DE10064325A1 - Prozessgas und Verfahren zum Laserstrahlschweißen - Google Patents

Prozessgas und Verfahren zum Laserstrahlschweißen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prozessgas zum Laserstrahlschweißen mit einem auf ein zu schweißendes Werkstück fokussierten Laserstrahl. Erfindungsgemäß enthält das Prozessgas außer mindestens einem Inertgas zumindest Sauerstoff und Wasserstoff. Vorteilhafterweise ist der Sauerstoffanteil im Prozessgas im Verhältnis zum Wasserstoffanteil im Hinblick auf die Reaktion 2 H¶2¶ + O¶2¶ -> H¶2¶O unterstöchiometrisch gewählt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prozessgas zum Laserstrahlschweißen mit einem auf ein zu schweißendes Werkstück fokussierten Laserstrahl. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen, bei welchem das Prozessgas eingesetzt wird, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf eine zu bearbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein inertgashaltiger Prozessgasstrom gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird.
Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussier­ barkeit, haben dazu geführt, dass Laser heute in vielen Gebieten der Materialbe­ arbeitung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laserstrahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsan­ lagen in Verbindung mit einer CNC-Steuerung eingesetzt.
Unter einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein im wesent­ lichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahl verstanden. Außer bei der überwiegend eingesetzten Methode mit auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahlung kann die Erfindung auch bei der selten benutzten Variante mit nicht exakt auf die Werkstückoberfläche fokussierter Strahlung angewandt werden.
Bei vielen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung wird metallisches und/oder sonstiges Material auf Temperaturen erhitzt, bei denen eine Reaktion mit den einhüllenden Gasen stattfindet. In vielen Fällen werden daher technische Gase eingesetzt, um diese Materialberarbeitungsprozesse effektiver, schneller und/oder mit verbesserter Qualität durchführen zu können.
Beim Laserstrahlschweißen erfüllen Prozessgase verschiedene Aufgaben. Die Kontrolle und Reduzierung des Plasmas ist bei hohen Laserleistungen zwingend. Dies ist beispielsweise aus der Veröffentlichung "Laser im Nebel", Dr. W. Danzer und Klaus Behler, Zeitschrift LASER, Ausgabe 1/87, Seiten 32 bis 36, bekannt. Andere Aufgaben wie der Schutz vor Oxidation, eine metallurgische Optimierung und/oder eine Maximierung der Geschwindigkeit und der Qualität (Spritzer, Poren, Nahtqualität) werden bislang vernachlässigt.
Beim Laserstrahlschweißen ist es bekannt, inerte Schutzgase wie Helium oder Argon einzusetzen. Auch Stickstoff wird teilweise verwendet. Vereinzelt werden auch Beimengungen in geringen Mengen zugemischt.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Prozessgas und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche ein verbessertes Laserstrahlschweißen ermöglichen. Insbesondere sollten mit Hilfe des Prozessgases auch neben der Kontrolle und Reduzierung des Plasmas eine Maximierung der Geschwindigkeit und der Qualität erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Prozessgas außer mindestens einem Inertgas zumindest Sauerstoff und Wasserstoff enthält.
Wesentlich ist für die Erfindung, dass das Prozessgas neben einem Inertgasanteil auch einen Aktivgasanteil aufweist.
Die Erfindung beruht auf der Einkoppelung von Energie aus der Reaktion 2H2 + O2 → H2O in den Ort, wo der Laserstrahl arbeitet.
Die Reaktion 2H2 + O2 bringt verschiedene Vorteile mit sich, die gut mit dem Laserstrahl kombinieren:
  • 1. Sie ist sauber.
  • 2. Sie ist mehr oder weniger reduzierend je nach Mischverhältnis H2/O2.
  • 3. Sie ist sehr schnell.
  • 4. Sie ist energiereich.
  • 5. Sie läuft vor allem dort ab, wo hohe Temperaturen auftreten, d. h. an der Schweißstelle.
Die Erfindung ermöglicht eine Verbesserung im Hinblick auf die Plasmakontrolle. Die Erfindung bewirkt eine positive Beeinflussung der Plasmabildung.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Sauerstoffanteil im Prozessgas im Verhältnis zum Wasserstoffanteil im Hinblick auf die Reaktion 2H2 + O2 → H2O unterstöchio­ metrisch gewählt.
Mit Vorteil kann das Prozessgas das Inertgas im Prozessgas eine oder mehrere der Gaskomponenten aus der Gruppe Stickstoff, Argon und Helium enthalten.
Es haben sich insbesondere Prozessgase bewährt, die aus einem zumindest Wasserstoff oder Wasserstoff und Inertgas, enthaltenden Gasgemisch und Luft gemischt sind.
In Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere ein reduzierend wirkendes Prozess­ gasgemisch eingesetzt werden. Durch die Wahl des unterstöchiometrischen Verhält­ nisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Prozessgasgemisch im Hinblick auf die Reaktion 2H2 + O2 → H2O kann der Grad der reduzierenden Wirkung des Prozess­ gases bestimmt werden. Das bedeutet, dass je nach Wahl des unterstöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Prozessgas ein mehr oder weniger reduzierendes Prozessgasgemisch verwendet werden kann. Damit ist eine wertvolle Möglichkeit der Anpassung an die im Einzelfall vorliegenen Bedingungen einschließlich des zu schweißenden Werkstoffs gegeben.
Das Prozessgas kann vorgemischt der Laserschweißanlage zugeführt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden zumindest einzelne Kompo­ neten des Prozessgasgemisches in der Laserschweißanlage vor der Schweißdüse gemischt und/oder in der Schweißdüse verwirbelt. In diesem Fall enthält die Schweiß­ anlage bzw. die Schweißdüse entsprechend geeignete Mittel, insbesondere Einbauten als Strömungsleitmittel.
Helium dient dabei der Plasmaunterdrückung bzw. -kontrolle. Stickstoff wie auch Argon erhöhen die Abdeckung der Schweißzone. Stickstoff und Argon erfüllen auch zumindest teilweise die Aufgabe des Heliums und tragen daher als preisgünstiger Ersatz des Inertgases Helium zur Wirtschaftlichkeit des Laserstrahlschweißens bei. Die Sauerstoffbeigabe kann am Schweißprozess bestimmte positive Effekte, nämlich insbesondere eine zusätzliche Energiezufuhr hervorrufen.
Die Erfindung kann im Zusammenhang mit allen Arten von Lasern zur Anwendung kommen. Vor allem eignet sie sich für den Einsatz bei der Laserbearbeitung mit Nd- YAG-Laser, Dioden-Laser und CO2-Laser.
Mit dem erfindungsgemäßen Prozessgas können gerade auch beschichtete Werkstoffe, vor allem Stähle, insbesondere verzinkte Stähle, geschweißt werden. Versuche an verzinkten Blechen brachten sehr gute Ergebnisse. Die Geschwindigkeit kann teilweise deutlich gesteigert werden.
Die Erfindung macht in der Regel keine Modifikationen bestehender Lasergeräte und Armaturen erfoderlich.

Claims (9)

1. Prozessgas zum Laserstrahlschweißen mit einem auf ein zu schweißendes Werkstück fokussierten Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas außer mindestens einem Inertgas zumindest Sauerstoff und Wasserstoff enthält.
2. Prozessgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil im Prozessgas im Verhältnis zum Wasserstoffanteil im Hinblick auf die Reaktion 2 H2 + O2 → H2O unterstöchiometrisch gewählt ist.
3. Prozessgas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas im Prozessgas eine oder mehrere der Gaskomponenten aus der Gruppe Stickstoff, Argon und Helium enthält.
4. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas aus einem zumindest Wasserstoff oder Wasserstoff und Inertgas, enthaltenden Gasgemisch und Luft gemischt ist.
5. Verfahren zum Laserstrahlschweißen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf eine zu bearbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein inertgashaltiger Prozessgasstrom gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4 verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl des unterstöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Prozess­ gasgemisch im Hinblick auf die Reaktion 2H2 + O2 → H2O der Grad der reduzierenden Wirkung des Prozessgases bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozess­ gas vorgemischt der Laserschweißanlage zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Komponeten des Prozessgases in der Laserschweißanlage vor der Schweißdüse gemischt und/oder in der Schweißdüse verwirbelt werden.
9. Verwendung eines Prozessgases nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 für das Laserstrahlschweißen beschichteter Werkstoffe, vor allem von Stählen, insbesondere verzinkter Stähle.
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