DD229332A1

DD229332A1 - Verfahren zum fuegen von werkstuecken geringer waerme- und temperaturleitfaehigkeit

Info

Publication number: DD229332A1
Application number: DD27030284A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Juergen Luck; Peter Scharlock; Hartmut Mueller; Roland Ziermann
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1984-12-05
Filing date: 1984-12-05
Publication date: 1985-11-06

Abstract

Das Verfahren zum Fuegen von Werkstuecken geringer Waerme- und Temperaturleitfaehigkeit mit Hilfe energiereicher Strahlung ist insbesondere zum Fuegen von Rohren und Flachteilen aus Glas geeignet. Mit dem Ziel, groessere Werkstueckdicken als bisher rissfrei zu fuegen, ist bei dem neuen Verfahren die Waerme- und Temperaturleitfaehigkeit des Werkstoffes durch Vorerwaermung der Fuegestelle zu erhoehen. Die Loesung besteht darin, den zur Vor- und Nacherwaermung benutzten Energiestrahl durch strahlformende Mittel, wie z. B. Zylinderlinsen, einen rechteckigen Querschnitt zu geben und dieses Rechteck symmetrisch zum Fuegespalt auszurichten. Als energiereicher Strahl kann ein Elektronen- oder Laserstrahl dienen. Anwendungsgebiete fuer die Erfindung sind vor allem in der glasverarbeitenden Industrie vorhanden.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zum Fügen von Werkstücken geringer Wärme- und Temperaturleitfähigkeit

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken geringer Wärme- und Temperaturleitfähigkeit mit Hilfe energiereicher Strahlung. Sie ist insbesondere zum Schweißen von Rohren und Flachteilen aus Glas geeignet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das Hauptproblem beim Fügen von Glaswerkstücken, z. B. Glasrohren oder Glasplatten mittels fokussierten Laseroder Elektronenstrahlen ist eine im Vergleich zu Metallen nur ungenügend große Ausbildung eines schmelzflüssigen Schweißbades. Wegen der geringen Wärme- und Temperaturleitfähigkeit des Glases dauert es relativ lange, bis die gesamte Fügezone die Schmelztemperatur erreicht hat. Die plötzliche und relativ hohe Energiezufuhr pro Werkstückvolumen kann nicht schnell genug in das Glasinnere abgeführt werden. Dabei kommt es zu Wärmespannungen, Wärmestaus und zum oberflächigen Verdampfen von Glaswerkstoff.

Dieser Effekt wird noch dadurch begünstigt, daß der lemperaturbereich zwischen Verdampfungs- und Schmelzpunkt für Glas nur relativ klein - in vielen Fällen sogar fließend ineinander übergehend - ist.

Ein zweiter Umstand, der der Ausbildung einer schmelzflüssigen Zone im Glaswerkstoff entgegenwirkt, ist in einem anwachsendem Reflexionsvermögen der einfallenden Strahlung - insbesondere der COp-Laserstrahlung - mit dem Entstehen einer flüssigen Oberfläche (Glasureffekt) zu suchen. So sind in der Regel mit dem fokussierten Laseroder Elektronenstrahl nur relativ kleine Schmelzbadtiefen erzielbar und damit nur Glaswerkstücke mit relativ geringen Dicken (d ^ 1,5 ram) durch Laser- oder Elektronenstrahlen fügbar. In vielen Fällen kommt es durch die Ausbildung hoher Temperaturgradienten zu hohen Spannungen, die wiederum Ursache häufig auftretender Risse im Glas sind. Aus diesem Grunde wurde bereits vorgeschlagen, die künftige Fügestelle" mit heißen Gasen stufenweise bis unmittelbar unter die Transformationstemperatur des verwendeten Glases aufzuheizen und anschließend mittels Laserstrahlung auf kleinstem Raum zu fügen. Dabei wird die gebündelte Strahlung fokussiert, wobei die Einwirkzone vorzugsweise im Divergenzbereich der Strahlung liegen soll. Das Verfahren ist zum Fügen von Glaswerkstücken geringer Dicken, wie Entladungsgefäße und Halogenglühlampen, vorgesehen. Es läßt sich nicht problemlos auf größere Materialstärken übertragen, da wegen der geringen Wärme- und Temperaturleitfähigkeit des Glases mit einem Verdampfen des Werkstoffes und der Ausbildung sehr hoher Temperaturgradienten im oberflächennahen Werkstückbereich gerechnet werden muß. Werkstoffverluste durch Verdampfen sowie die unvollständige Ausbildung der Schmelzzone über den gesamten Fügequerschnitt bewirken jedoch im allgemeinen eine schlechte Qualität der Fügestelle.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, Werkstücke geringer Wärme- und Temperaturleitfähigkeit, insbesondere Rohre und Flachteile aus Glas, so zu fügen, daß größere Schmelzbadtiefen und somit größere zu fügende Werkstückdicken ermöglicht werden und das Auftreten von Rissen, hervorgerufen durch Spannungen, weitgehend vermieden wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fügeverfahren unter Verwendung eines energiereichen Strahles, insbesondere eines Laserstrahls, zu schaffen, bei dem durch Vorerwärmung die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffes erhöht wird.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß zur Vor- und Nacherwärmung ein energiereicher Strahl, insbesondere ein Laserstrahl verwendet wird, dessen Querschnitt durch strahlformende Mittel, z. B. Zylinderlinsen, rechteckig geformt wird. Das Rechteck wird symmetrisch zu den Fügekanten ausgerichtet. Die Vorerwärmung der Fügestelle erfolgt bis zum Transformationspunkt des Werkstoffes. Ein Schmelzen des Werkstoffes ist während der Vorerwärmung zu vermeiden, da geschmolzener Werkstoff in erhöhtem Maße Strahlung reflektiert. Zur Nacherwärmung der Fügestelle wird dieselbe energiereiche Strahlung wie zur Vorerwärmung verwendet, so daß mit Spannungsrissen im Werkstoff kaum noch gerechnet werden muß. Wenn Vor- und Nacherwärmung als auch Fügen mit einem einzigen Laserstrahl erfolgen, so ist auf eine Gaußsche Strahlungsflußdichteverteilung im Strahlquerschnitt zu achten. Es können auch zwei gleiche oder zwei unterschiedliche Laserstrahlen zur Anwendung kommen, wobei dann der zum Fügen dienende Laserstrahl dem recht-

eckig geformten Strahl zur Vor- und Nacherwärmung überlagert ist. Eine günstige Variante ergeben ein CO^-Laser zum Vor- und Nacherwärmen und ein kurzwelliger Laser, wie z. B. ein Neodyn.-YAG-Laser, zum Fügen. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß im Vergleich zum Stand der Technik tiefere Fügezonen möglich sind ohne daß sich die Gefahr der Rißbildung erhöht. Desweiteren werden durch den bei dieser Art der Vorerwärmung geringen Verdampfungsanteil Energieverluste reduziert. Der Arbeitsprozeß wird hygienischer und weniger gesundheitsschädigend.

Ausführunqsbeispiele

An Hand zweier Ausführungsbeispiele - bezogen auf die Laserwerkstoffbearbeitung - soll obige Erfindung veranschaulicht werden:

Figur 1 zeigt eine Anordnung, bei der ein Teil einer kreisförmigen Gaußschen Laserstrahlung 1 so über Strahlteiler 2 und Umlenkeinrichtung 3 auf den zu fügenden 14 und evtl. auf den bereits gefügten Werkstückwerkstoffbereich 13 bzw. Teile des Zusatzwerkstoffes 10 gerichtet wird, daß eine Vor- und evtl. Nacherwärmung bis maximal zur Transformationstemperatur stattfindet. Die geometrische Form des durch Strahlteilung ausgekoppelten Laserstrahlungsanteils 7 sei rechteckförmig , wobei die Längsseite des rechteckförmigen Strahlquerschnittes 11 parallel zum Fügespalt 12 liegen soll. In Figur 1 wird der rechteckförmige Strahlquerschnitt 11 mittels einer oder zweier Zylinderlinsen 5 erzeugt und auf den noch nicht gefügten 14 und auf den bereits gefügten 13 Werkstückwerkstoffbereich gerichtet. Die Größe des rechteckförmigen Strahlquerschnittes 11 zur Vor- und eventuellen Macherwärmung wird von der Vorschubgeschwindigkeit und zwischen dem

nicht durch Strahlteilung ausgekoppelten Laserstrahl 6 und dem Werkstückwerkstoff 8 sowie von den geometrischen Abmessungen des Fügespaltes 12 bestimmt. Der nicht durch Strahlteilung ausgekoppelte Laserstrahl 6 dient als Energiequelle zum eigentlichen Fügen. Er wird mittels einer herkömmlichen Fokussierungsoptik (Plankonvexlinse) 4 auf die eigentliche Fügestelle 9 fokussiert bzw. defokussiert. Hr braucht nicht mehr so energiereich zu sein, als würde man ohne Vor- bzw. Nacherwärmung arbeiten. Neben der Herabsetzung der Laserleistung im nicht durch Strahlteilung ausgekoppelten Laserstrahl 6 ist eine feinere Dosierung der zugeführten Strahlungsenergie möglich.

Figur 2 zeigt eine Anordnung, bei der ein Laserstrahl 1 mit kreisförmigen Querschnitt und Gaußscher Strahlungsflußdichteverteilung mittels einer oder zweier Zylinderlinsen 5 auf den zu fügenden 14 und auf den bereits gefügten 13 Werkstückwerkstoffbereich rechteckförmig fokussiert bzw. defokussiert wird. Die maximale Strahlungsflußdichte in der Mitte des Strahlfleckes dient dem eigentlichen Fügen, die weniger große Strahlungsflußdichte am Fleckrand wird zur Vor- bzw. Nacherwärmung des zu fügenden 14 bzw. des bereits gefügten 13 Werkstückwerkstoffbereiches genutzt. Die allmählich ansteigende und abfallende Strahlungsflußdichteverteilung über den rechteckförmigen Strahlquerschnitt 11 dürfte einem spannungsreduzierten und tiefergehenden Fügevorgang dienen.

Claims

fcrfindunpsanspruch

1. Verfahren zum Fügen von Werkstücken geringer Wärme- und Temperaturleitfähigkeit mit Hilfe energiereicher Strahlung, bei dem die Fügestelle bis zum Transformationspunkt des Werkstoffes vorerwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Vor- und Nacherwärmung benutzte Energiestrahl durch strahlformende Mittel rechteckig geformt und symmetrisch zum Fügespalt ausgerichtet wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die energiereiche Strahlung ein Laser liefert, dessen rechteckig geformter Querschnitt in Richtung des Fügespaltes eine Gaußsche Strahlungsflußdichteverteilung aufweist,

3· Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vor- und Nacherwärmen und zum Fügen zwei gleiche Laserstrahlen verwendet werden, wobei der zum Fügen dienende Laserstrahl dem rechteckig geformten Strahl zur Vor- und Nacherwärmung überlagert ist.

4. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vor- und Nacherwärmen und zum Fügen zwei unterschiedliche Laser verwendet werden.

5. Verfahren nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines C0₂-Lasers vor- und nacherwärmt wird und zum Fügen ein kurzwelliger Laser zum Einsatz kommt.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen