DE4315673A1 - Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter Werkstücke - Google Patents
Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter WerkstückeInfo
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4315673A DE4315673A1 (de) | 1992-05-07 | 1993-05-06 | Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter Werkstücke |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4214559 | 1992-05-07 | ||
DE4315673A DE4315673A1 (de) | 1992-05-07 | 1993-05-06 | Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter Werkstücke |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4315673A1 true DE4315673A1 (de) | 1993-11-11 |
Family
ID=25914494
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4315673A Ceased DE4315673A1 (de) | 1992-05-07 | 1993-05-06 | Verfahren zum Verbinden schichtweise aufgebauter Werkstücke |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4315673A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020126197A1 (de) | 2018-12-19 | 2020-06-25 | Audi Ag | Verfahren zum verbinden von zwei bauelementen, insbesondere für ein kraftfahrzeug, sowie baueinheit |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3713975A1 (de) * | 1987-04-25 | 1988-11-03 | Fraunhofer Ges Forschung | Vorrichtung und verfahren zum fuegen mit laserstrahlung |
-
1993
- 1993-05-06 DE DE4315673A patent/DE4315673A1/de not_active Ceased
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2020126197A1 (de) | 2018-12-19 | 2020-06-25 | Audi Ag | Verfahren zum verbinden von zwei bauelementen, insbesondere für ein kraftfahrzeug, sowie baueinheit |
DE102018222361A1 (de) | 2018-12-19 | 2020-06-25 | Audi Ag | Verfahren zum Verbinden von zwei Bauelementen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie Baueinheit |
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