DE4315673A1 - Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter Werkstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter Werkstücke in Form eines Stoßes senkrecht zu deren Schichtung mittels energiereicher Strahlung.

Zum Verbinden, z. B. zum Verschweißen von Werkstücken, welche aus unterschiedlichen Schichten unterschiedlichen Materials bestehen, werden im Stand der Technik Verfahren offenbart, die mit Hilfe energiereicher Strahlung die Stoßflächen solcher Werkstücke bis auf Schmelz- bzw. Verbindungstemperatur erwärmen, die Stoßflächen zusammenführen und unter mehr oder minder großem Druck zusammenpressen.

So zeigt z. B. die DE 37 13 975 A1 ein Verfahren zum Fügen von Schichtwerkstoffen mittels Laserstrahlung, bei dem wenigstens ein Fügeteil mindestens zwei Schichten unterschiedlicher Werkstoffe aufweist. Hierbei kann ein Fügeteil oder mehrere Fügeteile galvanisch oder elektrolytisch beschichtet sein, aber auch gespritzt, lackiert oder kunststoffbeschichtet.

Der hier zum Verbinden der Schichtwerkstoffe benutzte Laserstrahl ist senkrecht auf die Flügellinie, d. h. senkrecht auf die Verbindungslinie gerichtet, verläuft parallel zur Fügeebene und ist quer zum Fügespalt als spaltparalleler Energiestrahl-Streifen nach durchgeführter Fokussierung ausgebildet.

Dieser als spaltparalleler Streifen in seinem Fokuspunkt ausgebildete Laserstrahl besitzt einen Bereich maximaler Intensität in seiner zur Laserstrahlachse senkrecht stehenden, den Fokusbereich beinhaltenden Fläche. Dieser Bereich maximaler Intensität überdeckt auch die Bereiche des schichtförmig aufgebauten Fügeteiles, in denen unterschiedliche Schichten in ihren Randzonen aneinanderstoßen.

In diesen Randbereichen finden während des zur Verschweißung bzw. zur Verbindung der Stoßflächen nötigen Aufschmelzens Konvektions- und Diffusionsvorgänge statt, die dazu führen, daß ein nicht gewünschter Austausch einzelner Legierungselemente in die benachbarten Schichten stattfindet und somit die gewünschten Eigenschaften verändert werden.

Im Extremfall kann der Austausch von Material zwischen benachbarten Schichten dazu führen, daß beispielsweise eine neben einer dicken Schicht angeordnete dünne Schicht vollständig mit dieser benachbarten dicken Schicht vermischt wird. Falls es sich z. B. bei der dünneren Schicht um eine austenitische korrosionsbeständige Edelstahlplattierung auf einem ferritischen und damit grundsätzlich korrosionsanfälligeren Trägermaterial handelt, kann das oben beschriebene vollständige Vermischen beider Schichten zu einer Abnahme der Korrosionsbeständigkeit der austenitischen Plattierung führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter Werkstücke in Form eines Stoßes senkrecht zu deren Schichten mittels energiereicher Strahlung zu schaffen, wobei die zur Verbindung nötige Wärmeeinbringung nicht zur Vermischung bzw. zur Diffusion einzelner Schichtbestandteile oder Legierungselemente führt, die Verbindung vollständig geschweißt wird und die jeweiligen schichtspezifischen mechanischen und chemischen Eigenschaften erhalten bleiben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 enthalten.

Durch die gezielte Ausbildung von Energiemaxima, welche nicht die Grenzbereiche bzw. die aneinander angrenzenden Randbereiche zweier oder mehrerer Schichten bestrahlen oder überstreichen, wird eine durch Wärmeeinbringung und Erwärmungszeit erfolgende Diffusion bzw. Vermischung von Elementen unterschiedlicher Schichten in deren Randbereichen verhindert.

Die chemischen und mechanischen Eigenschaften, die jede Schicht charakterisieren und die gerade in dieser Ausbildung der Schichtform zur Erzielung besonderer Vorteile, wie z. B. die Korrosionsbeständigkeit, gewählt und in den genutzten Vormaterialien hergestellt sind, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren vollständig aufrechterhalten.

Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das separate Energiemaximum bzw. die jeweils separaten Energiemaxima als eines von mehreren Intensitätsmaxima innerhalb eines energiereichen Strahles ausgebildet sind. Hierbei wird z. B. ein Laserstrahl durch gezielte Spiegelung und Reflexion innerhalb speziell ausgebildeter Optiken in der quer zur Strahlachse stehenden Fläche eines Fokuspunktes so ausgebildet, daß mehrere Intensitätsmaxima mit zwischen ihnen liegenden Intensitätsmaxima auf den Stoß der Schichtwerkstoffe einwirken. Hierbei richtet man die Mittelachsen der Intensitätsmaxima auf die Flächenschwerpunkte der Stoßflächen der einzelnen Schichten und erhält so in den Randbereichen zweier oder mehrerer Schichten die vorhandenen Intensitätsmaxima. Ein Vermischen einzelner Schichtbestandteile wird hierdurch vermieden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das jeweilige separate Energiemaximum bzw. die jeweiligen separaten Energiemaxima so erzeugt, daß eine energiereiche Strahlung mit nahezu punktförmigem Fokus über ein Spiegelsystem so abgelenkt wird, daß es mehrfach den Bereich der Verbindungslinie der schichtweise aufgebauten Werkstücke überstreicht. Das Überstreichen bzw. "Scannen" erfolgt hierbei in der Form, daß die energiereiche Strahlung in den aneinander angrenzenden Randbereichen zweier oder mehrerer Schichten unterbrochen wird. Die Unterbrechung des Scannens geschieht hierbei beispielsweise durch Rotationsspiegel, die segmentiert bzw. an den entsprechenden Stellen absorbierend ausgebildet sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Leistungsmodulation in der Art auf die Scan-Bewegung abzustimmen, daß im Zentrum der Schichten ein Leistungsmaximum und in den Trennebenen der Schichten ein Leistungsminimum erreicht wird.

Dieses Verfahren erweist sich deshalb als besonders einfach, weil hierbei der Laserstrahl nicht über besondere Maßnahmen in seiner Energieverteilung im Fokuspunkt beeinflußt werden muß. Eine weiter verfeinerte Beeinflussung der Energieverteilung kann dabei auf vorteilhafte Weise so erfolgen, daß während des Überstreichens die Strahlungstransfergeschwindigkeit variiert wird. Dies geschieht beispielsweise durch unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten der oben bereits genannten Rotationsspiegel.

Eine gleichermaßen einfache und vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man dann, wenn jedes separate Energiemaximum durch einen oder mehrere einzelne Strahlen erzeugt wird. Hierbei können beispielsweise mehrere Strahlquellen zur Erzeugung energiereicher Strahlung parallel nebeneinander betrieben werden und deren Strahlen ohne besondere Bearbeitung oder spezielle Spiegelung fokussiert und auf die einzelnen Stoßflächen gerichtet werden.

Gleiches läßt sich auch auf einfache Art erreichen, indem man einen starken und energiereichen Hauptstrahl mittels eines "Strahl-Teilungs-Systems" aufspaltet und so einzelne energiereiche Teilstrahlen erzeugt, die dann auch auf die jeweiligen Stoßflächen gerichtet und fokussiert werden.

Die Ausbildung der einzelnen Energiemaxima der jeweiligen Strahlen wird in vorteilhafter Weise dadurch unterstützt, daß die Querschnittsfläche der Strahlen oder der Teilstrahlen elliptisch ausgebildet sind und mit ihrem größeren Querschnittsradius an die Schichtdicke der zu erwärmenden Schicht und mit ihrem kleineren Querschnittsradius an die Einformungsgegebenheiten angepaßt ist. Hierdurch reduziert sich ebenfalls durch reine geometrische Strahlenformung die Wärmeeinbringung in den Randbereichen der jeweiligen Schichten.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens besteht darin, daß die Zerlegung der Strahlung mittels fokussierender Optiken erfolgt und die Energiemaxima dadurch erzeugt werden, daß die Fokusabstände und die Leistungsdichte der einzelnen Strahlen zueinander unterschiedlich eingestellt wird. Dadurch kann im Schmelzpunkt, welcher näherungsweise dem Auftreffpunkt der Strahlung entspricht, die Energiedichte der jeweiligen Teilstrahlung allein durch eine relativ einfache Änderung der Brennweite beeinflußt werden.

Eine besonders einfache Methode der Bearbeitung von Werkstücken und damit auch der Verbindung von schichtweise aufgebauten Werkstücken in Form eines Stoßes besteht in der Verwendung der Laserstrahlung als energiereiche Strahlung. Hierbei kann ohne Vakuum und ohne das Entstehen von Röntgenstrahlung - wie dies z. B. bei der Elektronenstrahlung vorhanden ist - gearbeitet werden. Entsprechende Sicherheits- und Handhabungseinrichtungen können daher einfach und effektiv aufgebaut werden.

Zur Sicherung einer durch Oxidations- und Reaktionsvorgänge unbeeinflußten Verbindung ist es sinnvoll, die Verbindungslinie mit Schutzgas so zu beaufschlagen, daß der gesamte Fügebereich unter Schutzgasatmosphäre steht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung werden die Bereiche mit höherer Fehlerhäufigkeit, wie zum Beispiel Blechober- oder -unterseiten, d. h. also die außenliegenden Schichten eines schichtweise aufgebauten Werkstückes mit lokal erhöhten Leistungsdichten bestrahlt. Hierdurch werden in den außenliegenden Schichten die Energiemaxima etwas zur jeweils außenliegenden Oberfläche hin verschoben, wodurch ein kontrolliertes Einschmelzen von eventuellen geometrischen Unregelmäßigkeiten des Werkstückes erreicht wird.

Bei bestimmten Werkstoffpaarungen beispielsweise auch bei Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten ist es vorteilhaft, wenn die außenliegenden Schichten der schichtweise aufgebauten Werkstücke simultan, jedoch in Vorschub- bzw. Verbindungsrichtung seriell erwärmt werden und dementsprechend das Verbinden erfolgt. Hierdurch läßt sich - eventuell sogar durch eine Zwischenkühlung - eine sichere Trennung der Verschweißung oder Verbindung einzelner Schichten durchführen und das Vermischen von Legierungselementen mit Sicherheit ausschließen.

Eine weitere Optimierung des Verfahrens kann dadurch erfolgen, daß die separaten Energiemaxima der außenliegenden Schichten durch im wesentlichen senkrecht zur Vorschub- bzw. Verbindungsrichtung einwirkende Strahlung erzeugt wird. Hierdurch wird sowohl der Effekt erreicht, daß das Energiemaximum der außenliegenden Schichten zu deren Außenoberfläche hin verschoben wird, als auch auf besonders einfache Weise eine serielle Verbindung ermöglicht.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schweißverfahren in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Verbindungslinie in der Ansicht entlang der Fügelinie,

Fig. 3 eine Ausbildung des Verfahrens mit senkrecht einstrahlender Strahlung zur Verbindung der außenliegenden Schicht.

Fig. 1 zeigt die schichtweise aufgebauten Werkstücke 1 und 2, die an der Verbindungsstelle 3 zusammengeführt und verschweißt werden. Hierzu dient die parallel zur Fügespaltebene gerichtete Laserstrahlung 4, die aus insgesamt fünf einzelnen Laserstrahlen 5, 6, 7, 8 und 9 besteht. Hierbei sind die Laserstrahlen 6, 7, 8 und 9 auf die ferritische Grundschicht 10 und 10′ der Werkstücke 1 bzw. 2 und der Laserstrahl 5 auf die austenitische Beschichtung 11 und 11′ der Werkstücke gerichtet.

Fig. 2 zeigt den Stoß in der Verbindungslinie in einer Ansicht, in der der Betrachter entlang der Fügespaltebene auf den Schweißpunkt bzw. die Schweißlinie schaut. Hier sind schematisch die Auftreff-Flächen der Laserstrahlen 5 bis 9 skizziert, die sich im Fokuspunkt und damit in der Verbindungslinie der schichtweise aufgebauten Werkstücke ausbilden. Hierbei ist deutlich zu erkennen, daß die aneinander angrenzenden Randbereiche der Schichten 10, 11 und 10′, 11′ nicht durch die Laserstrahlen beaufschlagt werden.

Der Laserstrahl 5 ist auf die Mitte der Schichten 11 und 11′ und die Laserstrahlen 6, 7, 8 und 9 sind gleichmäßig verteilt auf die mittleren Bereiche der Schichten 10 und 10′ gerichtet.

Hierdurch entstehen die Intensitätsmaxima ebenfalls in der Mitte der jeweiligen Schichten 10, 10′ und 11, 11′, und die aneinander angrenzenden Randbereiche werden nur durch die Leitung der Schmelzwärme innerhalb der Werkstücke erwärmt und angeschmolzen. Diese Erwärmung und das Aufschmelzen durch Schmelzwärme-Leitung ist ausreichend für einen sicheren Verbund über die gesamte Breite der schichtweise aufgebauten Werkstücke, verhindert jedoch durch ein gezieltes und kurzzeitiges Aufschmelzen eine Diffusion und eine Vermischung von Bestandteilen der unterschiedlichen Schichten.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausbildung des Verfahrens gemäß Anspruch 13, bei dem das separate Energiemaximum der außenliegenden Schichten 11, 11′ durch eine im wesentlichen senkrecht wirkende Strahlung 12 erzeugt wird, welche das Energiemaximum in der bereits genannten vorteilhaften Weise zur Außenoberfläche 13 verschiebt.

Die auf die Grundschichten 10, 10′ gerichteten Laserstrahlen 6, 7, 8 und 9 der Strahlung 4 werden hierbei durch einen segmentierten Parabolspiegel 14 erzeugt.

Claims (13)

1. Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter Werkstücke in Form eines Stoßes senkrecht zu deren Schichtung mittels energiereicher Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßflächen jeder einzelnen Schicht mit einem separaten Energiemaximum erwärmt und aufgeschmolzen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeses separate Energiemaximum als eines von mehreren Intensitätsmaxima innerhalb nur eines energiereichen Strahles ausgebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes separate Energiemaximum durch mehrfaches, in den aneinander angrenzenden Randbereichen zweier oder mehrerer Schichten unterbrochenes Überstreichen entlang der Verbindungslinie erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiemaxima und Energieminima durch während des Überstreichens variierende Strahlungs-Transfergeschwindigkeit erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes separate Energiemaximum durch einen oder mehrere einzelne energiereiche Strahl(en) erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere energiereiche Strahlen durch Aufteilung eines Hauptstrahles erzeugt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Strahlen oder Teilstrahlen elliptisch ausgebildet und mit ihrem größeren Querschnitts-Radius an die Schichtdicke der zu erwärmenden Schicht und mit ihrem kleineren Querschnitts-Radius an die Einformungsgegebenheiten angepaßt ist.

8. Verfahren nach Anzahl 2 oder 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung mittels fokussierender Optiken zerlegt und die Energiemaxima und -minima durch zueinander unterschiedliche Anstellung der Fokusabstände und der Leistungsdichte der einzelnen Strahlen erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als energiereiche Strahlung Laserstrahlung verwendet wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Verbindungslinie eine Schutzgasatmosphäre erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die außenliegenden Schichten der schichtweise aufgebauten Werkstücke mit lokal erhöhten Leistungsdichten bestrahlt werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der außenliegenden Schichten der schichtweise aufgebauten Werkstücke simultan, jedoch in Vorschub- bzw. Verbindungsrichtung seriell erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die separaten Energiemaxima der außenliegenden Schichten durch im wesentlichen senkrecht zur Vorschub- bzw. Verbindungsrichtung einwirkende Strahlung erzeugt wird.