DE4308971A1 - Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung, insbesondere zum Laserstrahlschweißen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung; bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Schweißen mit Laserstrahlung.

Stand der Technik

Es ist allgemein bekannt, daß es bei der Lasermaterialbearbeitung mit zuneh­ mender Intensität der Laserstrahlung zur Ausbildung von laserinduzierten Plas­ men kommt, wobei bei schwach absorbierenden Materialen zunächst der Über­ gang von der normalen in die anormale Absorption überschritten werden muß. Die Aufrechterhaltung eines solchen laserinduzierten Plasmas und insbesondere die Bedingungen der Aufrechterhaltung richten sich nach dem jeweiligen Bear­ beitungsverfahren. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß je nach Bear­ beitungsbedingungen das laserinduzierte Plasma des Werkstücks ein Plasma in der die Bearbeitungsstelle umgebenden Atmosphäre zündet. Dieses Plasma bewirkt eine so starke Abschirmung der eingestrahlten Laserintensität, daß die Bearbeitung in erheblichem Maße beeinträchtigt wird. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren offenbart, die das Bearbeitungsverfahren dahingehend regeln, daß die Laserstrahlung möglichst wenig abgeschirmt wird.

In der DE-PS 34 24 825 ist eine Einrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung geoffenbart, bei der das Werkstück durch eine genügend hohe Laserintensität zunächst in den Zustand der anormalen Absorption über­ führt und ein laserinduziertes Werkstückplasma erzeugt wird. Im weiteren Ver­ lauf der Bearbeitung erfolgt eine Regelung des laserinduzierten Plasmas dahin­ gehend, daß zur Vermeidung einer unerwünschten Abschirmung der Laser­ strahlung die Laserintensität zeitlich zwischen einem unteren Grenzwert, der durch die anormale Absorption festgelegt ist und einem oberen Grenzwert, bei dem die Ausbildung einer Detonationswelle durch Expansion des Plasmas er­ folgt, moduliert wird. Dabei werden die Grenzwerte rechnerisch ermittelt und für jeden Werkstoff und jedes Bearbeitungsverfahren ist ein gesondertes Pro­ zeßdiagramm zu erstellen, aus dem die zeitliche Steuerung der Laserintensität zwischen den Grenzwerten entnommen werden kann.

In der CH-PS 605010 ist ein Verfahren zum Abtragen, insbesondere Bohren, von Werkstücken mit Laserstrahlung geoffenbart, bei dem zum Starten des Bohrens ein laserinduziertes Plasma erzeugt wird, das jedoch möglichst rasch wieder er­ löschen soll, da sonst die Laserstrahlung zu stark abgeschirmt wird. Hierzu wird der zeitliche Intensitätsverlauf des Laserimpulses und der Öffnungswinkel, mit dem die Laserstrahlung auf das Werkstück fokussiert wird, durch vorangehende Versuch geeignet optimiert; zusätzlich wird vorgeschlagen, die Bearbeitungs­ stelle mit einer Helium und/oder Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre zu um­ geben.

In den beiden zuvor genannten Druckschriften wird der Abschirmeffekt auf das sich ausbreitende laserinduzierte Werkstückplasma zurückgeführt und das Bearbeitungsverfahren wird unter vorgegebenen Bearbeitungsbedingungen wie Werkstoffzusammensetzung und Laserstrahlparameter soweit optimiert, daß die Abschirmung der Laserstrahlung minimiert wird. Vor jeder Bearbeitung sind da­ her umfangreiche Vorversuche erforderlich, um die am besten geeigneten Bear­ beitungsbedingungen zu ermitteln.

Beim Laserstrahlschweißen ist es bekannt, ein geeignetes Schutzgas zu ver­ wenden, mit dem die Bearbeitungsstelle umströmt wird. Dieses Schutzgas erfüllt in der Regel mehrere Funktionen. Zum einen beeinflußt es die Schmelzbadbe­ wegung und verhindert die Oxidation des geschmolzenen Metalls; zum anderen dient das Schutzgas der Kontrolle des laserinduzierten Schweißplasmas. Durch gezielte Anpassung der Schutzgasart, des Schutzgasflusses und der Gaszufüh­ rung an den jeweiligen Schweißprozeß kann eine Stabilisierung des Schweißpro­ zesses (zum Beispiel Homogenisierung der Schmelzbadbewegung, Vermei­ dung von Spritzerbildung) erzielt werden. Darüber hinaus hat das Schutzgas noch die wichtige Funktion, die Ausbildung eines abschirmenden Plasmas ober­ halb des Werkstücks zu verhindern, da sonst der Schweißprozeß in erheblichem Maße beeinträchtigt wird und es insbesondere zur Verringerung der Schweiß­ tiefe und unter Umständen zur vermehrten Porenbildung in der Schweißnaht kommen kann. Die Ausbildung eines abschirmenden Plasmas kann mit relativ großer Sicherheit vermieden werden, wenn als Schutzgas Helium verwendet wird. Aus wirtschaftlichen Gründen ist man jedoch bestrebt, das teure Helium durch andere, billigere Schutzgase, wie zum Beispiel Argon zu ersetzen oder dem Helium andere Gase beizumischen, um so dessen Verbrauch zu reduzie­ ren. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Gefahr der Ausbildung eines ab­ schirmenden Plasmas steigt. Auch Instabilitäten der Laserleistung oder des Schweißprozesses selbst wirken sich dann eher auf die Ausbildung eines ab­ schirmenden Plasmas aus. Bei großen Laserleistungen (größer circa 10 kw) und großen Laserintensitäten ist die Beimischung von anderen Gasen zu Helium nur bedingt oder überhaupt nicht möglich. In der Druckschrift "Schweißen mit dem CO₂-Laser" in wt Wissenschaft und Technik, Mai 1992, wird daher vorge­ schlagen, bei Verwendung eines Heliumersatzgases, hier Argon, die Ausbildung eines abschirmenden Schutzgasplasmas zu erkennen, indem mit einem Gitter­ spektrographen eine Argonlinie detektiert wird, um dann regelnd in den Schweißprozeß eingreifen zu können. Dies setzt jedoch voraus daß ein Schutz­ gas überhaupt geeignet zur Bearbeitungsstelle geführt und dort mit einer effizi­ enten Strömung eingesetzt werden kann, was z. B. bei komplizierten Werkstück­ geometrien mit nicht unerheblichen Schwierigkeiten verbunden ist, insbeson­ dere bei bei der Bearbeitung mit 3D- und 5D-Bearbeitungsmaschinen. Darüber hinaus setzt diese Art der Prozeßüberwachung voraus, daß der hauptsächliche Abschirmungseffekt durch das Schutzgasplasma (in diesem Fall Argonplasma) und nicht durch das Umgebungsplasma verursacht wird.

Darstellung der Erfindung

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung anzugeben, bei dem die Plasmaabschirmung der eingestrahlten Laserintensität vermieden wird und somit der Wirkungsgrad der Bearbeitung gesteigert werden kann, und zwar unabhängig von irgendwelchen Schutz- und/oder Prozeßgasen und Prozeß­ gasgemischen und ohne zeitraubende Vorversuche oder Berechnungen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungungen des Erfindungsge­ genstandes sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10 gekennzeich­ net.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die Bearbeitung des Werkstücks in Echtzeit überwacht und geregelt wird, wobei die Überwachung von den einzelnen Parametern der Werkstückbearbeitung losge­ löst ist, da ein (oder mehrere) Parameter der Umgebungsatmosphäre detektiert wird und anhand dieses Meßergebnisses eine Regelung des Bearbeitungspro­ zesses erfolgt. Die vorliegende Erfindung ist somit universell einsetzbar, wenn es zu verhindern gilt, daß in der Umgebung der Bearbeitungsstelle ein atmosphäri­ sches Plasma entsteht, das eine Abschirmung der eingestrahlten Laserintensität zur Folge hätte.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung betreffen das bevorzugte Anwendungsgebiet, das Laserstrahlschweißen.

Zum einen wird mit der vorliegenden Erfindung der Einsatz von kostensparen­ den Schutzgasen möglich, da die Funktion des Schutzgases, die Ausbildung ei­ nes abschirmenden Plasmas teilweise oder ganz zu unterbinden, wegfällt, so daß ein Ersatz des teueren Heliums ermöglicht wird, z. B. durch He/Ar- oder He/N₂-Gemische oder reines Ar oder N₂, und darüber hinaus kann die Menge des verwendeten Schutzgases reduziert werden.

Zum anderen können auch schwierige Bearbeitungsaufgaben gelöst werden, bei denen die Verwendung und insbesondere die optimale Zuführung eines Schutzgases nur bedingt möglich sind. Beispielsweise erzwingen Werkstücke mit komplizierten Bauteilgeometrien an Kurven, Krümmungen und Kanten Ge­ schwindigkeits- und Fokuslageänderungen des Bearbeitungskopfes, so daß es bei nicht ausreichender Nachführung des Schutzgasflusses vermehrt zu Plas­ maabschirmungen kommt, die erhebliche Fehler in der Schweißnaht zur Folge haben können. Die Nachführung des Schutzgasflusses erfordert darüber hinaus zusätzliche Einrichtungen, auf die mit der vorliegenden Erfindung verzichtet wer­ den kann, indem ein Bearbeitungskopf mit einer konzentrischen Schutzgasdüse verwendet werden kann.

Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstands liegt in der Geschwindigkeit, mit der das Auftreten des abschirmenden Plasmas der atmosphärischen Umge­ bung detektiert wird und dieses Plasma wieder zum Erlöschen gebracht wird. Diese Zeiten sind so kurz, daß das Schweißplasma selbst nicht erlischt, so daß der Schweißprozeß kontinuierlich durchgeführt werden kann. Insbesondere die Ausgestaltung nach Anspruch 6 ermöglicht das Detektieren des Umgebungs­ plasmas schon während der Entstehung desselben.

Die besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 5 ermöglicht eine einfache und damit kostengünstige Regelung des Bearbeitungsverfahrens.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel und anhand von Fig. 1 bis 4 näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Zeitlicher Verlauf der Intensitäten der Argonlinie 695.5 nm, und der Stickstofflinie 746.8 nm beim Laserstrahlschweißen mit einem Gas­ gemisch Argon-Helium.

Fig. 2 Zeitlicher Verlauf der Plasmatemperatur des laserinduzierten Eisenplasmas sowie der Intensität der Stickstofflinie 746.8 nm beim Laserstrahlschweißen mit einem Argon-Helium Gasgemisch.

Fig. 3 Schematische Darstellung der zeitlichen Abfolge der Plasmaab­ schirmung mit:

• a) zeitlicher Verlauf des Argon-Signals
• b) zeitlicher Verlauf des Stickstoff-Signals
• c) zeitlicher Verlauf der Eisenplasmatemperatur
• T1: Auftreten des Argonplasmas
• T2: Zünden des Stickstoffplasmas
• T3: Abfall der Eisenplasmatemperatur
• T4: Ende der Abschirmung

Fig. 4 Schematische Darstellung eines Regelkreises zur Unterdrückung abschirmender Plasmen.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die vorlie­ gende Erfindung anhand des bevorzugten Anwendungsgebietes, des Laser­ strahlschweißens, näher erläutert werden. In einem optimierten Laserstrahl­ schweißverfahren wird die Laserenergie fast vollständig in das Werkstück einge­ koppelt. Das oberhalb des Werkstücks entstehende Metalldampfplasma ab­ sorbiert nur einen sehr kleinen Teil der Laserstrahlung. Wird die Menge des He­ liums, das dem Schweißprozeß als Schutzgas zugeführt wird, reduziert, oder wird die Laserleistung bei einer nicht optimierten Heliummenge erhöht, kommt es zur Erhöhung seiner Temperatur. Über das erhitzte Metalldampfplasma wird in der Umgebungsatmosphäre ein Plasma gezündet, das einen großen Teil der Laserstrahlung absorbiert, und das Werkstück gegen die einfallende Laser­ strahlung abschirmt. Wegen des hohen Stickstoffanteils in der Atmosphäre soll dieses Plasma im folgenden als Stickstoffplasma bezeichnet werden. Ähnliche Absorptionseffekte entstehen, wenn Gasgemische wie zum Beispiel Helium-Ar­ gon als Prozeßgase verwendet werden.

Experimente haben gezeigt, daß selbst bei Verwendung des He-Ar-Gasgemi­ sches ein Stickstoffplasma in der Umgebungsatmosphäre gezündet wird, und daß dieses Plasma und nicht das Argonplasma den wesentlichen Abschir­ mungseffekt verursacht. Die Zündung des Stickstoffplasmas verläuft über eine Kette Metalldampfplasma-Argonplasma-Stickstoffplasma, wobei das Argon­ plasma unmittelbar die Stickstoffplasmazündung initiiert. Aufgrund der Abschir­ mung der Laserstrahlung durch das Stickstoffplasma erlischt das Argonplasma, sobald sich das Stickstoffplasma entwickelt hat. Diese Tatsache wird in der vor­ liegenden Erfindung für ein geregeltes Laserstrahlschweißverfahren ausgenutzt.

Als Indikator für die Formation der verschiedenen Plasmen werden in der Erfin­ dung ihre spektralen Emissionslinien verwendet. Fig. 1 zeigt exemplarisch den Verlauf einer Argon- und Stickstofflinie, und Fig. 2 den Verlauf der Plasmatempe­ ratur des laserinduzierten Eisenplasmas und einer Stickstofflinie beim Schweißen mit einem Helium-Argon-Gasgemisch. Während die spektralen Linien die Formation der beiden Gasplasmen zeigen, ist hier die Eisenplasmatemperatur ein Indikator für die Existenz des Eisenschweißplasmas. In Fig. 3 ist schematisch der zeitliche Verlauf der Plasmazündung und der Abschirmung dargestellt. Das Stickstoffplasma wird unmittelbar nach Auftreten des Argonplasmas (T1) gezündet (T2). Das Argonplasma erlischt kurz nach Ent­ stehung des Stickstoffplasmas, das, ähnlich einer laserinduzierten Verbrennungswelle, entgegen der einfallenden Laserstrahlung propagiert und das Werkstück abschirmt. Dadurch erlischt auch das Eisenschweißplasma (T3). Die Abnahme der Eisenplasmatemperatur, die die Unterbrechung des Schweißprozesses bedeutet, erfolgt mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung zu der Stickstoffplasmabildung in der Größenordnung von circa einigen ms. Daher kann die Unterbrechung des Schweißprozesses verhindert werden, wenn das Auftreten des Stickstoffplasmas schnell genug detektiert wird. Als Regelungssignal wird hierfür eine Stickstofflinie verwendet (hier eine 746.8 nm atomare N-linie), unabhängig davon mit welchem Prozeßgas geschweißt wird. Dabei ist die Laserleistung die Stellgröße. Selbstverständlich sind auch andere Stellgrößen möglich, mit denen sich die Laserleistungsdichte an der Bearbeitungsstelle regeln läßt wie beispielsweise Veränderung der Fokuslage oder optische Abschwächer. Die Stickstofflinie wird entweder mit Hilfe zum Beispiel eines Spektographen oder eines Interferenzfilters aus dem Plasmaspektrum selektiert, und mit einem photoempfindlichen Detektor wie zum Beispiel Photodiode, Photomultipier und so weiter registriert. Wird das Stickstoffplasma gezündet, beginnt das Detektorsignal zu wachsen, und der La­ ser wird durch einen Regler solange ausgeschaltet, beziehungsweise die Laser­ leistung wird entsprechend reduziert, bis das Detektorsignal seinen ur­ sprünglichen Wert erreicht hat, das heißt das Stickstoffplasma erloschen ist. Dann wird der Laser wieder angeschaltet oder die Laserleistung auf ihren ur­ sprünglichen Wert erhöht. Beim nächsten Stickstoffplasmazünden wiederholt sich der Regelungsvorgang.

Der Regelkreis kann zum Beispiel über einen 2-Punkt-Regler realisiert werden (Fig. 4). Der Detektor 3 nimmt das Signal einer Stickstofflinie auf. Die Ein- und Ausschaltwellen des Reglers 4 werden knapp oberhalb des Signaluntergrundes eingestellt, so daß schon das Entstehen des Stickstoffplasmas erkannt werden kann. Wird ein Stickstoffplasma gezündet, steigt der Signalwert über die Ein­ schaltschwelle und der Regler 4 schaltet den Laser 5 aus. Infolgedessen erlischt das Stickstoffplasma und der Signalwert fällt unter die Ausschaltschwelle des Reglers. Der Regler schaltet den Laser wieder ein. Dieser Regelprozeß erfolgt sehr schnell (circa 0.2-0.3 ms) gegenüber der Dauer der Abschirmung ohne Regelung (circa 10 ms). Wegen der oben erwähnten Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Stickstoffplasmas und dem Absinken der Eisenplasmatemperatur verhindert der kurzzeitige Regelprozeß, daß das Eisen- oder Aluminium­ schweißplasma erlischt, beziehungsweise der Schweißprozeß unterbrochen wird.

Insbesondere beim Aluminiumschweißen kann somit die Effizienz des Schweißprozesses erhöht werden, indem bei Verwendung von einem Argon-He­ lium-Gasgemisch an der Grenze zur Plasmaabschirmung geschweißt wird. Das bedeutet, daß der Argonanteil so groß gewählt wird, daß eine nur sehr kleine Ar­ gonzugabe das Zünden des abschirmenden Plasmas verursacht. Mit Hilfe des genannten Regelungsprozesses kann die Gefahr der Ausbildung dieses Plas­ mas eliminiert werden. Beim Aluminiumschweißen kann neben der Stickstofflinie auch eine - wenn auch schwächere - Sauerstofflinie zur Detektion benutzt wer­ den.

Weiterhin kann beim Schweißen von Werkstücken, die komplizierte Bauteilgeo­ metrie aufweisen, wie beispielsweise Karosseriebleche, mit der vorliegenden Er­ findung die Bearbeitung wie folgt vereinfacht werden. In der Regel erfordert der Schweißprozeß mit dem CO₂-Laser eine stechende oder schleppende Arbeits­ gaszuführung. Erst bei richtiger Zuführung des Arbeitsgases wird oberhalb der Bearbeitungszone eine stabile Strömung erzeugt, und ein kontinuierlicher Gasaustausch sichergestellt. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, um die Ausbildung von abschirmenden Stickstoffplasmen zu verhindern. Bei den zuvor genannten komplizierten Bauteilgeometrien ist daher wenigstens eine zusätzli­ che Achse erforderlich um die Arbeitsgasdüse nachzuführen. Mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren kann auf solchen zusätzlichen Aufwand verzichtet werden, indem eine einfache konzentrische Arbeitsgasdüse am Bearbeitungs­ kopf vorgesehen wird.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens findet das vorlie­ gende Verfahren bei allen Arten von Lasermaterialbearbeitung Anwendung, bei denen die Ausbildung eines abschirmenden Umgebungsplasmas verhindert werden soll.

Bezugszeichenliste

1 Werkstück
2 Plasma
3 Detektor für N-Linie
4 Zwei-Punkt-Regler
5 Laser

Claims (12)

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung, insbe­ sondere zum Laserstrahlschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsstelle auf die Ausbildung eines abschirmenden Plasmas in der die Bearbeitungsstelle umgebenden Atmosphäre (Umgebungsplasma) überwacht wird, daß bei Auftreten des Umge­ bungsplasmas der Laser abgeschaltet oder die auf die Bearbeitungsstelle eingestrahlte Intensität des Lasers bis zum Erlöschen des Umgebungs­ plasmas herabgeregelt wird, und daß nach Erlöschen des Umgebungs­ plasmas der Laser wieder eingeschaltet oder die Intensität des Lasers auf die für die Bearbeitung erforderliche Intensität hochgeregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten des Umgebungsplasmas durch Detektion wenigstens einer Spektrallinie des Umgebungsplasmas ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spektrallinie eine Stickstofflinie verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linie 746,8 nm des atomaren Stickstoff verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwei-Punkt-Regler vorgesehen ist, der bei Überschreiten einer vorgebbaren Intensität wenigstens einer Spektrallinie den Laser aus­ schaltet und bei Unterschreiten dieser Intensität den Laser wieder an­ schaltet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgebbare Intensität geringfügig über dem Signaluntergrund eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne von der Detektion des Umgebungsplasmas bis zum Erlöschen des Umgebungsplasmas kleiner als die Zeit zur Entstehung ei­ ner erhöhten Absorption in dem abschirmenden Plasma ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne kleiner als 1 ms ist und vorzugsweise 0,5 ms nicht übersteigt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Laserstrahlschweißen das Schweißplasma nicht erlischt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung intern oder extern durch optische Abschwächer ge­ regelt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bearbeitung ein Prozeßgas oder -gasgemisch und/oder ein Schutzgas oder -gasgemisch verwendet wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion der Spektrallinie oder der Spektrallinien des Umgebungsplasmas von dem benutzten Prozeßgas oder -gasgemisch und/oder Schutzgas oder -gasgemisch unabhängig ist.