DE3820848C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken, insbesondere von Blechen, bei dem Laserstrahlung auf eine relativ zum Laserstrahl bewegte Fügestelle gerichtet wird, die von einer Meßeinrichtung kontinuierlich überwacht wird, deren Meßergebnis entsprechend die Intensität der Laser­ strahlung geregelt wird.

Ein Verfahren mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der US 41 21 087 bekannt. Dieses bekannte Fügeverfahren wird ohne Plasmabildung durchgeführt. Als Meßeinrichtung ist ein Wattme­ ter vorhanden, welches die reflektierte Laserstrahlung mißt. Größere Fügegeschwindigkeiten sind nicht möglich, weil ein lei­ stungsschwacher Laser verwendet wird.

Aus der CH 6 05 010 ist ein Bohrverfahren für ein nicht re­ lativ zum Laserstrahl bewegtes Werkstück bekannt. Es werden einzeln nacheinander wirkende Laserstrahlimpulse so verwendet, daß an deren Anfang jeweils ein strahlungsabsorbierendes Plasma gebildet wird, welches durch geeignete Strahlungsparameter und Gasanwendung zum Erlöschen kommt. Eine fortwährende Regelung der Laserintensität findet bei diesem Verfahren nicht statt. Eine Messung des reflektierten Laserstrahlimpulses in Abhängig­ keit von der Zeit findet statt, um ein Bearbeitungsschema expe­ rimentell zu ermitteln.

Aus der DE 34 24 825 ist ein Verfahren zum Bearbeiten, nämlich Werkstoffabtragen, von Werkstücken mittels Laserstrah­ lung bekannt, die ein laserinduziertes Plasma bewirkt und deren Intensität durch Überwachung der Bearbeitungsstelle des Werk­ stücks in einem Grenzwertbereich zwischen einer Schwellintensi­ tät zur Bildung laserinduzierten Plasmas und einer Grenzinten­ sität geregelt wird, oberhalb derer das Plasma in einen ab­ schirmenden Zustand übergeht. Eine derartige Regelung wird ver­ wendet, um eine maximale Absorption der Laserstrahlung im Werk­ stück bei minimaler Störung durch optische Rückkopplung und Plasmaeffekte zu erreichen. Es wird ausschließlich oberhalb der Schwellintensität geregelt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das allgemein bekannte Fügeverfahren derart zu verbessern, daß ein optimal schnelles Fügen bei hohen Intensitäten der Laserstrah­ lung mit Überwachung auf Plasmabildung erreicht wird, aber ohne die Gefahr, dünne Werkstücke zu durchbohren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Intensität der Laserstrahlung bis zum Erreichen der zur laserinduzierten Plas­ mabildung erforderlichen Schwellintensität oder wenig darüber gesteigert wird, wobei die Plasmabildung an der bewegten Füge­ stelle von einer Meßeinrichtung festgestellt wird, daß die ein­ gestellte Intensität für eine vorbestimmte Zeit beibehalten wird, daß danach eine Abregelung der Intensität auf einen ein Plasmaerlöschen bewirkenden Wert erfolgt, wonach die Intensität der Laserstrahlung bis zum Beginn eines neuen Regelzyklus auf einem Wert gehalten wird, bei dem der Werkstückwerkstoff plas­ mabildungsfrei über Schmelztemperatur erwärmt bleibt.

Das vorgenannte Verfahren betrifft eine Intensitätsrege­ lung der Laserstrahlung zum prozeßkontrollierenden und regeln­ den Fügen. Das Fügen ist ein Schweißen mit oder ohne Zusatz­ werkstoff oder ein Löten. Von Bedeutung ist, daß die Intensität der Laserstrahlung selbsttätig unter kontinuierlicher Überwa­ chung der Fügestelle bestimmt wird. Des weiteren ist von Bedeu­ tung, daß die Intensität der Laserstrahlung möglichst hoch ist, um ein schnelles und fehlerfreies Fügen zu erreichen. Insbeson­ dere hierzu dient die Regelung der Intensität der Laserstrah­ lung bis in einen Bereich der Plasmabildung hinein. Dieses la­ serinduzierte Plasma bewirkt eine besonders intensive Umwand­ lung der eingestrahlten Laserenergie in Wärmeenergie, so daß infolgedessen eine große Fügegeschwindigkeit erreicht werden kann. Andererseits muß dafür gesorgt werden, daß die an der Fü­ gestelle eingekoppelte Wärmeenergie nicht zu groß ist, um Füge­ fehler zu vermeiden, beispielsweise ein Durchschweißen dünner Werkstücke oder ein unerwünschtes Verdampfen von Zusatzwerk­ stoff. Hierzu wird die Intensität der Laserstrahlung nach Er­ reichen der Schwellintensität nur eine vorbestimmte Zeit beibe­ halten. Im Grenzfall tendiert diese Zeit gegen Null, so daß die Schwellintensität bzw. das Auftreten von Plasma als Indikator für das Erfordernis einer Begrenzung der Strahlungsintensität und damit der Wärmezufuhr dient. Bei einem solchen Verfahren wird die zugeführte Energie möglichst weit über der Schmelztem­ peratur, jedoch unterhalb der Verdampfungstemperatur gehalten, was insbesondere für dünnwandige Werkstücke von Bedeutung ist. Der ein Plasmaerlöschen bewirkende Intensitätswert der Laser­ strahlung, auf den nach Erreichen der Plasmabildung abgesenkt wird, richtet sich nach den Bedürfnissen des jeweiligen Füge­ falles. Er beinhaltet den Wert Null, also das vollständige Ab­ schalten der Laserstrahlung. Für ein schnelles Fügen wird die Intensität jedoch nur soweit abgesenkt, daß das Plasma gerade erlischt, andererseits aber noch eine möglichst große, plasma­ bildungsfreie Energiezufuhr erfolgt. Dabei wird so verfahren daß die Intensität der Laserstrahlung nach dem Erlöschen des Plasmas auf einem Wert gehalten wird, bei dem der Werkstück­ werkstoff über Schmelztemperatur erwärmt bleibt.

Das vorgenannte Verfahren kann mit kontinuierlicher Laser­ strahlung durchgeführt werden, oder mit gepulster Laserstrah­ lung. In Ausgestaltung der Erfindung ist die vorbestimmte Zeit, während der das laserinduzierte Plasma an der Fügestelle beibe­ halten wird, gleich derjenigen Dauer eines Impulses, für die die Schwellintensität erreicht oder überschritten wird. Danach wird die Laserstrahlung abgeschaltet oder ihre Intensität auf einen das Erlöschen des Plasmas bewirkenden Wert abgesenkt.

Vorteilhafterweise wird mit konstanter Streckenenergie ge­ fügt, indem die Laserstrahlung mit konstanter Frequenz gepulst und die Impulsenergie pro Zeitintervall konstant gehalten wird, oder indem bei veränderlicher Fügegeschwindigkeit eine dement­ sprechend proportionale Leistungs- und/oder bei gepulster La­ serstrahlung eine Impulsfrequenzänderung erfolgt.

Die Fügestelle wird bei dem plasmabildungsfrei über Schmelztemperatur erfolgenden Erwärmen der Werkstücke vom La­ serstrahl quer zur relativen Vorschubrichtung der Werkstücke oszillierend überstrichen, wobei bedarfsweise eine unterschied­ lich intensive Bestrahlung der Werkstücke erfolgt. Die Querbe­ wegung des Laserstrahls ermöglicht es, mit einer geringeren Ju­ stiergenauigkeit auszukommen und bewirkt bei einer vergleichs­ weise starken Fokussierung, daß ein genügend großer Fügebereich bestrahlt wird. Eine unterschiedlich intensive Bestrahlung der Werkstücke ermöglicht eine Anpassung des Fügeverfahrens an die jeweils vorhandene Werkstückgeometrie, so daß beispielsweise von einem Werkstück eine größere Menge Werkstoff zur mechani­ schen Stabilisierung der Fügestelle und/oder zur Überbrückung bzw. Füllung eines Spalts zwischen den Werkstücken erschmolzen wird.

Das oszillierende Verschwenken des Laserstrahls erfolgt sinusförmig und/oder die die Schwellintensität erreichende La­ serstrahlung wird im Bereich der Totpunkte der Verschwenkbewe­ gung abgegeben, weil hier die Strahlgeschwindigkeit am gering­ sten ist. Andererseits wird durch die vergleichsweise große Strahlgeschwindigkeit ein Überhitzen und/oder ein Verdampfen von in der Bahnmitte angeordnetem Zusatzwerkstoff vermieden, der in der Regel eine niedrigere Schmelz- und Verdampfungstem­ peratur hat.

Der Laserstrahl wird strichförmig mit quer zur relativen Vorschubrichtung der Werkstücke angeordneter Längsachse seines Strahlflecks verwendet, damit der Aufwand für die genaue Aus­ richtung des Laserstrahls kleingehalten werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum erfin­ dungsgemäßen Verfahren und

Fig. 2, 3 bis 3c Diagramme zur Erklärung der Wirkungsweise des Verfahrens.

Gemäß Fig. 1 soll eine Werkstückanordnung 1, die aus zwei Teilen 2, 3 besteht, mit Hilfe eines Lasers 4 gefügt werden. Der vom Laser 4 erzeugte Laserstrahl 5 wird von einer Laseroptik 6 fokussiert.

Die Fügestelle ist mit 20 bezeichnet. Sie erhält bedarfs­ weise einen Zusatzwerkstoff 8 (siehe Fig. 4a) zugeführt, nämlich durch ein Führungselement 9, das beispielsweise als Röhrchen ausgebildet ist und den Zusatzwerkstoff in Gestalt eines Schweiß- oder Lötdrahtes an die gewünschte Stelle im Bereich der Fügestelle mechanisch zuleitet. Die Förderung des Zusatz­ werkstoffs erfolgt mit einer Fördereinrichtung 10 und die Zu­ fuhrgeschwindigkeit wird mit einer Meßvorrichtung 11 gemessen und einem Regler 12 signalisiert. Dieser regelt die Förderge­ schwindigkeit des Zusatzwerkstoffs durch Einflußnahme auf die Fördereinrichtung 10 entsprechend weiterer Betriebsparameter. Ein solcher Betriebsparameter wird von der Strahldiagnostik 13 geliefert, welche die Qualität des Laserstrahls 5 feststellt, insbesondere dessen Intensität, und demgemäß den Regler 12 be­ aufschlagt. Weiterer Betriebsparameter ist die Geschwindigkeit der Werkstücke 2, 3 relativ zum Laserstrahl 5, welche durch die Meß- und Steuereinrichtung 14 erfaßt und vom Regler 12 beein­ flußt wird. Die Meßeinrichtungen 15, 16 und 17 erfassen Be­ triebsparemter, die sich aus der Überwachung der Fügestelle 7 ergeben, und zwar akustisch (Meßeinrichtung 15), optisch (Meßeinrichtung 16), wobei beispielsweise eine Temperaturüber­ wachung der Fügestelle 20 erfolgt oder eine spektroskopische Plasmaüberwachung, und ebenfalls optisch (Meßeinrichtung 17), wobei beispielsweise zur Ermittlung der Naht- bzw. Spaltgeome­ trie, insbesondere der Spaltweite oder eines Nahteinfalls im Bereich der Schweißstelle ein Schnittlinienverfahren zur Anwen­ dung kommt. Der demgemäß beaufschlagte Regler 12 sorgt automa­ tisch für die Beaufschlagung des Lasers 4 bzw. der Laseroptik 6, so daß das Schweißverfahren vollständig prozeßkontrolliert stattfindet.

Das Fügen erfolgt vornehmlich als geregeltes Einschweißen von Ein- oder Mehrfachüberlappnähten dünner Werkstücke, insbe­ sondere dünner Bleche, wie sie im Karosseriebau von Kraftfahr­ zeugen verwendet werden. Bei diesem Schweißen muß gegebenen­ falls sichergestellt werden, daß die Fügestelle auf der Außen- bzw. Unterseite des Karosserieblechs nicht sichtbar ist. Trotz­ dem muß die Verbindung zuverlässig sein und es soll mit möglichst hoher Geschwindigkeit geschweißt werden, um eine hohe Produktion zu erzielen. Infolgedessen wird die Intensität der Laserstrahlung durch den Regler 12 in Abhängigkeit eines oder mehrerer Fügestellenparameter geregelt, von denen mindestens einer aussagt, ob die Laserstrahlung laserinduziertes Plasma an der Fügestelle 20 erzeugt. Das Vorhandensein von Plasma oder dessen Entstehung wird beispielsweise optisch ermittelt, da in diesem Fall Werkstoff der Werkstücke verdampft, was spektralanalytisch überwacht werden kann. Sobald also die Meßeinrichtung 16 für den zu verschweißenden Werkstoff charakteristische Spektrallinien ermittelt, wird der Regler 12 entsprechend beaufschlagt und verändert die Laserintensität zum gegebenen Zeitpunkt.

In Fig. 2 wird dieses Verfahren näher erläutert. Es ist die Abhängigkeit der Intensität I des Lasers 4 bzw. dessen Leistung P von der Zeit t dargestellt, wobei Ie die Schwellintensität der Plasmabildung kennzeichnet und Ia den größten ein Plasmaerlöschen bewirkenden Wert der Intensität. Wird ein gepulster Laserstrahl 5 angewendet, so wird dessen Intensität gemäß Fig. 2 bis zum Erreichen der Schwellintensität Ie bzw. ein wenig darüber gesteigert und für eine Zeitspanne t1 beibehalten. Während dieser Zeit­ spanne wird der Fügestelle 20 über die besonders wirksame Wärmeeinkopplung des Plasmas Energie in großem Maße zuge­ führt, was zur Ausbildung eines Tiefschweißeffekts führt. Dieser Tiefschweißeffekt kann zu einer Zerstörung des Werk­ stücks führen bzw. zu einem Blechdurchschweißen, zu dessen Verhütung die Intensität alsbald bis unter Ia abgesenkt werden muß, um ein Erlöschen der Plasmabildung zu bewirken. Die Zeitspanne t1 hängt von der Ausgestaltung der Füge­ stelle 20 ab sowie von der Dicke der verwendeten Bleche.

Für die Plasmabildung ist eine Schwellintensität Ie der Energieeinstrahlung im Bereich der Fügestelle 20 erfor­ derlich. Diese Schwellintensität Ie ist bei konstantem Ab­ sorptionsgrad A des Werkstücks konstant, so daß sich der in Fig. 2 dargestellte Prozeßablauf ergibt. Üblicherweise ist der Absorptionsgrad A jedoch nicht konstant, sondern eine Funktion z. B. der Oberflächenbeschaffenheit. Verunreini­ gungen einer Metalloberfläche erhöhen beispielsweise den Absorptionsgrad. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Schwellinten­ sität Ie für nicht konstanten Absorptionsgrad A. Der Laser­ strahl ist gepulst, und zwar mit konstanter Frequenz, so daß pro Zeitintervall T1 Energiemengen a1, a2, . . . ent­ sprechend den jeweiligen Flächen eingestrahlt werden. Dabei sind die Flächen pro Zeitintervall gleich groß, die einge­ strahlten Energiemengen also entsprechend gleich groß. Das bedeutet konstante Impulsenergie und es ergibt sich dabei die Möglichkeit, mit konstanter Schweißgeschwindigkeit v zu arbeiten, wobei die zugeführte Streckenenergie P/v konstant ist. Die Flächen a bzw. die denen entsprechenden Energie­ mengen sind an die absolute Schweißgeschwindigkeit anzupassen, so daß auch im Fall einer Geschwindigkeitsveränderung die Streckenenergie konstant bleibt und damit eine gleichmäßige Verschweißung erreicht wird.

Wird die Leistung im Impuls so weit erhöht, daß die kritische Intensität A × I bzw. Ie überschritten wird, findet Plasmabildung statt und damit die Ausbildung eines Dampf­ kanales mit Tiefschweißeffekt. Da die erreichte Schweiß­ tiefe eine nahezu lineare Funktion der Impulslänge ist, kann über die Dauer der Leuchterscheinung des Plasmas die Schweißtiefe gesteuert werden, so daß über die Größe T1 bzw. Tn die Schweißtiefe an den Werkstücken festgelegt werden kann.

Durch das Steigern der Intensität des Laserstrahls bis zur Schwellintensität Ie bzw. etwas darüber hinaus erfolgt mit jedem Impuls zunächst ein schnelles Aufheizen. Das anschließende Absenken der Laserintensität auf einen Wert unter Ia erfolgt jedoch gemäß Fig. 2 nur geringfügig unter diesen Wert, so daß die Fügestelle zwar unter der Verdampfungstemperatur des Werkstoffs gehalten wird, jedoch weit über der Schmelztemperatur. Bei entsprechender Anfor­ derung könnte die Intensität des Laserstrahls nach dem Erlöschen des Plasmas auch wieder in den Intensitätsbereich zwischen Ie und Ia gesteigert werden, um möglichst viel Energie unter Vermeidung einer Verdampfung von Werkstoff an die Fügestelle zu bringen.

Ganz allgemein gilt: Die Impulsfrequenz, das Impuls­ pausenverhältnis und die Impulsleistung sind an die jewei­ lige Schweißgeschwindigkeit und den geforderten Überlap­ pungsgrad der Schweißpunkte anzupassen.

Die Fig. 3a bis 3b zeigen den Fig. 2, 3 entsprechende Diagramme für den Fall, daß die Streckenenergie konstant ist, also: Es = /v = konst. Dabei ist in Fig. 3a ange­ nommen, daß es zum Schweißen zweier Werkstücke mit einer bestimmten Fügegeschwindigkeit v bzw. v1 einer bestimmten mittleren Laserleistung 1 bedarf, wenn gepulste Laser­ strahlung mit gleichbleibenden Impulstaktzeiten verwendet wird, also mit konstanter Impulsfrequenz. Bei Änderungen der Schweißgeschwindigkeit, z. B. Reduzierungen in Eckbe­ reichen von Werkstücken oder Steigerungen auf Geradstrecken, soll die Streckenenergie jedoch ebenfalls konstant gehalten werden, um nämlich stets dieselbe Schweißstellenausbildung zu erhalten und insgesamt mit hoher Produktion zu Fügen. Die Fig. 3b, 3c erläutern, wie dies erreicht werden kann. Gemäß Fig. 3b ist die Fügegeschwindigkeit v2 größer als die Fügegeschwindigkeit v1 in Fig. 3a. Die Zeitspanne T1 wird konstant gehalten, die mittlere Leistung 2 liegt jedoch über der mittleren Laserleistung 1. Infolgedessen bleibt die Streckenenergie trotz gesteigerter Schweißgeschwindigkeit konstant. Gemäß Fig. 3c wird die mittlere Laserleistung trotz gesteigerter Fügegeschwindigkeit gleich groß gehalten, nämlich gemäß 1 in Fig. 3a. Eine größere Energiezufuhr wird dadurch erreicht, daß die Impulsfrequenz erhöht wird, näm­ lich entsprechend T2 gemäß Fig. 3c. Die Energiezufuhr er­ folgt häufiger, so daß die Streckenenergie trotz gesteiger­ ter Fügegeschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Zu den Fig. 3a bis 3c versteht sich, daß die erforderliche Schwellintensität Ie jeweils gerade nur erreicht oder im gewünschten Maße nur wenig überschritten wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Fügen von Werkstücken, insbesondere von Ble­ chen, bei dem Laserstrahlung auf eine relativ zum Laser­ strahl bewegte Fügestelle gerichtet wird, die von einer Meßeinrichtung kontinuierlich überwacht wird, deren Meßer­ gebnis entsprechend die Intensität der Laserstrahlung ge­ regelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Laserstrahlung bis zum Erreichen der zur laserindu­ zierten Plasmabildung erforderlichen Schwellintensität (Ie) oder wenig darüber gesteigert wird, wobei die Plasma­ bildung an der bewegten Fügestelle (20) von einer Meßein­ richtung (15, 16, 17) festgestellt wird, daß die einge­ stellte Intensität für eine vorbestimmte Zeit (t₁) beibe­ halten wird, daß danach eine Abregelung der Intensität auf einen ein Plasmaerlöschen bewirkenden Wert (Ia) erfolgt, wonach die Intensität der Laserstrahlung bis zum Beginn eines neuen Regelzyklus auf einem Wert gehalten wird, bei dem der Werkstückwerkstoff plasmabildungsfrei über Schmelztemperatur erwärmt bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit bei gepulster Laserstrahlung gleich derjenigen Dauer (t1) eines Impulses ist, für die die Schwellintensität (Ie) erreicht oder überschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß mit konstanter Streckenenergie gefügt wird, indem die Laserstrahlung mit konstanter Frequenz gepulst und die Impulsenergie (a1, a2, . . .) pro Zeitintervall (T1) konstant gehalten wird, oder indem bei veränderlicher Fügegeschwin­ digkeit (v) eine dementsprechend proportionale Leistungs- und/oder bei gepulster Laserstrahlung eine Impulsfrequenz­ änderung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fügestelle (20) bei dem plasmabil­ dungsfrei über Schmelztemperatur erfolgenden Erwärmen der Werkstücke (2, 3) vom Laserstrahl (5) quer zur relativen Vorschubrichtung der Werkstücke (2, 3) oszillierend über­ strichen wird und/oder bedarfsweise eine unterschiedlich intensive Bestrahlung der Werkstücke (2, 3) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oszillierende Verschwenken des Laserstrahls (5) sinus­ förmig erfolgt und/oder die die Schwellintensität (Ie) er­ reichende Laserstrahlung im Bereich der Totpunkte der Ver­ schwenkbewegung abgegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Laserstrahl (5) strichförmig mit quer zur re­ lativen Vorschubrichtung der Werkstücke (2, 3) angeordneter Längsachse seines Strahlflecks (36) verwendet wird.