DE10113471B4

DE10113471B4 - Verfahren zum Hybridschweißen mittels eines Laserdoppelfokus

Info

Publication number: DE10113471B4
Application number: DE10113471A
Authority: DE
Inventors: Björn Dr. Wedel; Roman Dr. Niedrig
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2021-03-20
Also published as: DE10113471A1

Abstract

Verfahren zum Schweißen von Materialien mittels eines einzelnen Laserstrahls und einer gekoppelten Schweißvorrichtung als Laser-Hybridschweißverfahren, bei dem mindestens zwei Laserfokussierungspunkte (12, 13) durch den Laserstrahl erzeugt und in den Schweißpunkt (20) oder in den Bereich der entstehenden Schmelze um den Schweißpunkt (20) gerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Laserparameter, insbesondere die Abstände der Fokussierungspunkte (12, 13) relativ zueinander und zum Schweißpunkt und die Intensitäten der Fokussierungspunkte (12, 13), auf der Grundlage der Messung von einzelnen Parametern des Schweißprozesses, insbesondere der Schweißgeschwindigkeit und -güte, laufend und unabhängig voneinander variiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen oder Löten von Materialien mittels eines einzelnen Laserstrahls und einer gekoppelten Schweißvorrichtung oder einer gekoppelten Lötvorrichtung.

Die Kopplung von unterschiedlichen Schweißprozessen, insbesondere mittels eines konventionellen Schweißverfahrens und eines Laserstrahls wird Laser-Hybridschweißverfahren genannt. Diese Verfahren werden vor allem in der Fertigungstechnik verwendet, um die Vorteile der jeweiligen Verfahren zu kombinieren und auf spezifische Probleme anzuwenden. Bei einem Lichtbogenschweißverfahren wird die Schweißwärme durch einen hohen elektrischen Strom auf die Schweißoberfläche übertragen. Der Brennfleck des Lichtbogens erreicht jedoch keine große Einschweißtiefe in das Material. Auch Variationen bestimmter Schweißparameter, wie z.B. die zeitabhängige Veränderung des Schweißstromes ( DE 198 08 383 A1 ), kann diese Schweißcharakteristik nicht wesentlich verändern.

Die Verwendung eines hochenergetischen Laserstrahles zur Behandlung, insbesondere Verschweißen, von Oberflächen ist Stand der Technik (z.B. DE 197 51 195 C1 ). Die wärmebeeinflusste Zone des hochenergetischen Laserstrahls ist im Gegensatz hierzu mit einer herkömmlichen Lichtbogenschweißanordnung wesentlich geringer als die Fläche des Brennfleckes. Die Einschweißtiefen sind jedoch im Vergleich zum konventionellen Schweißverfahren wesentlich tiefer. Die Kombination dieser beiden Verfahren führt zu einer kelchförmigen Schweißnaht, mit der auch Spaltbrücken zwischen Werkstücken verschweißt werden können.

Die EP1020249A2 beschreibt einen Laserbearbeitungskopf, der insbesondere zum Schweißen mittels eines Zusatzdrahtes bzw. zum Laserschneiden geeignet ist. Hierbei wird ein Laserstrahl in zwei separate Laserstrahlen durch einen konvexen Dachkantenspiegel, einen nachfolgenden konkaven Dachkantenspiegel und ein anschließendes Linsensystem aufgespaltet. Hierbei kann im Laserbearbeitungskopf das Verhältnis der Intensitäten der separaten Laserstrahlen zueinander eingestellt werden. Der Abstand der separaten Laserstrahlen zueinander wird durch eine Veränderung der Spiegelanordnung relativ zur optischen Achse beeinflusst. Nachteilig ist jedoch, da lediglich der Abstand der Laserstrahlen zueinander eingestellt werden kann, nicht hingegen eine freie kontinuierliche Positionierung der separaten Laserstrahlen.

In der DE 199 16 831 A1 wird ein Verfahren zum Laser-WIG-Schweißen beschichteter Stahlbleche beschrieben. Die Kombination eines Wolfram-Inertgas-(WIG)-Schweißverfahrens in Verbindung mit einem Nd:YAG-Festkörperlaser ermöglicht durch eine höhere Schweißnahtqualität als herkömmliche Schweißverfahren das Verschweißen von beschichteten Stahlblechen. Diese Möglichkeit ist jedoch nur in einem sehr engen Konfigurationsbereich möglich, bei dem die Parameter der Schweiß- und Lasereigenschaften genau vorgegebenen sind.

Aus der DE 198 49 117 A1 ist ein Verfahren und Vorrichtung zum gekoppelten Laser-MSG-Schweißen bekannt. Das Metallschutzgasschweißen (MSG) in Verbindung mit einem hochenergetischen Laser, wie z.B. ein CO₂-Laser oder ein Nd:YAG-Laser, wird als herkömmlicher Hybridschweißprozess durch einen weiteren Schweißprozess erweitert. Durch einen zusätzlichen, gekoppelten MSG-Schweißprozess wird das Schweißverhalten des herkömmlichen Hybridverfahrens verbessert und die Nahtqualität, vor allem beim Schweißen von Spaltenzwischenräumen, gesteigert.

Die Einzelschweißverfahren, wie Lichtbogen- oder Laserstrahlschweißenverfahren, bzw. deren Kombinationen als Hybridschweißverfahren haben die wesentlichen Nachteile, dass bestimmte Unzulänglichkeiten der Einzel- bzw. Hybridschweißverfahrens teilweise oder gar nicht berücksichtigt werden. In der Schmelze um den Schweißpunkt bildet sich aufgrund der hohen Temperaturen eine sogenannte Dampfkapillare aus. Erstarrt die Schmelze zu schnell, so bildet diese eingeschlossene Dampfkapillare Hohlräume und Poren, die die mechanische Festigkeit des Werkstückes und der Schweißnaht in einem hohen Maße negativ beeinflussen (z.B. „Online-Prozessüberwachnug bei Laserstrahltiefschweißen", G. Müller; Laser Magazin 6/2000, Seite 20ff.). In Verbindung mit einer nicht regulierten Laserstrahlung kann es bei einer größeren Ausdehnung der Schmelze zu einer Unterbrechung des elektrischen Stromes und damit des Lichtbogens kommen. Ein kontinuierliches, insbesondere automatisiertes, Verschweißen wird hierdurch verhindert und die Schweißqualität reduziert. Das Verschweißen von Spaltzwischenräumen mit nur einem Laserfokussierungspunkt führt zu einer asymmetrischen Temperaturverteilung über den Spalt hinweg und reduziert damit die Schweißnahtqualität. Weiterhin kann die unkontrollierte Energieverteilung innerhalb der Schmelze bei heterogenen Werkstücken zu einem Herauslösen einzelner Bestandteile, wie z.B. Kohlenstoffverbindungen, führen, die die Materialeigenschaften einzelner Bereiche, z.B. einer Beschichtung, oder des gesamten Werkstückes negativ beeinflussen und unkontrolliert verändern können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Qualität der Schweißnaht zu verbessern und beim Verschweißen von nichtschlüssigen Werkstücken eine asymmetrische Schweißnaht zu verhindern.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Schmelze" bei einem homogenen Werkstück oder bei zwei schlüssig abschließenden Werkstücken die räumliche Ausdehnung der reduzierten Festigkeit der Werkstückoberflächen um den hochenergetischen Schweißpunkt verstanden. Für das Verschweißen von zwei Werkstücken über einen Spalt hinweg wird mit „Schmelze" das noch viskose Schweißgut im Spalt und die durch den Schweißvorgang unmittelbar thermisch beeinflussten Kanten und Seiten der zu verschweißenden Werkstücke verstanden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, dass der Laserstrahl mindestens zwei Fokussierungspunkte im Schweißpunkt oder im räumlich geringen Abstand zum Schweißpunkt besitzt. Durch die frei wählbare Veränderung der Abstände der Fokussierungspunkte zu einander oder zum Schweißpunkt und/oder der Intensitäten der jeweiligen Fokussierungspunkte kann in Abhängigkeit vom Hybridschweißprozess die eingebrachte Energie in den Schweißpunkt und der Umgebung sehr genau beeinflusst werden. Hierdurch kann die Temperaturverteilung und -entwicklung der Schmelze im Schweißpunkt bzw. der Schweißnaht gesteuert werden.

Mit Hilfe einer ständigen Temperaturmessvorrichtung können, in Abhängigkeit von den Messdaten, die Einstellungsparameter des Lasers, wie z.B. Anzahl, Abstände und Intensitäten der Fokussierungspunkte, und der Schweißanordnung, wie. z.B. Drahtvorschub, so verändert werden, dass die oben genannten Nachteile nicht oder nur in einem sehr geringen Maße auftreten. Die Qualität der Schweißpunkte bzw. der Schweißnaht wird hierdurch erhöht und das umgebende Werkstück in seinen Materialeigenschaften durch den Schweißvorgang nur sehr gering verändert.

Dieses Verfahren bietet damit die Möglichkeit, die Temperaturverteilung und den Abkühlprozess der Schmelze durch die Fokussierungspunkte der Laserstrahlung so zu steuern, dass die Bildung von Hohlräumen und Poren aufgrund von schnell erstarrten Dampfkapillaren stark reduziert und die Festigkeit der Schweißnaht bzw. des umgebenden Werkstückes nicht beeinflusst wird.

Auch die Laser-Hybridverschweißung von Materialien über einen Spalt hinweg, kann mit diesem Verfahren wesentlich besser durchgeführt werden und verhindert eine asymmetrische Ausbildung der Schweißnaht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Fokussierungspunkt des Laserstrahls auf die Kante des ersten Werkstückes und der zweite Fokussierungspunkt auf die zu verschweißende Kante des zweiten Werkstückes gelegt werden. Dies führt, bei gleich gewählten Intensitäten der Fokussierungspunkte, zu einer homogenen Erwärmung der gesamten Schweißzone und verbessert die Qualität der Schweißnaht, gewährleistet eine vollständige Auffüllung des gesamten Spaltzwischenraumes mit der Schmelze und verhindert ein einseitiges Aufschmelzen nur eines Werkstückes und damit die Ausbildung einer asymmetrischen Schweißnaht.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Figuren näher beschrieben; es zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Hybridschweißverfahrens mit einem Laserdoppelfokus;
2 eine Aufsicht auf zwei sich überlappende Laserfokussierungspunkte relativ zur Position des Schweißdrahtes entlang einer Schweißnaht;
3 eine Aufsicht auf einen Spalt zwischen zwei Blechen, wobei auf jeweils einem Blech ein Fokussie rungspunkt positioniert ist und dieser relativ zur Position des Schweißdrahtes entlang Spaltzwischenraumes verschiebbar sind.
In der 1 ist eine schematische Seitenansicht des Hybridschweißverfahrens mit einem Laserdoppelfokus dargestellt. In Verbindung mit einem konventionellen Schweißbrenner 15 wird der Schweißdraht 14 direkt auf das zu verschweißende Werkstück (Blech) 10 geführt. Die dabei entstehende Schmelze 20 wird direkt oder im Bereich der entstehenden Schmelze durch einen Laserstrahl bestrahlt. Der Laserstrahl wird durch eine Bearbeitungsoptik 16 mit Hilfe eines Doppelfokusformungs-Moduls 19 in zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Fokussierungspunkten (12, 13) aufgeteilt. Eine Ausführungsform des Doppelfokusformungs-Moduls ist in der DE 199 61 918 A1 offenbart. Hierbei gewährleistet das Doppelfokusformungs-Modul 19, dass die Intensitäten und/oder Abstände der Fokussierungspunkte unabhängig voneinander frei wählbar sind. Das Doppelfokusformungsmodul 19 kann beispielsweise zwischen einem Kollimationslinsensystem 17 und einem Fokussierungslinsenystem 18 einer Bearbeitungsoptik 16 angeordnet sein, wenn der Laserstrahl durch ein – nicht gezeigtes – Lichtleitkabel an das Werkstück 10 geführt wird. Durch die Bearbeitungsoptik 16 wird eine genaue Positionierung und Intensitätszuweisung der Fokussierungspunkte 12, 13 in der Schmelze 20 erreicht und das thermische Verhalten der Schmelze 20 kontrolliert beeinflusst.
In der 2 ist eine Aufsicht auf die Bearbeitungspunkte des doppelfokussierten Laserstrahls 12, 13 und des Schmelzpunktes 20 der Schweißanordnung (als Durchstoßpunkt des Schweißdrahtes 14 durch die zu verschweißenden Bleche 10, 11) aufgetragen. Durch die freie Positionierbarkeit und Zuordnung geeigneter Intensitäten der Fokussierungspunkte 12, 13 gegeneinander und relativ zum Schweißpunkt kann das Temperaturverhalten in der Schweißnaht und in den umgebenden Blechen 10, 11 gesteuert werden. Die Fokussierungspunkte 12, 13 können mit Hilfe des Doppelfokus-Moduls 19 sogar überlappend positioniert werden. Die Hohlraum- und Porenbildung aufgrund der Ausbildung der Dampfkapillare wird damit verhindert.
Die 3 verdeutlicht die Vorteil des Hybridschweißverfahrens mittels eines Laserdoppelfokus. Zwischen zwei Blechen 10, 11 befindet sich ein zu verschweißender Spalt, wobei auf der zu verschweißenden Kante des einen Blechs 10 ein Fokussie rungspunkt 12 positioniert ist und auf der Kante des Gegenblechs 11 ein anderer Fokussierungspunkt 13. Die Positionen der Fokussierungspunkte 12, 13 können relativ zum Schweißdraht 14 entlang des Spaltzwischenraumes verschoben werden. Dies verhindert eine ungleichmäßige Erwärmung der Bleche 10, 11 und verbessert die Schweißqualität. Lasersysteme herkömmlicher Laser-Hybridschweißverfahren können nur jeweils eine Blechkante oder den schon verschweißten Spalt bestrahlen und erzeugen damit asymmetrische Schweißnähte bzw. Schweißnähte mit Hohlräumen und Poren und damit reduzierten Festigkeiten.

10: Blech 1
11: Blech 2
12: Erster Laserstrahlfokussierungspunkt
13: Zweiter Laserstrahlfokussierungspunkt
14: Schweißdraht
15: Schweißbrenner
16: Bearbeitungsoptik
17: Kollimationslinsensystem
18: Fokussierungslinsensystem
19: Doppelfokusformungs-Modul
20: Schmelze

Claims

Verfahren zum Schweißen von Materialien mittels eines einzelnen Laserstrahls und einer gekoppelten Schweißvorrichtung als Laser-Hybridschweißverfahren, bei dem mindestens zwei Laserfokussierungspunkte (12, 13) durch den Laserstrahl erzeugt und in den Schweißpunkt (20) oder in den Bereich der entstehenden Schmelze um den Schweißpunkt (20) gerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Laserparameter, insbesondere die Abstände der Fokussierungspunkte (12, 13) relativ zueinander und zum Schweißpunkt und die Intensitäten der Fokussierungspunkte (12, 13), auf der Grundlage der Messung von einzelnen Parametern des Schweißprozesses, insbesondere der Schweißgeschwindigkeit und -güte, laufend und unabhängig voneinander variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Doppelfokusformungs-Modul (19) zwischen einem Kollimationslinsensystem (17) und einem Fokussierungslinsensystem (18) den Strahlengang eines Laserstrahls in zwei Fokussierungspunkte (12, 13) aufteilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Schweißvorrichtung eine Lötvorrichtung mit interner oder externer Lötdrahtführung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine ständige Temperaturmessung der Schmelze (20) die Parameter des Lasers und/oder der Schweißanordnung (14, 15) für eine optimale Schweißtemperatur angepasst werden.