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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserschweißverfahren.
Genauer bezieht sie sich auf ein neues Laserschweißverfahren,
das in der Lage ist, Bildung von Schweißfehlern zu verhindern und
ein tiefes Eindringen bzw. eine tiefe Einbrandtiefe bei geringer
Wärmezufuhr
zu erreichen, um eine Bildung einer Schweißstruktur mit einer hohen Festigkeit
und einer hohen Belastbarkeit zu erzielen selbst bzw. gerade in
dem Fall eines Hochleistungslaserschweißens.
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In
jüngster
Zeit wurde eine höhere
Ausgangsleistung von Laseroszillatoren grundlegend gefördert bzw.
avanciert und eine Verwendung davon für das tiefe Eindringen und
das Hochgeschwindigkeitsschweißen
wird erwartet. Jedoch wird es beispielsweise, wie in 4 beschrieben,
mit einem tieferen Eindringen bzw. einer tieferen Einbrandtiefe schwierig,
ein Schlüsselloch
stabil aufrechtzuerhalten. Dadurch können Fehler wie die Porosität, die Blase
bzw. der Lunker und Brennrisse leicht gebildet werden.
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Dies
war ein ernsthaftes Problem, um ein Hochqualitätsschweißen mit einem Hochleistungs-CO2-Laser herzustellen.
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Obwohl
Verfahren zum Vermeiden von Porosität, Rissbildung oder Schweißspritzer
in einem geschweißten
Teil bislang als ein Schweißverfahren diskutiert
wurden, das einen YAG-Laser verwendet, wurde die Diskussion bislang
zum Schweißen
einer dünnen
Platte geführt,
und demnach wurde ein Verfahren zum stabilen Aufrechterhalten eines
Schlüssellochs
beim Schwei ßen
mit einem Hochleistungslaser für
ein tiefes Eindringen, das in der Lage ist, eine Bildung von Fehlern
wie die Porosität,
die Blase bzw. den Lunker und Brennrisse effektiv zu vermeiden, bisher
nicht bereitgestellt.
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Beispiele
von Verfahren zum Schweißen dünner Platten
können
in
GB 2218660 und
EP 0564995 gefunden werden.
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Demnach
ist es, um die obengenannten herkömmlichen Probleme zu lösen, ein
Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues Laserschweißverfahren bereitzustellen,
das in der Lage ist, Bildung eines Schweißfehlers zu vermeiden und ein
tiefes Eindringen bei geringer Wärmezufuhr
zu erreichen, um Bildung einer Schweißstruktur mit einer hohen Festigkeit
und einer hohen Zähigkeit
bzw. Belastbarkeit auch in dem Fall eines Hochleistungslaserschweißens zu
erzielen.
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Um
die obengenannten Probleme zu lösen, wird
gemäß eines
ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Laserschweißverfahren
zum Schweißen
mit einer periodischen Fluktuations- bzw. Schwankungsregulierung
in einer derartigen Weise bereitgestellt, dass eine Grundausgangsleistung nicht
Null ist und 50% oder mehr im Hinblick auf eine Spitzenausgangsleistung
ist und dass die Ausgangsleistungsfluktuationsfrequenz 200 Hz oder
weniger ist.
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Vorzugsweise
ist die Grundausgangsleistung 50 bis 70% in Bezug auf eine Spitzenausgangsleistung.
Vorzugsweise ist die vorliegende Erfindung ein Laserschweißverfahren
mit einer Eindringtiefe von 10 mm oder mehr.
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Vorzugsweise
wird ein CO2-Laser in irgendeiner der oben
genannten Verfahren verwendet und weiter bevorzugt wird ein Hochleistungs-CO2-Laser von 5 KW oder mehr verwendet.
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Bestimmte
bevorzugte Ausführungsformen werden
nun nur im Wege eines Beispiels und in Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ist
ein Diagramm, das eine Ausgangsleistungswellenform, die in einer
Ausführungsform verwendet
wird, zeigt;
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2A und 2B sind
Fotografien von Resultaten einer Röntgenstrahl-radiografischen
Untersuchung (WB = 0,6Wp),
die den Fehlererzeugungsstatus der Ausführungsform zeigen; 2A ist ein Resultat der Röntgenstrahl-radiografischen
Untersuchung eines geschweißten
Teils unter Verwendung der vorliegenden Erfindung; und 2B ist ein Resultat des Röntgenstrahl-Fehlerdetektionstests
eines geschweißten
Teils durch einen kontinuierlichen Wellenstrahl mit einer durchschnittlichen
Ausgangsleistung, die gleich der ist von 2A;
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3 ist
ein Graph, der die Eindringtiefe der Ausführungsform zeigt, wobei
den
Fall mit einer bevorzugten Ausgangsleistungssteuerung der vorliegenden
Erfindung markiert und o den Fall mit dem kontinuierlichen Wellenschweißen markiert;
und
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4 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Schweißfehlererzeugung beschreibt.
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Die
vorliegende Erfindung mit den obengenannten Merkmalen wurde auf
Grundlage des Wissens, das durch den vorliegenden Erfinder gewonnen
wurde, wie folgt fertiggestellt.
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Es
ist normalerweise beim Schweißen
mit einem Hochausgangsleistungs-CO2-Laser
nicht leicht, die Ausgangsleistung bei einer hohen Geschwindigkeit
wahlweise zu fluktuieren, und somit wurde die Schweißoperation
hauptsächlich
durch die kontinuierliche Welle ausgeführt. Dadurch ist es insbesondere
im Fall eines partiellen Eindringungsschweißens mit einem tiefen Eindringen
schwierig, ein Schlüsselloch
mit dem Ansteigen der Eindringtiefe stabil zu halten, so dass Fehler
wie die Porosität,
die Blase bzw. der Lunker und Brennrisse dabei gebildet werden,
und es war somit extrem schwierig, ein Hochqualitätsschweißen ohne
einen Fehler auszuführen.
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Der
vorliegende Erfinder fand heraus, dass Bildung eines Schweißfehlers
durch Kontrolle bzw. Steuerung der Laserausgangsleistung von außen und
durch Anwenden einer spezifischen periodischen Fluktuation auf die
Laserausgangsleistung, um ein tiefes Eindringen zu erreichen, effektiv
verhindert werden kann.
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Die
spezifische periodische Fluktuation ist eine Fluktuationsregulierung
bzw. -einstellung, um eine Grundausgangsleistung von 50% oder mehr
gegenüber
einer Spitzenausgangsleistung zu haben. Vorzugsweise ist die Grundausgangsleistung
derzeitig 50 bis 70% in Bezug auf eine Spitzenausgangsleistung.
In beiden Fällen
kann die Grundausgangsleistung nicht Null sein.
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In
der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin bevorzugt, dass die
periodische Fluktuation bzw. Schwankung der Ausgangsleistung 200
Hz oder weniger ist.
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Als
Laserlichtquelle ist in der vorliegenden Erfindung ein CO2-Laser, insbesondere ein Hochleistungs-CO2-Laser, vorstellbar. Jedoch kann die periodische
Fluktuationseinstellung mit den obengenannten Merkmalen auch im
Falle anderer Laserverfahren für
ein Tiefeindringungsschweißen
effektiv angewendet werden.
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Als
eine weitere spezifische Ausführungsform
des Laserschweißens
der vorliegenden Erfindung kann bei Anwenden einer periodischen
Ausgangsleistungsfluktuation, um eine Grundausgangsleistung von
50% oder mehr in Bezug auf eine Spitzenausgangsleistung in einem
niederen Frequenzbereich von 200 Hz oder weniger zu haben und bei Verwenden
eines Hochausgangsleistungs-CO2-Lasers eine
Erzeugung drastischer Schweißspritzer
bei einem Tiefeindringungsschweißen von 10 mm oder mehr verhindert
werden, um eine Bildung von Schweißfehlern, wie die Porosität, die Blase
bzw. den Lunker und Brennrisse effektiv zu vermeiden.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung in weiterem Detail in Bezug
auf eine Ausführungsform
erklärt,
aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgende Ausführungsform
begrenzt.
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[Ausführungsform]
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Unter
Verwendung von Stahl des Typs JIS SM490 für die generelle Schweißstruktur
wurde ein partielles Eindringungsschweißen mit einem auf Platte aufgetragenem
Material ("bead
on plate") ausgeführt. Mit
einer maximalen Laserausgangsleistung von 20 kW wurde ein Heliumgas
mit 50 l/min zugeführt,
um die Schweißstelle
mit einem Seitenabschirmverfahren abzuschirmen.
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1 zeigt
eine gepulste Laserausgangsleistungswellenform. Die horizontale
Achse stellt die Zeit dar und die vertikale Achse stellt die Ausgangsleistung
des gepulsten Lasers dar. Wie in 1 gezeigt,
wurde die gepulste Wellenform so überlagert, dass die maximale
Ausgangsleistung (Spitzenausgangsleistung) auf der Grundausgangsleistung
WB WP wurde. Die
Pulsfrequenz war 15 Hz, die Leistung war 50% und das Verhältnis von
Grundausgangsleistung zur Spitzen ausgangsleistung (WB/WP) wurde im Bereich von 40 bis 90% geändert. Die
periodische Ausgangsleistungsfluktuation wurde durch Steuerung des
Ladungsstroms von außen
ausgeführt.
Die durchschnittliche Ausgangsleistung wurde derzeit mit der folgenden
Formel berechnet und der Fehlerbetrag wurde mit dem Fall eines kontinuierlichen
Wellenschweißens
mit derselben Ausgangsleistung verglichen. Durchschnittliche
Ausgangsleistung = ((t2 – t1) × WP + (t3 – t2) × WB))/(t3 – t1)
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Die
Schweißoperation
dieser Ausführungsform
ist für
ein tiefes Eindringen von etwa 20 mm. Es wurde beobachtet, dass
ein drastisches Spritzen erzeugt wurde durch den Kontakt eines Lasers
mit einem geschmolzenen Metall, oszillierend gemäß der Ausgangsleistungsfluktuation,
mit 40% oder weniger (WB/WP).
Ferner, da der geschmolzene Metallbetrag unzureichend wird gemäß Erzeugen
der Schweißspritzer,
wird die Unterfüllung
auf der Oberfläche
des aufgetragenen Materials gebildet. Im Gegensatz dazu wird mit
70% oder mehr (WB/WP)
der Laserausgangsleistungsfluktuationseffekt gering, so dass eine Bildung
der Porosität
und der Blase bzw. des Lunkers als ähnlich zu dem Fall des kontinuierlichen
Wellenschweißens
beobachtet wurde.
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Demgemäß wurde
mit (WB/WP) in einem
50 bis 60%-Bereich, wie in 2A und 2B gezeigt, eine Bildung der Porosität und der
Blase bzw. des Lunkers effektiv verhindert, während Bildung des drastischen Schweißspritzens
unterdrückt
wurde. 3 zeigt die Eindringtiefe zu der Zeit. Unter der
Bedingung, dass der Fehler effektiv verhindert wird, da die Grundausgangsleistung
50 bis 60% in Bezug auf die Spitzenausgangsleistung beträgt, kann
der Abfall der Eindringtiefe auf 10% oder weniger im Vergleich zu
dem Fall des 20 kW kontinuierlichen Wellenschweißens begrenzt werden.
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Von
dem oben Erwähnten
wurde gelernt, dass eine Bildung der Porosität und der Blase bzw. des Lunkers
effektiv mit geringer Schweißspritzerzeugung
verhindert werden kann, während
eine tiefe Eindringtiefe durch die Verwendung des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung aufrechterhalten wird.
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Wie
hierin zuvor im Detail erklärt,
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung ein neues Laserschweißverfahren
bereitgestellt werden, das Bildung eines Schweißfehlers verhindert und ein
tiefes Eindringen durch eine geringe Wärmezufuhr erreicht, um Bildung
einer Schweißstruktur
mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Belastbarkeit bzw. Zähigkeit
selbst in dem Fall des Schweißens
mit einem Hochleistungslaser zu erzielen.
