DD268826A3

DD268826A3 - PROCESS FOR LASER WELDING

Info

Publication number: DD268826A3
Application number: DD28175885A
Authority: DD
Inventors: Guenter Buness; Martin Henkel; Hans Froehlich; Siegfried Weber; Hans-Joachim Schroeder; Manfred Kloeppel
Original assignee: Excelsiorwerk Leipzig Veb
Priority date: 1985-10-16
Filing date: 1985-10-16
Publication date: 1989-06-14

Abstract

Verfahren zum Laserschweissen von metallischen Verbundwerkstoffen, insbesondere von Sintermagneten, zur Herstellung von Verbundmagneten fuer elektrische Messgeraete. Das Ziel besteht in der Verhinderung der Rissbildung und des Werkstoffabtrages durch Verdampfen bei gleichzeitiger Erhoehung der Einschweisstiefe. Die Aufgabe besteht in einer hohen Energieeinkopplung des Laserstrahles unterhalb der Schwelle anormalen Absorption. Das erfindungsgemaesse Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Werkstuecke im Bereich der Schweissnaht mit einer spitzwinkligen Fase versehen werden und der Laserstrahl im Scheitelpunkt des Winkels fokusiert wird. Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Schweissen von metallischen Werkstoffen, insbesondere von Verbundwerkstoffen wie Sintermagnete. FigurMethod for laser welding of metallic composite materials, in particular of sintered magnets, for the production of bonded magnets for electrical measuring devices. The aim is to prevent crack formation and material abrasion by evaporation while increasing the weld depth. The task consists in a high energy coupling of the laser beam below the threshold of abnormal absorption. The inventive method is characterized in that the workpieces to be joined are provided in the region of the weld with an acute-angled chamfer and the laser beam is focused at the apex of the angle. The field of application of the invention is the welding of metallic materials, in particular of composite materials such as sintered magnets. figure

Description

Das Ziel der Erfindung besteht darin, beim Schweißen von Verbundwerkstoffen mittels La se ι strahl das Entstehen von Ausnehmungen durch Verdampfen des Werkstoffes und die Rißbildung zu vorhindern bzw. auf ein unumgängliches Maß zu reduzieren. Zie! ist weiterhin ei:ie hohe Einschweißtiefe, die eine anschließende Bearbeitung der Schweißnaht ohne Beeinträchtigung der Schweißverbindung ermöglicht.The aim of the invention is to prevent the formation of recesses by evaporation of the material and the cracking during welding of composites by La ι beam or to reduce to an unavoidable level. Zie! Furthermore, it has a high welding depth, which enables subsequent processing of the weld seam without affecting the weld joint.

The essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, daß beim Schweißen mittels Laserstrahlen eine hohe Energieeinkopplung ohne Verdampfen des Werkstoffes erzielt werden soll. Der Widerspruch liegt darin, daß für eine hohe Energieeinkopplung und Wärmeableitung in Abhängigkeit von der Wärmeleitung der Metalle die Einschweißtiefo bei gleicher Intensität des Lasers einen großen Fokusradius erfordert. Beim Schweißen von Magneten muß der Fokus jedoch klein gehalten werden, um die Breite der Schweißnaht gering zu halten und um die magnetischen Werte nicht nachteilig zu beeinflussen. Damit würde jedoch die Leistung des Lasers bei kleinem Fokus begrenzt. Das Wesen der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu verschweißenden Werkstücke an ihren Berührungskanten mit einer nicht zur Schweißverbindung beitragenden spitzwinkligen Fase von je 20 Grad und einer Breite von 0,1-0,2 mm versehen werden und der Laserstrahl im Bereich des Scheitelpunktes des spitzen Winkels fokussiert wird, wobei die Fokuslänge unter 100mm liegt.The object of the invention is that when welding by means of laser beams, a high energy coupling without evaporation of the material should be achieved. The contradiction is that for a high energy input and heat dissipation depending on the heat conduction of the metals Einschweißtiefo requires the same intensity of the laser a large focus radius. When welding magnets, however, the focus must be kept small in order to minimize the width of the weld and not adversely affect the magnetic values. However, this would limit the power of the laser with a small focus. The essence of the invention is characterized in that the workpieces to be welded are provided at their contact edges with a not-contributing to the welded joint acute-angled bevel of 20 degrees and a width of 0.1-0.2 mm and the laser beam in the region of the vertex of the acute angle is focused, the focal length is less than 100mm.

Zur Durchführung der Laserschweißung werden beide Fügeteile drucklos zueinander positioniert und der Laserstrahl bei einer Fokuslänge unter 100mm mit an sich üblichem Arbeitsregime der Laserstrahlenergiezufuhr an der Schweißnaht entlanggeführt.To carry out the laser welding both joining parts are positioned without pressure to each other and the laser beam at a focal length less than 100mm along with per se usual working regime of the laser beam energy supply along the weld.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine überraschend hohe Einkopplung der Laserenergie in das zu verschweißende Material erzielt.With the method according to the invention, a surprisingly high coupling of the laser energy into the material to be welded is achieved.

Die Wirkungsweise ist derart, daß durch die Seitenkanten des spitzwinkligen Dreiecks der Laserstrahl derart beschnitten wird, daß der Brennfleck auf der Materialoberfläche verdreifacht wird. Die Energieverteilung wird dadurch wesentlich verbessert, so daß in einem weiten Bereich die Laserintensität und die Fokussierung bis zur Schwelle der anormalen Absorption unkritisch ist, im Gegensatz zu den bekannten Schweißverfahren mittels Laser. Die überraschende absorptionssteigernde Wirkung der ausgearbeiteten Fasen bewirken, daß Teile der Laserstrahlen reflektiert werden, wodurch die energetische Effektivität durch zusätzliche sekundäre Absorption primär reflektierter Strahlung erhöht wird, was sich in einer besseren Erwärmung der Teilekombination Sintermagnet und Metallteil und einem gleichmäßigen Schmelzfluß auswirkt. Die Erfindung führt gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren zu einem völlig veränderten thermischen Zyklus um den Fokusbereich herum, da das Umfeld der Laserschweißnaht gezielt thermisch beaufschlagt wird. Erfindungswesentlich ist damit auch, daß durch veränderte Oberflächengüte der Fase der Reflexionsanteil erhöht und durch Veränderung des Fasenwinkels und der Brennweite der Optik die Intensität des Lasers auf der Werkstückoberfläche veränderbar ist. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mittels Laserstrahlen stark unterschiedliche Materialien mit abweichenden thermomechanischen und metallurgischen Eigenschaften ohne die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile geschweißt werden können. Ausnehmungen und Risse treten nicht auf, und die Eins chweißtiefe wird gegenüber den bekannten Verfahren erhöht. Die Brennweite der Fokussieroptik kann reduziert werden, da die Gefahr einer Verschmutzung durch verdampfendes Metall wesentlich verringert ist.The operation is such that the laser beam is cut through the side edges of the acute triangle in such a way that the focal spot on the surface of the material is tripled. The energy distribution is thereby significantly improved, so that in a wide range, the laser intensity and the focus is not critical up to the threshold of abnormal absorption, in contrast to the known laser welding methods. The surprising absorption enhancing effect of the processed chamfers causes parts of the laser beams to be reflected, thereby increasing the energetic efficiency by additional secondary absorption of primarily reflected radiation, resulting in better heating of the sintered magnet and metal part combination and uniform melt flow. Compared to conventional welding methods, the invention leads to a completely different thermal cycle around the focus area, since the surroundings of the laser weld are subjected to a targeted thermal attack. It is also essential to the invention that the reflection component increases as a result of the changed surface quality of the chamfer, and the intensity of the laser on the workpiece surface can be changed by changing the chamfer angle and the focal length of the optics. The advantage of the invention is that by means of laser beams strongly different materials with different thermo-mechanical and metallurgical properties can be welded without the disadvantages known from the prior art. Recesses and cracks do not occur, and the depth of penetration is increased over known methods. The focal length of the focusing optics can be reduced because the risk of contamination by evaporating metal is significantly reduced.

Ausfuhrungsbeisple!

Im Ausführungsbeispiel zeigt die zugehörige schematische Zeichnung einen Teil eines zylindrischen Verbundmagneten für ein Drehspulmeßwerk. Dieser besteht aus einem Sintermagneten 1 und einem Polschuh 2. An beiden Teilen ist eine Fase 3 von 0,2mm Breite unter einem Winkel von je 20 Grad angearbeitet. Die von einer Optik 4 ausgehenden Laserstrahlen 5 werden im Scheitelpunkt 6 des durch die beiden Fasen 3 gebildeten spitzen Winkels fokussiert, wodurch sich der gedachte Fokusfleck 7 ergibt. Der Laserstrahl 5 wird am Reflexionspunkt 8 entsprechend seines Einfallswinkels 9 zum Einfallslot 10 reflektiert und trifft im Punkt 11 auf die gegenüberliegende Fase 3 auf. Ein Teil der auftreffenden Laserstrahlen wird durch den Sintermagneten 1 absorbiert und erwärmt das Material, während der andere Teil wiederum reflektiert wird, wodurch die Wirkung der Fase als selbstkassierender Bereich zustande kommt und die Absorption gesteigert wird. Bei Verkürzung der Brennweite der Optik 4 und bei Beibehaltung der Fokussierung 7 wird der selbstfokussierende Bereich vergrößert, so daß auf längere Brennweiten verzichtet werden kann. Daraus resultieren weitere Vorteile. Der Schweißvorgang wird dadurch eingeleitet, daß nach ausreichender Erwärmung des Polschuhes 2 und des Sintermagneten 1 im Scheitelpunkt 6 eine Verflüssigung des Werkstoffes eintritt. Mit der Verflüssigung des Werkstoffes wird die spitzwinklige Geometrie der Fase 3 zerstört und die volle Energieeinkopplung der Laserenergie im Umfang des Fokusfleckes 7 möglich. Durch die vorangehende Erwärmung der Fase 3 tritt im Moment der anomalen Strahlungsabsorption im Scheitelpunkt 6 ein Wärmestau auf, der einen Tiefschweißeffekt ermöglicht. Trotz der hohen Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums im Sinterwerkstoff ist damit eine große Einschweißtiefe erreichbar.In the exemplary embodiment, the associated schematic drawing shows a part of a cylindrical bonded magnet for a Drehspulmeßwerk. This consists of a sintered magnet 1 and a pole piece 2. On both parts a chamfer 3 of 0.2 mm width is worked at an angle of 20 degrees. The emanating from an optic 4 laser beams 5 are focused at the apex 6 of the acute angle formed by the two chamfers 3, resulting in the imaginary focus spot 7. The laser beam 5 is reflected at the reflection point 8 according to its angle of incidence 9 to the incidence solder 10 and is incident at point 11 on the opposite chamfer 3. Part of the incident laser beams is absorbed by the sintered magnet 1 and heats the material, while the other part is reflected again, whereby the effect of the chamfer as Selbstkassierender area comes about and the absorption is increased. When shortening the focal length of the optics 4 and maintaining the focus 7 of self-focusing range is increased, so that it can be dispensed with longer focal lengths. This results in further advantages. The welding process is initiated by the fact that after sufficient heating of the pole piece 2 and the sintered magnet 1 at the apex 6 liquefaction of the material occurs. With the liquefaction of the material, the acute-angled geometry of the chamfer 3 is destroyed and the full energy coupling of the laser energy in the periphery of the focus spot 7 is possible. Due to the preceding heating of the chamfer 3 occurs at the moment of the anomalous radiation absorption at the apex 6, a heat accumulation, which allows a deep welding effect. Despite the high thermal conductivity of the aluminum in the sintered material, a large welding depth is thus achievable.

Nach dem Verschweißen des Sintermagneten 1 mit dem Polschuh 2 wird der Verbundmagnet zylindrisch geschliffen, wobei der Werkstoff bis auf den Scheitelpunkt 6 der Fase 3 abgetragen wird.After welding the sintered magnet 1 to the pole piece 2, the bonded magnet is ground cylindrically, the material being removed down to the vertex 6 of the chamfer 3.

The core magnet produced by this method has optimum magnetic properties.

Die Anwendung der Erfindung erfolgt vorzugsweise bei Werkstoffen mit stark unterschiedlichen Materialeigenschaften. Eino Anwendung für alle anderen Werkstoffe hat die beschriebenen Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren der Laserschweißung zur Folge.The application of the invention is preferably carried out in materials with very different material properties. Eino application for all other materials has the advantages described over the known methods of laser welding result.

Claims

A method for laser welding of metallic composite materials, in particular of high-alloy composite materials, such as sintered magnets with metallic components, characterized in that the sintered magnet (1) and the metallic component (2) with a not-contributing to the weld chamfer (3), preferably at an angle of each 20 ° and a width of 0.1-0.2 mm to guide the laser beam (5) are provided by reflection at the bevel edges, wherein the laser beam (5) in the vertex (6) of the chamfer (3) is focused.

For this 1 page drawing

Field of application of the invention

The invention relates to a method for laser welding of metallic composite materials, in particular of high-alloy composite materials such as Sintermaiinete, with magnetically conductive metallic materials. The method according to the invention is preferably used for the production of composite magnates for electrical measuring instruments.

Characteristic of the prior art

Bonding magnets for electrical measuring instruments consist of a sintering matrix rivet made of Al-Ni-Fe or Al-Ni-Co-Fe, to which optionally further alloy constituents, such as Ti and Cu, are admixed and at least one or two pole sheets made of low-carbon iron or other magnetic material. locating alloys. So far, bonded magnets are produced by gluing, soldering or sintering the magnet with the pole plates. The disadvantage of gluing and soldering is the irregular thickness and the relatively large gluing or soldering layer between the individual layers of material. During sintering, an undesirable alloy layer is formed between the magnets and the pole plate, which adversely affects the induction. In order to keep the induction as large as possible and to obtain ideal measuring conditions, the aim is to keep the Fühluftspalt between the magnet and the pole piece as small as possible.

In DD-PS 52746 has already been proposed to spot-weld the two shell halves of ferrites by laser beams. As a result, a small joint gap is achieved and the complex bonding of the two shell halves is avoided. The welding of ferrites does not cause any difficulties, since only the synthetic resin binder is welded and the laser power can be easily tuned to it. The advantage of the laser welding is that the magnetic properties are negatively influenced by the welding temperature only to a negligible extent at the welding point. However, this method is not applicable to the welding of high alloy composites. The energy density of a laser beam follows a Gaussian distribution and ittt in the middle of a circular beam cross section very large and decreases exponentially from the center. The laser energy is thus concentrated on a center section, and consequently the temperature in the center section is excessively increased and the material evaporates. When welding, the evaporation is not desirable because when exceeding a critical intensity of the laser beam due to the abnormal absorption of the metal vapor plasma, the workpiece is shielded from the incident laser radiation. The energy can then no longer be fully coupled. Due to the insufficient heat dissipation, the large temperature gradients and the material removal by vaporization nn the weld seam recesses, cracks and only a small weld depth. As a result, further processing of the weld seam surface is not possible, for example by grinding, and the durability of the weld seam is not sufficient.

It is clear that these disadvantages occur to a greater degree when different combinations of materials are to be welded, as they are found in sintered magnets, since all materials have a different melting point and a different heat dissipation. In the journal "Welding Technology" Issue 1 of 1979, pages 13-16 it is stated that laser welding is well suited for metal combinations or even sintered materials, but only for bundles with a maximum material thickness of 1 mm However, with small cross-sections, heat accumulation occurs which allows the material to melt without increasing the laser power Similar problems are encountered in the laser welding of highly reflective materials such as precious metals, since the large reflection requires high laser powers in order to couple sufficient energy to melt the material r proposed laser welding of silver to provide the workpiece with a scraper or groove at the start of the weld, which corresponds in its width to the dimensions of the laser beam. This should enable a coupling of the laser beam power. This method is only applicable in continuous laser welding and not in spot welding, since in the area of the groove in the absence of material no welded connection is made. The disadvantage of material evaporation due to the high energy density in the focus is not eliminated. In order to avoid these disadvantages, it has been proposed in DE-PS 2821883 to change the energy density distribution in the beam cross-section of the laser differently from the Gaussian distribution, which amounts to a broadening of the focal spot. This is not possible and unsuitable for welding magnets since the weld must be kept as narrow as possible in order to obtain magnetic properties.