DE4315849C1

DE4315849C1 - Verfahren zum Schweißen von Aluminium mit CO¶2¶-Laserstrahl

Info

Publication number: DE4315849C1
Application number: DE4315849A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Ing Palm
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: PALM, FRANK, DIPL.-ING., 28205 BREMEN, DE
Priority date: 1993-05-12
Filing date: 1993-05-12
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2013-05-13

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen von Aluminium und dessen Legierungen mit CO₂-Laserstrahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß das zum Laserschweißen verwendete CO₂-Laserlicht von blanken Aluminiumoberflächen nur zu 2 bis 3% absorbiert und der große Rest reflektiert wird und damit erhebliche Problem hervorruft. Überschreitet aber die Leistungsdichte im Fokus des CO₂-Laserlichtes auf der Werkstückoberfläche einen bestimmten Schwellwert, dann wird dort schlagartig Metall verdampft und ionisiert sofort unter Bildung eines Metalldampfplasmas auf der Werkstoffoberfläche, was den Absorptionskoeffizienten auf nahezu 100% anhebt. Man spricht hier auch von einem "plasmagestützten Schweißprozeß". Für dieses CO₂-Laserstrahlschweißen von Aluminium-Legierungen ist die Steuerung und Beeinflussung des Plasmaprozesses durch Auswahl eines geeigneten Schutzgases wesentliche Voraussetzung für dessen fertigungstechnisch sinnvollen Einsatz. Ein einheitliches und anerkannt physikalisches Modell über die Wechselwirkungen zwischen Laserlicht und Substrat - insbesondere bei CO₂-Laser und metallischem Werkstoff - existiert bis heute nicht. Die bis jetzt eingesetzten Gase und Prozeduren zur Plasmabeeinflussung basieren alle auf empirischen Versuchen und nutzen dementsprechend positiv beobachtete Phänomene, ohne jedoch diese erklären zu können.

Das Plasma beim Laserschweißen von Al-Legierungen kann ab einer bestimmten Dichte den Energietransfer zwischen Laserlicht und Werkstück während des Prozesses behindern, so daß der Schweißprozeß sehr unruhig und das zu erzielende Schweißergebnis unbefriedigend wird. Neben unregelmäßig auftretenden Schmelzbaderuptionen findet man dann eine stark variierende Einschweißtiefe, z. T. bricht der Prozeß aufgrund Totalreflexion des Laserlichts auch völlig zusammen. Dem begegnet der Stand der Technik (DE 41 18 791 A1) bisher dadurch, daß er zur Steuerung und Beeinflussung des sehr dynamischen Plasmaprozesses verschiedene Schutzgase, wie Helium, Argon, Ar/He-Mischungen oder auch Stickstoff - auf die Wirkstelle des Laserlichts mit der Al-Oberfläche geblasen werden, um so den Plasmaprozeß zu stabilisieren. Die zur Zeit gebräuchlichsten Schutzgas-Mischungen sind Kompositionen aus den inerten Gasen Argon und Helium.

Ein zunehmender Ar-Anteil führt zwar in einem recht ruhigen Schmelzbadverhalten, wobei jedoch der Ar-Zusatz einen großen Anteil der Laserenergie durch Ar-Plasmabildung absorbiert. Dieser Energie-Anteil fehlt jedoch während des Schweißprozesses und Einbußen in der Schweißgeschwindigkeit und Einschweißtiefe müssen in Kauf genommen werden. Für die Zukunft wird der Einsatz von Ar-reichen Steuergasen immer kritischer, da die Verwendung neuer Hochleistungslaser mit sehr großen Leistungsdichten im Fokus die Ar-Plasmabildung fördern. Das Potential dieser Anlagen ließe sich so bei Al-Werkstoffen nur schwer umsetzen. Eine Schmelzbadformung durch Strahloszillation ist nicht mehr möglich, da die zum Start des Prozesses notwendige Energiedichte auf der Werkstücksoberfläche nicht mehr erreicht wird.

Der Einsatz von reinem Helium als Steuergas unterdrückt die abschirmende Plasmabildung völlig, behindert aber auch den Energieübergang zwischen Laserlicht und Werkstück und es kommt - bedingt durch die gute Wärmeleitfähigkeit und hohe spezifische Wärmekapazität des He - zu einer Unterkühlung des Plasmaprozesses.

Beim CO₂-Laserstrahlschweißen von Aluminium sind die plasmaphysikalischen Vorgänge während des Schweißens sehr komplex und erlauben nur wenige Stellgrößen, an denen der Prozeß beeinflußt werden kann. Dies ist der Grund warum das CO₂-Laserstrahlschweißen bei Aluminiumwerkstoffen bisher nicht in laufenden Fertigungsprozessen eingesetzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optimiertes Schweißschutzgas bzw. -gasgemisch aufzuzeigen, mit dem die Wechselwirkungen an der Wirkstelle zwischen CO₂-Laserstrahl und Aluminiumoberfläche beeinflußbar sind und die Leistungsfähigkeit des CO₂-Laserstrahlschweißen von Al-Werkstoffen wesentlich verbessert sowie eine größere Einschweißtiefe und eine größere Schweißgeschwindigkeit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigt

Fig. 1 ein Schemabild der Anordnung der Schutzgasdüse zum CO₂-Laserstrahlschweißen,

Fig. 2 ein Blindnahtschweißungsbild an einer AlMgSi 1 F 32 Leiste mit einem Schutzgasgemisch mit gleichen Anteilen von Ar und He,

Fig. 3 ein Blindnahtschweißungsbild mit einem Schutzgasgemisch mit He/Ar/N₂ mit 10/5/5 Volumenprozent-Anteilen,

Fig. 4 ein Blindnahtschweißungsbild mit einem Schutzgasgemisch mit He/Ar/He mit 10/5/5 Volumenprozent-Anteilen,

Fig. 5 ein Blindnahtschweißungsbild mit einem Schutzgasgemisch mit Ne/N₂ mit 15/5 Volumenprozent-Anteilen,

Fig. 6 ein Blindnahtschweißungsbild mit einem Schutzgasgemisch mit Ne/Ar mit 15/5 Volumenprozent-Anteilen,

Fig. 7 ein Blindnahtschweißungsbild mit einem Schutzgasgemisch mit 20 Volumenprozent-Anteilen reinem Ne.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden Schweißversuche an Leisten bestimmter Stärke aus AlMgSi 1 F 32 erläutert. Diese Leisten wurden für die Blindnahtschweißungen im Anlieferungszustand, wie gewalzt und ausgelagert und ohne weitere Reinigung verwendet. In einer mit Cu-Spannbacken ausgerüsteten Vorrichtung sind die Versuchsteile gespannt worden, wobei in bestimmten Abständen jeweils ein Niederhalterpaar die notwendige Fixierung der Leisten sicherstellte.

Als Schweißquelle wurde ein längsgeströmter, hochfrequenzangeregter CO₂-Laser, dessen Leistung auf der Werkstückoberfläche 5000 Watt betrug, verwendet. Als feststehende fokussierende Optik diente ein wassergekühlter Paraboloid-Spiegel mit einer Brennweite von 200 mm, der Fokus lag 0,5 bis 1 mm über der Werkstückoberfläche, d. h. an der Wirkfläche von Laserstrahl und Al-Material. Die Schweißgeschwindigkeit wurde über einen CNC-gesteuerten Tisch realisiert und betrug 8 m/min (133 mm/sec). Die Fig. 1 veranschaulicht die Anordnung der Schutz- und Arbeitsgasdüse. Auf die Stützgasdüse konnte während der vorgenommenen Blindnahtschweißungen verzichtet werden, daß mit einem Durchfallen der Schweißnaht nicht zu rechnen war. Der Volumenstrom betrug während der Schweißversuche konstant 20 l/min des Gases bzw. Gasgemisches.

Wie die Fig. 2 bis 7 verdeutlichen, tritt mit zunehmenden Ne-Anteilen im Schutzgas eine Optimierung der Laserenergiekopplung auf. Bei reinem Neon im Gasgemisch - wie in der Fig. 7 veranschaulicht - wird die Einschweißtiefe gegenüber der zur Zeit gebräuchlichsten anteilsmäßig gleichen Ar/He-Mischung (Fig. 2) um etwas mehr als 50% verbessert. Da die Entstehung einer abschirmenden Plasmawolke über dem Werkstück fast völlig unterdrückt wird, verhält sich der Schweißprozeß auch insgesamt ruhiger. Die auf den Schliffbildern zu sehenden Risse werden nicht durch den plasmagestützten Prozeß verursacht, sondern treten beim Schweißen von AlMgSi- Legierungen ohne Zusatzwerkstoff zwangsläufig auf.

Schwankungen in der Einschweißtiefe, wie sie bei Ar/He-Gemischen bedingt durch die sich ständig ändernde Dichte der Ar-Plasmawolke entstehen, werden bei Ne-reichen kaum noch beobachtet. Ne bzw. Ne-reiche Schutzgase erlauben somit außergewöhnlich hohe Schweißgeschwindigkeiten und bilden das Fundament für den Einsatz neuester Hochleistungs-CO₂-Laser, deren verbesserte Strahlleistungen und Modemgeometrien sonst nicht sinnvoll genutzt werden können.

Claims

1. Verfahren zum CO₂-Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen unter Verwendung eines Schweißschutzgases oder -gasgemisches, das durch Schutz- und Arbeitsgasdüsen zur Plasmasteuerung auf den Schweißpunkt auf der Werkstückoberfläche gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißschutzgas aus reinem Neon oder einem Gasgemisch aus Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff und Sauerstoff mit reinem Neon besteht, wobei der Volumenanteil des reinen Neon in dem jeweiligen Gemisch mehr als 25% beträgt.

2. Verfahren zum CO₂-Laserstrahlschweißen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch einen längsgeströmten, hochfrequenzangeregten CO₂- Hochleistungslaser erfolgt, dessen Schweißstrahl zur Fokussierung ein gekühlter Parabolspiegel zugeordnet ist und daß die Schutz- und Arbeitsgasdüse sowie eine Stützgasdüse jeweils in einem Winkel (α, β) in Schweißrichtung zum Werkstück und in Abständen (a, c) von der Oberfläche des Werkstücks und Abständen (b, d) von der Achse des Laserstrahls angeordnet sind.

3. Verfahren zum CO₂-Laserstrahlschweißen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in einem Abstand von 0,5 bis 1 mm über der Werkstücksoberfläche fokussiert wird.