DE10110701A1 - Laserschweißen von Nichteisenmetallen mittels Laserdioden unter Prozessgas - Google Patents

Laserschweißen von Nichteisenmetallen mittels Laserdioden unter Prozessgas

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prozessgas zur Verwendung beim Laserschweißen von nichteisenmetallischen Werkstücken mit einem auf das zu schweißende Werkstück fokussierten Laserstrahl, wobei als Laserstrahlenquelle eine Laserdiode eingesetzt wird. Erfindungsgemäß enthält das Prozessgas zumindest Sauerstoff. Das Prozessgas kann zwischen 10 und 100 Vol.-% Sauerstoff aufweisen. Das Prozessgas kann ferner neben Sauerstoff Argon, Stickstoff, Helium und/oder andere Edelgase sowie Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 50 Vol.-% enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prozessgas zur Verwendung beim Laserschweißen von nichteisenmetallischen Werkstücken mit einem auf das zu schweißende Werkstück fokussierten Laserstrahl, wobei als Laserstrahlenquelle eine Laserdiode eingesetzt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserschweißen von Nichteisen­ metallen, wobei als Laserstrahlenquelle eine Laserdiode oder mehrere Laserdioden eingesetzt werden, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf eine zu bear­ beitende Werkstückoberfläche geführt wird und wobei ein 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 Materialbear­ beitung zum Einsatz kommen. Oftmals werden dabei Laserbearbeitungsanlagen in Verbindung mit CNC-Steuerungen eingesetzt. Entsprechende Laserbearbeitungs­ anlagen sind in zahlreichen Variationen bekannt.
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 Laserschweißen ist es bekannt, inerte Schutzgase wie Helium oder Argon einzusetzen. Auch Stickstoff wird teilweise verwendet. Vereinzelt werden auch Beimengungen von Aktivgasanteilen wie Kohlendioxid, Sauerstoff oder Wasserstoff zu Argon oder Stickstoff gemischt.
Die Aufgaben der Prozessgase beim Laserschweißen sind sehr vielfältig. Die Prozessgase bestimmen unter anderem im großen Maße die Wirtschaftlichkeit, Qualität und Prozesssicherheit der Laserschweißung.
Diodenlaser als Laserstrahlquelle gegenüber Festkörperlasern (z. B. Nd:YAG-Laser) und Gaslasern (z. B. CO2-Laser) sind beim Laserschweißen auf Grund einer Reihe von Vorteilen interessant: Diodenlaser stellen eine außerordentlich effiziente künstliche Lichtquelle dar. Sie lassen sich ohne großen Aufwand installieren und kommen in der Regel mit einer herkömmlichen Stromzufuhr als Energieversorgung aus. Sie sind klein und sehr kompakt. Ferner bieten sie einen hohen Wirkungsgrad (mit 40 bis 50% etwa fünfmal höher als bei einem konventionellen Lasersystem). Sie weisen schließlich eine hohe Lebensdauer (üblicherweise mindestens 10.000 Stunden) auf.
In der Praxis konnten sich Diodenlaser beim Laserschweißen von Nichteisenmetallen bislang nicht durchsetzen. Es traten ungenügende Laserschweißungen, insbesondere mit geringen Schweißtiefen, auf.
Aus der eigenen Patentveröffentlichung DE 199 01 898 A1 ist es bekannt, ein Pro­ zessgas beim Laserschweißen niedriglegierter Stähle und verzinkter Stähle einzu­ setzen, welches neben Helium und gegebenenfalls Argon zumindest Sauerstoff mit einem Anteil bis zu 30 Vol.-% enthält. Das Laserschweißen von Nichteisenmetallen wird in der DE 199 01 898 A1 nicht näher betrachtet.
Gerade beim Laserschweißen von Nichteisenmetallen treten häufig aufgrund von Re­ flexionen der Strahlung an der Werkstückoberfläche nur geringe Energieeinkopplungen auf, die in der Regel einen qualitativ hochwertigen Laserschweißprozess unter Einsatz von Laserdioden als Laserstrahlquelle nicht zulassen.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Prozessgas und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche ein verbessertes Laserschweißen von Nichteisenmetallen mittels Laserdioden ermöglichen. Es sollte ein qualitativ hoch­ wertiger Laserschweißprozess zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere sollten mit Hilfe des Prozessgases auch neben der Kontrolle und Reduzierung des Plasmas eine Laserschweißung bei hoher Schweißgeschwindigkeit, tiefem Einbrand, hoher Qualität und guten Nahtgeometrien erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Prozessgas zumindest Sauerstoff enthält.
Unter Nichteisenmetallen sind im Rahmen der Erfindung im Gegensatz zu Eisenwerk­ stoffen und Stählen insbesondere Aluminiumwerkstoffe und -legierungen, Magnesium­ werkstoffe und -legierungen, Nickelbasiswerkstoffe und -legierungen, Kupferwerkstoffe und -legierungen und/oder Messing-haltige Werkstoffe zu verstehen.
Entscheidend für die Erfindung ist die überraschende Tatsache, dass Sauerstoff im Prozessgas eine Veränderung des Schmelzbades bewirkt. An Stelle des ansonsten beobachetten Drehen des Schmelzbades nach oben (von der bearbeiteten Werkstückoberfläche weg) tritt ein unerwartetets Drehen des Schmelzbades nach unten, d. h. in Richtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche hin, auf.
Vermutlich wird aufgrund des Sauerstoffs aus dem Prozessgas im Schweißbad die Oberflächenspannung reduziert, was zum gewünschten Resultat eines qualitativ hoch­ wertigen Laserschweißprozesses mit teifem Einbrand führt.
In Ausgestaltung der Erfindung enthält das Prozessgas zwischen 10 und 100 Vol.-% Sauerstoff. Diese Angaben beziehen sich auf gewollte Bestandteile des Prozessgases und nicht auf ungewollte bzw. herstellungsbedingte Verunreinigungen. Der Sauerstoff kann daher auch bei einem Anteil 100 Vol.-% übliche Verunreinigungen enthalten. Vorteilhafterweise liegt der Anteil von Sauerstoff im Prozessgas bei 15 und 90 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 45 und 85 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 55 und 80 Vol.-%.
In Weiterbildung der Erfindung wird das Prozessgas in Richtung der Normalen (unter einem Winkel von 90°) der Werkstückoberfläche zugeführt.
Neben Sauerstoff kann das Prozessgas zusätzlich Argon, Stickstoff, Helium und/oder andere Edelgase enthalten. Mit Vorteil kann das Prozessgas außerdem Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 50 Vol.-% enthalten.
Es haben sich insbesondere Prozessgase
  • - aus einem binären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff und Argon,
  • - aus einem binären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff und Stickstoff,
  • - aus einem binären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff und Kohlendioxid,
  • - aus einem ternären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff, Argon und Helium,
  • - aus einem ternären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid
oder
  • - aus einem ternären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff, Argon und Stickstoff
bewährt.
In Ausbildung der Erfindung - insbesondere auch für die genannten binären bzw. ternären Gasgemische - eignen sich für das Laserschweißen Laserdioden mit einer Wellenlänge von 700 bis 1300 nm, bevorzugt von 800 bis 1000 nm. Es werden damit für die Erfindung Hochleistungs-Laserdioden im Infrarotbereich bevorzugt.
Im Rahmen der Erfindung können insbesondere Hochleistungs-Laserdioden mit einer Laserleistung von 0,5 bis zu 6 kW, bevorzugt zwischen 1 und 4 kW, eingesetzt werden.
In Versuchen hat sich beispielsweise beim Laserschweißen eines Werkstückes aus A7MgSi1 mit einer Stärke von 2 mm mittels einer Laserdiode mit 3 KW Laserleistung die überracshende Wirkung des Sauerstoffs im Prozessgas gemäß der Erfindung bestätigt. Dabei wurde unter einem konzentrisch zum Laserstrahl unter 90° auf die Werkstückoberfläche zugeführten Prozessgas bei einer Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min geschweißt. Dabei wurde einerseits als Vergleichsversuch gemäß dem Stand der Technik als Prozessgas Argon zugeführt und erfindungsgemäß unter ansonsten identischen Bedingungen ein Prozessgas aus Sauerstoff verwendet.
Im Vergleich zur Schweißung unter Argon traten die Vorteile der Erfindung deutlich zum Vorschein. So belegt eine Auswertung von Schliffen, dass die im so erhaltenen Schnitt vorliegende geschweißte Fläche im Falle der Laserschweißung mit Argon einen Wert von 0,93 mm2 aufweist, während sich im Schnitt für die Laserschweißung mit Sauerstoff eine Fläche von 7,76 mm2 ergab. Die Wirkung beim Laserschweißen konnte folglich allein mit der Änderung des Prozessgases von Argon auf Sauerstoff auf über das Achtfache gesteigert werden.

Claims (9)

1. Prozessgas zur Verwendung beim Laserschweißen von nichteisenmetallischen Werkstücken mit einem auf das zu schweißende Werkstück fokussierten Laser­ strahl, wobei als Laserstrahlenquelle eine Laserdiode eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zumindest Sauerstoff enthält.
2. Prozessgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 10 und 100 Vol.-% Sauerstoff enthält.
3. Prozessgas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 15 und 90 Vol.-% Sauerstoff, vorzugsweise zwischen 45 und 85 Vol.-% Sauerstoff, besonders bevorzugt zwischen 55 und 80 Vol.-% Sauerstoff enthält.
4. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas in Richtung der Normalen (unter einem Winkel von 90°) der Werk­ stückoberfläche zugeführt wird.
5. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas neben Sauerstoff zusätzlich Argon, Stickstoff, Helium und/oder andere Edelgase enthält.
6. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas neben zumindest Sauerstoff Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 50 Vol.-% enthält.
7. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas aus einem
binären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff und Argon,
binären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff und Stickstoff,
binären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff und Kohlendioxid,
ternären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff, Argon und Helium,
ternären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff, Argon und Kohlen­ dioxid
oder
ternären Gasgemisch mit den Komponenten Sauerstoff, Argon und Stickstoff besteht.
8. Verfahren zum Laserschweißen von Nichteisenmetallen, wobei als Laserstrahlen­ quelle eine Laserdiode oder mehrere Laserdioden eingesetzt werden, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf eine zu bearbeitende Werkstück­ oberfläche geführt wird und wobei ein Prozessgasstrom gegen die Werkstück­ oberfläche geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Laserdioden mit einer Wellenlänge von 700 bis 1300 nm, bevorzugt von 800 bis 100 nm eingesetzt werden.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1946878A1 (de) * 2007-01-19 2008-07-23 Air Liquide Deutschland GmbH Schutzgas zum Laserschweißen und Laserschweißverfahren

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