DE2509635A1 - Verfahren und vorrichtung zur laserschweissung - Google Patents

Description

United States Energy Research and Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Laserschweißunq

Die einzigartigen Eigenschaften der Laserenergie haben den Laser auch zu einem wirkungsvollen Werkzeug beim Schweißen gemacht. Zu diesen einzigartigen Eigenschaften gehören die großen Mengen an konzentrierter Energie, sehr kleine fokussierte Fleckengrößen und der Feinheitsgrad, mit dem der Strahlungsstrahl hinsichtlich Leistungsniveau, Dauer und Stelle gesteuert werden kann. Die Verfügbarkeit von Hochleistungslasern hat die Verwendungsfähigkeit dieser Energieform in industriellen Anwendungen stark erhöht.

Beim Hochleistungslaserschweißen bildet sich jedoch eine Wolke aus ionisiertem Metalldampf in der Nähe der Schweißzone.

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Offensichtlich wird eine signifikante Metallmenge an dem Punkte der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Werkstück verdampft. Dieser Dampf wird nach hinten in den ankommenden Laserstrahl hineingeworfen und durch den Strahl ionisiert. Diese bleibende Ionisationswolke oder Plasma absorbiert einen signifikanten Anteil der einfallenden Laserstrahlung und verhindert auf diese Weise, daß ein grosser Teil der Laserstrahlung die Schweißzone erreicht. Zur Erreichung erfolgreicher Schweißungen bei hoher Leistung muß dieses stehende Plasma unterdrückt oder verhindert werden.

Zur Erhöhung des Schweißwirkungsgrades kann ein Strahl aus inertem Gas auf die Schweißzone gerichtet werden, um die Ionisationswolke hinwegzublasen, wenn diese sich ausbildet. Diese als gasunterstützte Laserschweißung bekannte Entwicklung ist in der folgenden Literaturstelle beschrieben: E. Locke, E. Hoag, und R. Hella, Welding Journal Research Supplement, Mai 1972, Seiten 245-s bis 249-s. Bei bekannten Verfahren wurde festgestellt, daß die Schweißung nicht gleichmäßig war und an einigen Stellen entlang der Schweissung eine geringere Eindringtiefe besaß. Darüber hinaus wurde der Kopf der Schweißung durch den Druck des Gasstrahls weggeblasen.

Ein weiteres Problem bei der Laserschweißung besteht in dem Mangel an Kontrolle über die sich ergebende Schweißung, was ein Fehlen an Zuverläßigkeit zur Folge hat. Die Laserstrahlung wird in einer Reihe von Impulsen oder Spitzen geliefert, was es schwer macht, die Eindringtiefe zu steuern und Schweissungen von unterschiedlicher Qualität ergibt. Die Steuerung der Schweißungseindringung ist insbesondere bei der mikroelektronischen Herstellung von Wichtigkeit.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laserschweissung und insbesondere auf ein gasunterstütztes Verfahren sowie eine

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Vorrichtung zur Laserschweißung. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Schweißzone von einem unter Druck stehenden gasförmigen Medium unter vorbestimmten Bedingungen des Druckes und der Zusammensetzung umgeben ist. An Stelle des bekannten Wegblasens der Metalldampfwolke sieht die Erfindung vor, daß das gasförmige Medium mit dem Metalldampf in der Nachbarschaft der Schweißzone in Wechselwirkung treten kann. Es wurde festgestellt, daß das Eindringen und die Porosität der sieh ergebenden Schweißung Funktionen des Gasdruckes und der Zusammensetzung sind und daher durch das gasunterstützte Verfahren der vorliegenden Erfindung gesteuert werden kann. Es wurde ebenfalls erkannt, daß die Steuerung entscheidender ist und daß stabilere Schweißungen sich dann ergeben, wenn sich das gasförmige Medium auf einem hohen Druck befindet, d.h. einem Druck oberhalb von 100 psi (englische Pfund pro Quadratzoll).

Ein Verfahren zur Erzeugung einer Druckgasatmosphäre in der Nachbarschaft der Schweißzone sieht vor, daß man das Werkstück in einer Druckkammer anordnet. Obwohl dieses Verfahren für bestimmte Anwendungsfälle geeignet ist, insbesondere Anwendungsfälle, wo das NichtVorhandensein von Luft erforderlich ist, hat es doch hinsichtlich einer breiten Anwendung in der Industrie gewisse Nachteile. Infolgedessen wäre eine im Aufbau und im Betrieb einfache Vorrichtung besonders vorteilhaft, die die Druckgasatmosphäre in der Nachbarschaft der Schweißzone umschließen kann.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Umschließung eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums in der Nachbarschaft der Schweißzone vorgesehen, wodurch die Notwendigkeit entfällt, das Werkstück in einer Druckkammer anzuordnen. Grundsätzlich weist die Vorrichtung eine relativ kleine Druckkammer auf, die direkt an das zu schweißende Material an der Schweißstelle angelegt werden kann. Der Laserstrahl wird durch eine Linse fokussiert, die ein einstückiger Teil der Druckkammer sein kann, und läuft

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dann durch das Druckgefäß zur Schweißzone.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf einen Adapter, der an einem üblichen Laserkopf befestigt werden kann. Das Arbeitsende des Adapters besitzt eine Ausnehmung zur Bildung einer kleinen Druckkammer, in welche Gas von einer externen unter Druck stehenden Quelle eingelassen wird. Der Laserstrahl läuft durch eine Mittelöffnung im Adapter und wird auf die Schweißzone durch eine Übertragungsöffnung fokussiert, welche für die spezielle verwendete Laserfrequenz durchlässig ist. Eine Gasdichtung verhindert das Gasaustreten aus der Druckkammer.

Die vorliegende Erfindung hat sich demgemäß zum Ziele gesetzt, ein Verfahren zur Steuerung der Schweißeindringung und Porosität von Laserschweißungen vorzusehen, und zwar durch Umgeben der Schweißzone mit einem unter Druck stehenden gasförmigen Medium bei vorbestimmten Druck- und Zusammensetzungs-Bedingungen. Die Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zur Steuerung der Schweißeindringung und Porosität von Laserschweißungen vorzusehen, und zwar durch Umgebung der Schweißzone mit einem gasförmigen Medium mit einem Druck von mindestens ungefähr 100 psi. Die Erfindung bezweckt ferner, eine Vorrichtung zur Laserschweißung vorzusehen, in der ein unter Druck stehendes gasförmiges Medium auf die Nachbarschaft der Schweißzone eingeschränkt werden kann, wodurch die Notwendigkeit entfällt, das Werkstück in einer Druckkammer anzuordnen. Weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Schweißungseindringtiefe als Funktion des Gasdrucks für zwei verschiedene Gase, nämlich Helium und Argon;

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Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wo die Fokussierlinse des Lasers von der Druckkammer gesondert ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, wo die Fokussierlinse des Lasers ein integraler Teil der Druckkammer ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich - wie bereits erwähnt - auf ein Verfahren zur Laserschweißung, wobei die Schweißeindringung und Porosität dadurch gesteuert werden, daß man die Schweißzone unter dem Druck eines gasförmigen Mediums hält, wobei der Druck mindestens ungefähr 100 psi beträgt. Geeignete Gase sind solche, die unter Schweißbedingungen^mii dem zu schweißenden Material reagieren. Üblicherweise verfügbare Gase, die verwendet werden, sind beispielsweise: Stickstoff, Sauerstoff, Luft, Kohlenstoffdioxyd, inerte Gase wie beispielsweise Helium, Argon, Xenon oder Krypton, sowie Kombinationen irgendwelcher der vorangegangenen Gase. Da die Eindringtiefe und die Porosität der sich ergebenden Schweißung Funktionen des Gasdrucks und der Gaszusammensetzung sind, werden Druck und Zusammensetzung des gasförmigen Mediums auf der Basis der gewünschten Schweißeindringung vorausgewählt.

Zur Veranschaul.ichung der vorliegenden Erfindung wurden unter Verwendung eines Neodymglaslasers,der 100 Joule Energie pro 8 Millisekunden Impuls liefert, Löcher in den Oberflächen von Goldkoupons von o,5 Zoll Durchmesser und Ι00/Ί000 Zoll Stärke gemacht. Das Experiment wurde in einer Druckkammer durchgeführt, wobei Argon als das gasförmige Medium und Drücke zwischen ungefähr 0 psi und ungefähr 225o psi verwendet wurden. Sodann wurde das gleiche Experiment unter Verwendung von Helium an Stelle von Argon durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 dargestellt, wobei die graphische Darstellung die Schweißeindringtiefe als Funktion des Gasdrucks für die zwei unterschiedlichen Gase darstellt. Die deutlich unterschiedlichen Formen der beiden

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Kurven bilden ein Mittel zur Regulierung der Schweißeindringtiefen durch Steuerung des Gasdrucks in der Nachbarschaft der Schweißzone. Bei Verwendung von Argon ist die Schweißeindringtiefe kontinuierlich zwischen 0/I000 Zoll bis zu vollständiger Eindringung für Argondrücke im Bereich von O bis 2250 psi variabel. Andererseits ist bei Verwendung von Helium die Schweißeindringung mindestens 2o/1ooo Zoll unabhängig vom Gasdruck bis zur vollständigen Eindringung bei niedrigem/Gasdruck. Es wurde festgestellt, daß die Steuerung wesentlich entscheidender und die sich ergebende Schweißung stabiler war, wenn der Gasdruck oberhalb ungefähr I00 psi lag.

Obwohl sich der erforderliche Druck zur Erzeugung der gewünschten Schweißeindringtiefe mit dem speziellen verwendeten Gas ändert, so kann man doch aus den Ergebnissen der Fig. 1 erkennen, daß die Schweißeindringtiefe mit ansteigendem Druck abnimmt. Die Abnahmerate hängt von den Atomeigenschaften des apeziellen verwendeten Gases ab. Es wäre eine einfache Sache insbesondere für die unten beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung, für jede spezielle Schweißanwendung die Schweißeindringtiefe als Funktion des Gasdrucks für verschiedene unterschiedliche Gase zu bestimmen. Der Benutzer kann sodann die speziellen Bedingungen der Gaszusammensetzung und des Gasdrucks auswählen, die für die vorzunehmende Arbeit am geeignetsten sind.

Jedes gasförmige Medium kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Man würde natürlich kein Gas auswählen, welches mit dem Substratmaterial bei Schweißbedingungen reagiert. Die chemische Reaktionsfähigkeit hängt

in
aber von vielen Faktoren ab und/einigen Fällen kann sogar Sauerstoff geeignet sein. Allgemein sind diejenigen Gase, die normalerweise nicht mit Metallen reagieren, am geeignetsten, beispielsweise Kohlenstoffdioxydstickstoff und die Gruppe 0 der inerten Gase. Von den inerten Gasen werden

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Helium und Argon besonders bevorzugt, insbesondere für auf breiter Basis erfolgende industrielle Anwendungsfälle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserschweißung, welche es unnötig macht, das gesamte Werkstück in einer Druckkammer anzuordnen. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Laserkopf 1 ,der irgendeiner der üblichen Laservorrichtungen sein kann. Zu den für Schweißanwendungen zweckmäßigen Hochleistungs-Lasersystemen gehören die folgenden: Optisch gepumpter Rubin; Glas Nd und Yttrium-Aluminium-

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Granat Nd ; Hochleistungs-Ärgonionen- und (X^-Gas-Laser. Typischerweise können derartige Systeme Leistungsdichten von

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mehr als 10 Wa :t/cm in der Schweißzone liefern. Gegenwärtig besitzen Halbleiter- und Flüssigkeits-Laser geringe durchschnittliche Leistungsfähigkeiten, aber da diese Vorrichtungen weiterentwickelt werden, können sie für kleine Bearbeitungsund Schweiß-Erfordernisse von Interesse sein. Adaptermittel 2 sind am Laserkopf befestigt und umgeben die Fokussierlinse 3 und den Laserstrahl 4. Obwohl die Adaptermittel eine sich verjüngende Form aufweisen, ist die Erfindung nicht in der Weise beschränkt, da auch andere geeignete Formen verwendet werden können. Das Ende des Adapters besitzt eine Ausnehmung, um eine Druckkammer 5 zu bilden, in die man ein gasförmiges Medium eintreten läßt, und zwar über eine Versorgungsleitung 6 von einer externen Druckquelle 7. Die Druckkammer 5 liegt an der Substratoberfläche 10 an und beschränkt das gasförmige Medium auf die Nachbarschaft der Schweißzone und gestattet die Wechselwirkung zwischen dem Gas und der Ionisationswolke. Die Wände der Druckkammer bestehen aus üblichen Materialien, die als dem gewünschten Druck widerstehend bekannt sind. Eine Laserstrahldurchtrittsöffnung 8 bildet den oberen Teil der Druckkammer. Die Durchlaßöffnung muß bei der speziellen verwendeten Laserfrequenz durchläßig sein. Beispielsweise kann die Durchlaßöffnung aus Saphir, Quarz, Glas oder der-

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gleichen abhängig von der Laserfrequenz bestehen- Eine Ab-

Gasdichtung, dichtung 9, wie beispielsweise emeO-Eing-/verhindert den Gasaustritt aus der Druckkammer.

In Fig. 3 ist eine Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung dargestellt, wobei die Fokussierlinse 12 des Lasers den oberen Teil der Druckkammer 13 bildet, wodurch das Erfordernis, nach einer gesonderten Laserstrahldurchtrittsöffnung eliminiert wird.

Im Betrieb wird die Adaptervorrichtung 2 gegen die Substratoberfläche 10 an der Schweißzone 11 gedrückt. Ein gasförmiges Medium wird in die Druckkammer 5 von der externen Druckquelle 7 aus eingelassen, bis der gewünschte Druck erreicht ist. Die Zusammensetzung und der Druck des gasförmigen Mediums sind auf der Basis der gewünschten Schweißeindringung, wie oben erläutert, vorherbestimmt. Sodann wird der Laser 1 gezündet; der Laserstrahl 4 läuft durch die Mittelöffnung in den Adaptermitteln 2 und wird durch Linse 3 durch Strahldurchtrittsöffnung 8 und Druckkammer 5 auf die Schweißzone fokussiert. Bei der in Fig. 3 gezeigten Abwandlung wird der Laserstrahl durch Linsei2 direkt auf die Schweißzone 14 fokussiert.

Verschiedene Ausgestaltungen können an der Grundform des Schweißadapterts zur Betriebsvereinfachung vorgenommen werden. Beispielsweise kann ein Druckfühler in die Druckkammer eingebaut sein, der automatisch den Laser dann auslöst, wenn sich der gewünschte Druck in der Kammeraufgebaut hat. Ein derartiger Druckfühler in Verbindung mit einem automatisch betätigten Ventil an der Gaseinlaßleitung und, beispielsweise, eine faseroptische Leitung zur Übertragung des Laserstrahls würde die Konstruktion eines tragbaren, in der Hand gehaltenen Laserpunktschweißers für FliejfS&trieb gestatten. Der Benutzer würde die Vorrichtung einfach über der gewünschten Schweißstelle anordnen, möglicherweise mit einem optischen Zielsystem, und die Schweißvorrichtung gegen die Substratoberfläche drücken; sodann würde die Schweißung automatisch

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ausgeführt. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß man eine Gasauslaßleitung an die Druckkammer anschließt, oder daß man eine zweite Kammer um das Nasenstück herum anordnet, um die Wiedergewinnung seltener oder teurer Schweißgase, wie beispielsweise Xenon, Krypton oder dgl., zu gestatten.

Es ist weder der Mechanismus hinter der Wechselwirkung zwischen der ionisierten Metalldampfwolke oder dem Plasma und dem unter Druck stehenden gasförmigen Medium, noch der Mechanismus hinter den Wirkungen des unter Druck stehenden gasförmigen Mediums auf die sich ergebende Schweißung vollkommen klar. Die Wechselwirkungen von durch Laser erzeugten Plasmen mit geringen Druck aufweisenden Hintergrundgasen wurden bereits untersucht (J. A. Stamper u.A. in "Interactions of Laser-Produced Plasmas with Background Gases", in Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, H. J. Schwarz und H. Hora, Herausgeber/ Plenum Press, N.Y. 1972, Seiten 273-288). Die erwähnten Verfasser haben festgestellt, daß ein durch Laser erzeugtes Plasma einen hohen Anfangsdruck besitzt und sich in das einen niedrigen Druck aufweisende Hintergrundgas unter übertragung von Wärme und Moment •hineinexpandiert. Ohne die Erfindung durch irgendeine Hypothese beschränken zu wollen, kann es sein, daß mit einem einen hohen Druck aufweisenden Hintergrundgas der Gleichgewichtsdruck schneller erreicht wird, wodurch eine stabilere Schweißatmosphäre und eine sich daraus ergebende stabilere Schweißung ergibt. Es kann auch sein, daß das dichtere unter Druck stehende gasförmige Medium die Wärme und das Moment aus der durch Laser erzeugten Ionisationswolke schneller absorbiert, wodurch die Expansion der Ionisationswolke und deren Störung mit dem einfallenden Laserstrahl gesperrt wird. Es kann demgemäß erwartet werden, daß die Atomeigenschaften des speziellen verwendeten Gases die Wechselwirkung der Plasmen beeinflußen, und es kann daher weiter erwartet werden, daß die Gaszusammensetzung und auch der Druck die sich ergebende Schweißung beeinflußen.

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Das hier beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zur Laserschweißung sind zur Verbindung sämtlicher Metallarten geeignet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, "blinde" Laserpunktschweißungen vorzunehmen, d.h. Punktschweißungen an Teilen, die nur von einer Seite zugänglich sind; demgemäß ist eine Verwendung der vorliegende Erfindung bei solchen Metallherstellungsverfahren möglich, die bislang die Anbringung von Nieten erforderten. Ein besonders geeignetes Anwendungsfeld ist die Herstellung von Flugzeugen. Vortexlhafterwexse kann das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Abdichtung von Löchern in Druckgefaßen und Vakuumgefäßen benutzt werden.

Hinweis auf den Stand der Technik:

M. I. Cohen und J. P. Epperson in "Application of Lasers to Microelectronic Fabrication" in Electron Beam and Laser Beam Technology, L. Marton und A. B. El-Kareh, (Academic Press, New York, 1968), Seite 176.

L. A. Weaver, "Machining and'Welding Applications" in Laser Applications, Monte Ross, (Academic Press, New York, 1971), Seiten 2o1-239.

F. W. Lunau, "Laser Gas Jet Cutting", Seiten 21-24, und M. J. Adams, ^1!Gas Jet Laser Cutting", Seiten 14o-146 in Proc. Conf. Advances in Welding Processes, 1970 (The Welding Institute, 1971).

Townes U.A., U.S. Patent No. 3,571,555

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zur Laserschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzone unter dem Druck eines gasförmigen Mediums gehalten wird, wobei der Druck größer als 1oo psi ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium unter Schweißbedingungen nicht mit dem zu schweißenden Material reagiert.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium ein inertes Gas ist, und zwar Argon oder Helium, und wobei das Gas einen Druck von ungefähr 1oo psi bis ungefähr 225o psi besitzt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des gasförmigen Mediums derart vorherbestimmt ist, daß eine Schweißung von der gewünschten Tiefe erzeugt wird.
5. 5. Vorrichtung zur Laserschweißung, gekennzeichnet durch folgende Elemente:

   a) Erste eine Kammer (5) bildende Mittel, um eine gasförmige Atmosphäre von mindestens 1oo psi auf die Schweißzone zu beschränken, wenn sich die Kammer in einer Gasdruck abdichtenden Beziehung mit dem zu schweißenden Material befindet, und wobei die ersten Mittel Laserstrahlungsübertragungsmittel (8) aufweisen, welche das eine Ende der Kammer abschließen, und

   b) zweite Mittel, um ein gasförmiges Medium mit einer vorbestimmten Zusammensetzung und einem vorbestimmten Druck an die Kammer zu liefern.

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6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Laserstrahlübertragungsmittel ein Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls auf das zu schweißende Material sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Gasabdichtmittel zwischen den ersten Mitteln und dem zu
   schweißenden Material vorgesehen sind.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Adaptermittel (2) vorgesehen sind, um die Kammer an einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung zu befestigen.

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