DE10110702A1

DE10110702A1 - Laserschweißen von Nichteisenmetallen mittels Laserdioden unter Prozessgas

Info

Publication number: DE10110702A1
Application number: DE10110702A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Danzer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-12

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 Kohlendioxid. Das Prozessgas kann zwischen 10 und 100 Vol.-% Kohlendioxid aufweisen. Das Prozessgas kann ferner neben Kohlendioxid Argon, Stickstoff, Helium und/oder andere Edelgase sowie Sauerstoff 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 Aktivgasanteifen 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 01 900 A1 ist es bekannt, ein Pro zessgas beim Laserschweißen niedriglegierter Stähle und verzinkter Stähle einzu setzen, welches neben Helium und gegebenenfalls Argon zumindest Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 40 Vol.-% enthält. Das Laserschweißen von Nichteisenmetallen wird in der DE 199 01 900 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 Kohlendioxid 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 Kohlendioxid im Prozessgas zu einer außerordentlich guten Energieeinkopplung führt. Möglicherweise basiert dies auf dem Dipolcharakter des Kohlendioxid-Moleküls im Prozessgas. Vermutlich werden aufgrund des Kohlendioxids aus dem Prozessgas im Werkstück Schwingungen erzeugt, die zum gewünschten Resultat eines qualitativ hochwertigen Laserschweißprozesses führen. Ob hier eine Umwandlung der Strahlungsenergie in Rotations- und/oder Schwingungsenergie letztendlich für die Verbesserung verant wortlich ist, konnte derzeit noch nicht abschließend geklärt werden. Jedenfalls sind mit der Erfindung überraschenderweise Laserschweißprozesse ohne lokale Überhitzung des Werkstücks möglich.

In Ausgestaltung der Erfindung enthält das Prozessgas zwischen 10 und 100 Vol.-% Kohlendioxid. Diese Angaben beziehen sich auf gewollte Bestandteile des Prozess gases und nicht auf ungewollte bzw. herstellungsbedingte Verunreinigungen. Das Kohlendioxid kann daher auch bei einem Anteil 100 Vol.-% übliche Verunreinigungen enthalten. Vorteilhafterweise liegt der Anteil von Kohlendioxid 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 Kohlendioxid kann das Prozessgas zusätzlich Argon, Stickstoff, Helium und/oder andere Edelgase enthalten. Mit Vorteil kann das Prozessgas außerdem Sauerstoff mit einem Anteil bis zu 50 Vol.-% enthalten.

Es haben sich insbesondere Prozessgase

- aus einem binären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid und Argon,
- aus einem binären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid und Stickstoff,
- aus einem binären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid und Sauerstoff,
- aus einem ternären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid, Argon und Helium,
- aus einem ternären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid, Argon und Sauerstoff

oder

- aus einem ternären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid, 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.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Versuchsergebnissen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Schliff eines Werkstückes nach Laserschweißung mit Argon,

Fig. 2 ein Schliff eines Werkstückes nach erfindungsgemäßer Laserschweißung mit Kohlendioxid.

Im Schliff aus Fig. 1 ist ein Werkstück aus AlMgSi1 mit einer Stärke von 2 mm darge stellt, welches mittels einer Laserdiode mit 3 KW Laserleistung gemäß dem Stand der Technik unter einem konzentrisch zum Laserstrahl unter 90° auf die Werkstückober fläche zugeführten Prozessgas aus Argon bei einer Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min geschweißt wurde.

Der Schliff aus Fig. 2 zeigt im Vergleich dazu ein gleiches Werkstück aus AlMgSi1 mit einer Stärke von 2 mm, welches erfindungsgemäß ebenfalls mittels einer Laser diode mit 3 KW Laserleistung unter einem konzentrisch zum Laserstrahl unter 90° auf die Werkstückoberfläche zugeführten Porzessgases aus Kohlendioxid bei einer Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min geschweißt wurde.

Im Vergleich zur Schweißung nach Fig. 1 unter Argon treten die Vorteile der Erfindung in Fig. 2 deutlich zum Vorschein, nämlich dass die Energieeinkopplung in das zu schweißende Werkstück mit dem Prozessgas aus Kohlendioxid bei sonst gleichen Bedingungen wesentlich erhöht werden konnte. So weist die im Schnitt vorliegende geschweißte Fläche im Falle der Fig. 1 eine Wert von 0,93 mm² auf, während sich im Schnitt nach Fig. 2 eine Fläche von 5,75 mm² ergibt. Die Wirkung beim Laserschweißen konnte folglich allein mit der Änderung des Prozessgases von Argon auf Kohlendioxid auf etwa das Sechsfache gesteigert werden.

Claims

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 Kohlendioxid enthält.

2. Prozessgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 10 und 100 Vol.-% Kohlendioxid enthält.

3. Prozessgas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 15 und 90 Vol.-% Kohlendioxid, vorzugsweise zwischen 45 und 85 Vol.-% Kohlendioxid, besonders bevorzugt zwischen 55 und 80 Vol.-% Kohlendioxid 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 Kohlendioxid 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 Kohlendioxid Sauerstoff 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 Kohlendioxid und Argon,
binären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid und Stickstoff,
binären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid und Sauerstoff,
ternären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid, Argon und Helium,
ternären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid, Argon und Sauerstoff
oder
ternären Gasgemisch mit den Komponenten Kohlendioxid, 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.