus auftretende kohärente optische Strahlung erzeugen, daß Einrichtungen (14) vorgesehen sind, die einen damit erzeugten Strahl (12) unter Erzielung einer Leistungsdichte zwischen 3,543 »10 und 3,543 · 10 W/cm bei einer Leistung von zumindest 3 kW auf der Oberfläche des Arbeitsstückmaterials (16)

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fokussieren, und daß Einrichtungen (20) vorgesehen sind, die den Strahl (12) von seiner Auftreffstelle auf dem Material (16) nach Bildung einer Öffnung in dem betreffenden Material (16) wegführen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (20) zur Wegführung des Strahls eine Relativbewegung zwischen dem Strahl (12) und dem Arbeitsstückmaterial (16) hervorrufen.
13· Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtungen (14) einen Spiegel (14) enthalten, der in dem lieg des optischen Strahls (12) so angeordnet ist, daß er diesen auf das Arbeitsstückmaterial (16) reflektiert.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Brennweite des Spiegels (14) zu Durchmesser der Öffnung des fokussierten Strahls (12) größer ist als vier.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strahl (12) erzeugenden Einrichtungen (10) durch einen Laser (10) gebildet sind.

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