DE10113471A1 - Welding materials using a laser beam used in hybrid welding processes comprises directing two laser focussing points in the welding point or in the region of the melt produced around the welding point - Google Patents
Welding materials using a laser beam used in hybrid welding processes comprises directing two laser focussing points in the welding point or in the region of the melt produced around the welding pointInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen oder Löten von Materialien mittels mindestens zweier Laserfokussierungspunkte und einer ge koppelten Schweißvorrichtung oder einer gekoppelten Lötvorrichtung.The invention relates to a method and a device for welding or soldering of materials using at least two laser focusing points and one ge coupled welding device or a coupled soldering device.
Die Kopplung von unterschiedlichen Schweißprozessen, insbesondere mittels eines konventionellen Schweißverfahrens und eines Laserstrahls wird Laser- Hybridschweißverfahren genannt. Diese Verfahren werden vor allem in der Ferti gungstechnik verwendet, um die Vorteile der jeweiligen Verfahren zu kombinieren und auf spezifische Probleme anzuwenden. Bei einem Lichtbogenschweißverfahren wird die Schweißwärme durch einen hohen elektrischen Strom auf die Schweißoberfläche übertragen. Der Brennfleck des Lichtbogens erreicht jedoch keine große Einschweißtiefe in das Material. Auch Variationen bestimmter Schweißparameter, wie z. B. die zeitabhängige Veränderung des Schweißstromes (DE 198 08 383 A1), kann diese Schweißcharakteristik nicht wesentlich verändern.The coupling of different welding processes, in particular by means of a conventional welding process and a laser beam is laser Hybrid welding process called. These processes are mainly used in ferti technology used to combine the advantages of each method and apply it to specific problems. In an arc welding process is the heat of welding by a high electrical current on the Transfer welding surface. However, the focal spot of the arc reaches no great welding depth into the material. Also variations of certain Welding parameters such as B. the time-dependent change in the welding current (DE 198 08 383 A1), this welding characteristic cannot change significantly.
Die Verwendung eines hochenergetischen Laserstrahles zur Behandlung, insbe sondere Verschweißen, von Oberflächen ist Stand der Technik (z. B. DE 197 51 195 C1). Die wärmebeeinflusste Zone des hochenergetischen Laserstrahls ist im Ge gensatz hierzu mit einer herkömmlichen Lichtbogenschweißanordnung wesentlich geringer als die Fläche des Brennfleckes. Die Einschweißtiefen sind jedoch im Ver gleich zum konventionellen Schweißverfahren wesentlich tiefer. Die Kombination dieser beiden Verfahren führt zu einer kelchförmigen Schweißnaht, mit der auch Spalte, z. B. zwischen Materialien, verschweißt werden können.The use of a high-energy laser beam for treatment, esp special welding of surfaces is state of the art (e.g. DE 197 51 195 C1). The heat-affected zone of the high-energy laser beam is in the ge This is essential with a conventional arc welding arrangement less than the area of the focal spot. However, the welding depths are in the ver much deeper than the conventional welding process. The combination of these two methods leads to a goblet-shaped weld, with which too Column, e.g. B. between materials can be welded.
In der DE 199 16 831 A1 wird ein Verfahren zum Laser-WIG-Schweißen beschichte ter Stahlbleche beschrieben. Die Kombination eines Wolfram-lnertgas-(WIG)- Schweißverfahrens in Verbindung mit einem Nd:YAG-Festkörperlaser ermöglicht durch eine höhere Schweißnahtqualität als herkömmliche Schweißverfahren das Verschweißen von beschichteten Stahlblechen. Diese Möglichkeit ist jedoch nur in einem sehr engen Konfigurationsbereich möglich, bei dem die Parameter der Schweiß- und Lasereigenschaften genau vorgegebenen sind.A method for laser TIG welding is coated in DE 199 16 831 A1 described steel sheets. The combination of a tungsten inert gas (TIG) Welding process in connection with a Nd: YAG solid-state laser enables due to a higher weld quality than conventional welding processes Welding coated steel sheets. However, this possibility is only in a very narrow configuration range, in which the parameters of the Welding and laser properties are precisely specified.
Aus der DE 198 49 117 A1 ist ein Verfahren und Vorrichtung zum gekoppelten La ser-MSG-Schweißen bekannt. Das Metallschutzgasschweißen (MSG) in Verbindung mit einem hochenergetischen Laser, wie z. B. ein CO2-Laser oder ein Nd:YAG- Laser, wird als herkömmlicher Hybridschweißprozess durch einen weiteren Schweißprozess erweitert. Durch einen zusätzlichen, gekoppelten MSG- Schweißprozess wird das Schweißverhalten des herkömmlichen Hybridverfahrens verbessert und die Nahtqualität, vor allem beim Schweißen von Spaltenzwischen räumen, gesteigert.From DE 198 49 117 A1 a method and device for coupled laser-MSG welding is known. Gas shielded metal arc welding (MSG) in conjunction with a high-energy laser, such as B. a CO 2 laser or an Nd: YAG laser, is expanded as a conventional hybrid welding process by a further welding process. An additional, coupled MSG welding process improves the welding behavior of the conventional hybrid process and increases the seam quality, especially when welding gaps between gaps.
Die Einzelschweißverfahren, wie Lichtbogen- oder Laserstrahlschweißenverfahren, bzw. deren Kombinationen als Hybridschweißverfahren haben die wesentlichen Nachteile, dass bestimmte Unzulänglichkeiten der Einzel- bzw. Hybridschweißverfahrens teilweise oder gar nicht berücksichtigt werden. In der Schmelze um den Schweißpunkt bildet sich aufgrund der hohen Temperaturen eine sogenannte Dampfkapillare aus. Erstarrt die Schmelze zu schnell, so bildet diese eingeschlossene Dampfkapillare Hohlräume und Poren, die die mechanische Fes tigkeit des Werkstückes und der Schweißnaht in einem hohen Maße negativ beeinflussen (z. B. "Online-Prozessüberwachnug bei Laserstrahltiefschweißen", G. Müller; Laser Magazin 6/2000, Seite 20ff.). In Verbindung mit einer nicht regulierten Laserstrahlung kann es bei einer größeren Ausdehnung der Schmelze zu einer Unterbrechung des elektrischen Stromes und damit des Lichtbogens kommen. Ein kontinuierliches, insbesondere automatisiertes, Verschweißen wird hierdurch verhindert und die Schweißqualität reduziert. Das Verschweißen von Spaltzwischenräumen mit nur einem Laserfokussierungspunkt führt zu einer asymmetrischen Temperaturverteilung über den Spalt hinweg und reduziert damit lung über den Spalt hinweg und reduziert damit die Schweißnahtqualität. Weiterhin kann die unkontrollierte Energieverteilung innerhalb der Schmelze bei heterogenen Werkstücken zu einem Herauslösen einzelner Bestandteile, wie z. B. Kohlenstoff verbindungen, führen, die die Materialeigenschaften einzelner Bereiche, z. B. einer Beschichtung, oder des gesamten Werkstückes negativ beeinflussen und unkontrol liert verändern können.The individual welding processes, such as arc or laser beam welding processes, or their combinations as hybrid welding processes, have the main disadvantages that certain inadequacies of the individual or hybrid welding processes are taken into account in part or not at all. A so-called steam capillary forms in the melt around the welding point due to the high temperatures. If the melt solidifies too quickly, this enclosed vapor capillary forms cavities and pores that have a high negative impact on the mechanical strength of the workpiece and the weld seam (e.g. "Online process monitoring for deep laser welding", G. Müller; Laser Magazin 6/2000, page 20 ff.). In connection with an unregulated laser radiation, the electrical current and thus the arc can be interrupted if the melt expands to a greater extent. This prevents continuous, in particular automated, welding and reduces the welding quality. The welding of gap spaces with only one laser focusing point leads to an asymmetrical temperature distribution across the gap and thus reduces lung across the gap and thus reduces the weld seam quality. Furthermore, the uncontrolled energy distribution within the melt in heterogeneous workpieces can cause individual components, such. B. carbon compounds, lead the material properties of individual areas, for. B. a coating, or negatively affect the entire workpiece and can change uncontrolled.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Er findung die Qualität der Schweißnaht zu verbessern und beim Verschweißen von nichtschlüssigen Werkstücken eine asymmetrische Schweißnaht zu verhindern.Based on this prior art, it is the task of the present Er to improve the quality of the weld seam and when welding prevent asymmetrical workpieces from becoming asymmetrical.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff "Schmelze" bei einem homogenen Werkstück oder bei zwei schlüssig abschließenden Werkstücken die räumliche Ausdehnung der reduzierten Festigkeit der Werkstückoberflächen um den hochenergetischen Schweißpunkt verstanden. Für das Verschweißen von zwei Werkstücken über einen Spalt hinweg wird mit "Schmelze" das noch viskose Schweißgut im Spalt und die durch den Schweißvorgang unmittelbar thermisch be einflussten Kanten und Seiten der zu verschweißenden Werkstücke verstanden.For the purposes of the present invention, the term “melt” is used for one homogeneous workpiece or in the case of two conclusive final workpieces spatial expansion of the reduced strength of the workpiece surfaces around the understood high-energy welding spot. For welding two Workpieces across a gap become "viscous" with "melt" Weld metal in the gap and be thermally immediately by the welding process understood edges and sides of the workpieces to be welded.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, dass der Laserstrahl mindestens zwei Fokussierungspunkte im Schweißpunkt oder im räumlich geringen Abstand zum Schweißpunkt besitzt. Durch die frei wählbare Veränderung der Abstände der Fokussierungspunkte zu einander oder zum Schweißpunkt und/oder der Intensitäten der jeweiligen Fokussie rungspunkte kann in Abhängigkeit vom Hybridschweißprozess die eingebrachte Energie in den Schweißpunkt und der Umgebung sehr genau beeinflusst werden. Hierdurch kann die Temperaturverteilung und -entwicklung der Schmelze im Schweißpunkt bzw. der Schweißnaht gesteuert werden.This object is achieved by the features of claim 1. According to the invention it is then provided that the laser beam has at least two focusing points in the welding spot or at a small distance from the welding spot. Through the freely selectable change in the distances between the focus points each other or to the welding point and / or the intensities of the respective focus depending on the hybrid welding process Energy in the welding spot and the surrounding area can be influenced very precisely. As a result, the temperature distribution and development of the melt in The welding point or the weld seam can be controlled.
Mit Hilfe einer ständigen Temperaturmessvorrichtung können, in Abhängigkeit von den Messdaten, die Einstellungsparameter des Lasers, wie z. B. Anzahl, Abstände und Intensitäten der Fokussierungspunkte, und der Schweißanordnung, wie. z. B. Drahtvorschub, so verändert werden, dass die oben genannten Nachteile nicht oder nur in einem sehr geringen Maße auftreten. Die Qualität der Schweißpunkte bzw. der Schweißnaht wird hierdurch erhöht und das umgebende Werkstück in seinen Materialeigenschaften durch den Schweißvorgang nur sehr gering verändert.With the help of a permanent temperature measuring device, depending on the measurement data, the setting parameters of the laser, such as B. number, distances and intensities of the focus points, and the welding arrangement, such as. z. B. Wire feed, so changed that the disadvantages mentioned above or not occur only to a very small extent. The quality of the welding spots or This increases the weld seam and the surrounding workpiece in its Material properties changed very little by the welding process.
Dieses Verfahren bietet damit die Möglichkeit, die Temperaturverteilung und den Abkühlprozess der Schmelze durch die Fokussierungspunkte der Laserstrahlung so zu steuern, dass die Bildung von Hohlräumen und Poren aufgrund von schnell er starrten Dampfkapillaren stark reduziert und die Festigkeit der Schweißnaht bzw. des umgebenden Werkstückes nicht beeinflusst wird.This method thus offers the possibility of the temperature distribution and the Cooling process of the melt through the focal points of the laser radiation to control the formation of voids and pores due to rapid er stared steam capillaries greatly reduced and the strength of the weld or of the surrounding workpiece is not affected.
Auch die Laser-Hybridverschweißung von Materialien über einen Spalt hinweg, kann mit diesem Verfahren wesentlich besser durchgeführt werden und verhindert eine asymmetrische Ausbildung der Schweißnaht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Fokussierungspunkt des Laserstrahls auf die Kante des ersten Werkstückes und der zweite Fokussierungspunkt auf die zu verschweißende Kante des zweiten Werkstückes gelegt werden. Dies führt, bei gleich gewählten Intensitä ten der Fokussierungspunkte, zu einer homogenen Erwärmung der gesamten Schweißzone und verbessert die Qualität der Schweißnaht, gewährleistet eine voll ständige Auffüllung des gesamten Spaltzwischenraumes mit der Schmelze und ver hindert ein einseitiges Aufschmelzen nur eines Werkstückes und damit die Ausbil dung einer asymmetrischen Schweißnaht.Laser hybrid welding of materials across a gap, can be performed and prevented much better with this method an asymmetrical formation of the weld seam. By the invention Method can be a focus point of the laser beam on the edge of the first Workpiece and the second focus point on the edge to be welded of the second workpiece. This leads, with the same chosen intensity ten of the focus points, for a homogeneous heating of the whole Welding zone and improves the quality of the weld, ensures a full constant filling of the entire gap between the melt and ver prevents one-sided melting of only one workpiece and thus the formation an asymmetrical weld.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Figu ren näher beschrieben; es zeigt:Further advantageous measures are described in the remaining subclaims; the invention is based on exemplary embodiments and the following Figu ren described in more detail; it shows:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des erfin dungsgemäßen Hybridschweißverfahrens mit einem Laserdoppelfokus; Fig. 1 is a schematic side view of the hybrid welding process OF INVENTION to the invention with a double focus laser;
Fig. 2 eine Aufsicht auf zwei sich überlappende Laser fokussierungspunkte relativ zur Position des Schweißdrahtes entlang einer Schweißnaht; Figure 2 is a plan view of two overlapping laser focusing points relative to the position of the welding wire along a weld seam.
Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Spalt zwischen zwei Blechen, wobei auf jeweils einem Blech ein Fokussierungspunkt positioniert ist und dieser relativ zur Posi tion des Schweißdrahtes entlang Spaltzwischenrau mes verschiebbar sind. Fig. 3 is a plan view of a gap between two sheets, a focal point is positioned on each sheet and this can be shifted relative to the posi tion of the welding wire along Spalt Zwischenrau mes.
In der Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht des Hybridschweißverfahrens mit einem Laserdoppelfokus dargestellt. In Verbindung mit einem konventionellen Schweißbrenner 15 wird der Schweißdraht 14 direkt auf das zu verschweißende Werkstück (Blech) 10 geführt. Die dabei entstehende Schmelze 20 wird direkt oder im Bereich der entstehenden Schmelze durch einen Laserstrahl bestrahlt. Der La serstrahl wird durch eine Bearbeitungsoptik 16 mit Hilfe eines Doppelfokusfor mungs-Moduls 19 in zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Fokussierungspunk ten (12, 13) aufgeteilt. Eine Ausführungsform des Doppelfokusformungs-Moduls ist in der DE 199 61 918.2 offenbart. Hierbei gewährleistet das Doppelfokusformungs- Modul 19, das die Intensitäten und/oder Abstände der Fokussierungspunkte unab hängig voneinander frei wählbar sind. Das Doppelfokusformungsmodul 19 kann beispielsweise zwischen einem Kollimationslinsensystem 17 und einem Fokussie rungslinsenystem 18 einer Bearbeitungsoptik 16 angeordnet sein, wenn der Laser strahl durch ein - nicht gezeigtes - Lichtleitkabel an das Werkstück 10 geführt wird. Durch die Bearbeitungsoptik 16 wird eine genaue Positionierung und Intensitätszu weisung der Fokussierungspunkte 12, 13 in der Schmelze 20 erreicht und das ther mische Verhalten der Schmelze 20 kontrolliert beeinflusst.In Fig. 1 a schematic side view of the hybrid welding process is illustrated with a laser dual focus. In connection with a conventional welding torch 15 , the welding wire 14 is guided directly onto the workpiece (sheet metal) 10 to be welded. The resulting melt 20 is irradiated directly or in the area of the resulting melt by a laser beam. The laser beam is divided into two laser beams with different focussing points ( 12 , 13 ) by processing optics 16 with the aid of a double-focusing module 19 . An embodiment of the double focus shaping module is disclosed in DE 199 61 918.2. The double focus shaping module 19 ensures that the intensities and / or distances of the focusing points can be freely selected independently of one another. The double focus shaping module 19 can, for example, be arranged between a collimation lens system 17 and a focusing lens system 18 of a processing optic 16 when the laser beam is guided through a light guide cable (not shown) to the workpiece 10 . Through the processing optics 16 , an exact positioning and intensity assignment of the focusing points 12 , 13 in the melt 20 is achieved and the thermal behavior of the melt 20 is influenced in a controlled manner.
In der Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die Bearbeitungspunkte des doppelfokussierten Laserstrahls 12, 13 und des Schmelzpunktes 20 der Schweißanordnung (als Durch stoßpunkt des Schweißdrahtes 14 durch die zu verschweißenden Bleche 10, 11) aufgetragen. Durch die freie Positionierbarkeit und Zuordnung geeigneter Intensitä ten der Fokussierungspunkte 12, 13 gegeneinander und relativ zum Schweißpunkt kann das Temperaturverhalten in der Schweißnaht und in den umgebenden Ble chen 10, 11 gesteuert werden. Die Fokussierungspunkte 12, 13 können mit Hilfe des Doppelfokus-Moduls 19 sogar überlappend positioniert werden. Die Hohlraum- und Porenbildung aufgrund der Ausbildung der Dampfkapillare wird damit verhindert.In Fig. 2 is a plan view of the processing points of the double-focused laser beam 12 , 13 and the melting point 20 of the welding arrangement (as a point of impact of the welding wire 14 through the sheets 10 , 11 to be welded). Due to the free positioning and assignment of suitable intensities of the focusing points 12 , 13 against each other and relative to the welding point, the temperature behavior in the weld seam and in the surrounding plates 10 , 11 can be controlled. The focusing points 12 , 13 can even be positioned overlapping with the help of the double focus module 19 . This prevents the formation of voids and pores due to the formation of the steam capillary.
Die Fig. 3 verdeutlicht die Vorteil des Hybridschweißverfahrens mittels eines La serdoppelfokus. Zwischen zwei Blechen 10, 11 befindet sich ein zu verschweißender Spalt, wobei auf der zu verschweißenden Kante des einen Blechs 10 ein Fokussierungspunkt 12 positioniert ist und auf der Kante des Gegenblechs 11 ein anderer Fokussierungspunkt 13. Die Positionen der Fokussierungspunkte 12, 13 können relativ zum Schweißdraht 14 entlang des Spaltzwischenraumes verschoben wer den. Dies verhindert eine ungleichmäßige Erwärmung der Bleche 10, 11 und ver bessert die Schweißqualität. Lasersysteme herkömmlicher Laser- Hybridschweißverfahren können nur jeweils eine Blechkante oder den schon ver schweißten Spalt bestrahlen und erzeugen damit asymmetrische Schweißnähte bzw. Schweißnähte mit Hohlräumen und Poren und damit reduzierten Festigkeiten. Fig. 3 illustrates the advantage of the hybrid welding process by means of a laser double focus. A gap to be welded is located between two sheets 10 , 11 , a focusing point 12 being positioned on the edge of the one sheet 10 to be welded and another focusing point 13 on the edge of the counter sheet 11 . The positions of the focusing points 12 , 13 can be shifted relative to the welding wire 14 along the gap between who. This prevents uneven heating of the sheets 10 , 11 and improves the welding quality. Laser systems of conventional laser hybrid welding processes can only irradiate one sheet edge or the already welded gap and thus produce asymmetrical weld seams or weld seams with cavities and pores and thus reduced strengths.
1010
Blech sheet
11
1111
Blech sheet
22
1212
Erster Laserstrahlfokussierungspunkt
First laser beam focus point
1313
Zweiter Laserstrahlfokussierungspunkt
Second laser beam focus point
1414
Schweißdraht
welding wire
1515
Schweißbrenner
welding torch
1616
Bearbeitungsoptik
processing optics
1717
Kollimationslinsensystem
collimating lens
1818
Fokussierungslinsensystem
Focusing lens system
1919
Doppelfokusformungs-Modul
Double focus forming module
2020
Schmelze
melt
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