DE10124345A1 - Verfahren zur Laser-Materialbearbeitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laser-Materialbearbeitung, insbesondere zum Laserschweißen. Zum Erhöhen des Energietransports sind dem Schutzgas (12) molekulare Gase zugemischt (Fig.).

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Laser-Materialbearbeitung. Bei den Verfahren handelt es sich hauptsächlich um das Laserschweißen, das Laser-Hybrid-Schweißen, das Abtragen von Oberflächen, das Umschmelzen von Oberflächen, das Legieren von Oberflächen, das Auflegieren einer Oberfläche aus dem Gas, das Auflegieren einer Oberfläche mit Zusatzmaterial oder das Beschichten einer Oberfläche und alle anderen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung. In der Regel wird bei diesem Verfahren durch die hohe Energiedichte der Laserstrahlung Material verdampft bzw. ionisiert und es bewegt sich vom Werkstück in Richtung Laser.

Das Laser-Schweißen bietet im Vergleich zu konventionellen Schweißverfahren (MAG, WIG) gezieltere Wärmeeinbringung, geringeren Verzug und höhere Schweißgeschwindigkeit. Ein Großteil der Laserschweißungen kommt ohne Zusatzmaterial aus. Dieses kann jedoch aus Gründen der Spaltüberbrückbarkeit oder der Metallurgie notwendig werden. Laserschweißen lassen sich beispielsweise Stähle, Leichtmetalle und thermoplastische Kunststoffe.

In der Laser-Materialbearbeitung sind mehrere unterschiedliche Lasertypen zum Schweißen üblich: der CO₂-Laser, der Nd-YAG-Laser und neu der Diodenlaser. Weitere Laserarten werden in bestimmten Bereichen eingesetzt und es sind auch noch andere Laser in der Zukunft denkbar. Die drei oben genannten Laserarten sind aber heute am weitesten verbreitet und haben eine hohe Entwicklungsstufe erreicht. Sie unterscheiden sich unter anderem in der erzeugten Wellenlänge, der Laserleistung sowie in der Energiedichte, die im Bearbeitungspunkt erreicht werden kann. Bei allen Lasertypen sind für Schweißungen hoher Qualität Schutzgase notwendig. Die maximale Qualität der Schweißungen bei höchster Wirtschaftlichkeit der Anlagen wird erreicht, wenn das Schutzgas an das Material, die Laserart, die Energiedichte sowie an die Art der Gaszufuhr angepaßt ist. Möglich ist auch der Einsatz mehrerer unterschiedlicher Laser gleichzeitig.

Der CO₂-Laser ist zum Schweißen in der Automobil- und deren Zulieferindustrie am weitesten verbreitet. Durch die hohe Energiedichte der eingesetzten Laser wird im Material eine Dampfkapillare erzeugt. Über diese gelangt die Laserenergie in die Tiefe des Materials. Dadurch können wesentlich schlankere und schnellere Schweißnähte erzeugt werden, als dies über eine Wärmeleitung des festen Materials von der Oberfläche in die Tiefe möglich wäre. Bei der Erzeugung dieser Dampfkapillare, welche auch Keyhole genannt wird und wirklich den Schlüssel zu hoher Wirtschaftlichkeit darstellt, strömt sehr heißer, verdampfter, ja sogar ionisierter Werkstoff dem Laserstrahl entgegen. Desto tiefer die Dampfkapillare ist, desto höher sind Geschwindigkeit und Temperatur des austretenden Materials. Dieses Material, dieses Plasma tritt in Wechselwirkung mit den Laserstrahl und beeinflußt diesen. Wird dieses Plasma nicht durch geeignete Prozessgase beeinflußt, kann es sogar zu einem Zusammenbruch des Schweißprozesses kommen. Nämlich dann, wenn die optische Dichte des Metalldampfes oder Metallplasmas zu hoch wird, so daß die Laserstrahlung nicht mehr zum Werkstück gelangen kann. Dies bedeutet, daß die Prozessgase bisher danach ausgewählt wurden, daß der Werkstoff vor schädlichen Einflüssen der umgebenden Luft geschützt und das Plasma ausreichend kontrolliert ist. Zum Einsatz kommen deshalb bisher vor allem Inertgase wie Helium oder mit Einschränkungen auch Argon, sowie deren Gemische, wie z. B. Varigon He 50.

Die Hauptanwendungsgebiete des Nd:YAG-Lasers liegen in der Feinwerktechnik und in der Elektroindustrie. Üblich sind Laserleistungen bis 4 kW. Da die erzeugten Energiedichten dieser Laser wesentlich geringer sind, werden nur geringere Temperaturen im austretenden Material erreicht. Die Absorption der Laserstrahlung findet aber hauptsächlich durch thermisch ionisiertes Plasma statt. Fehlt die nötige Energiedichte bzw. Temperatur, so absorbiert nur der Metalldampf. Die hierdurch verlorene Laserleistung kann zwar die Schweißgeschwindigkeit um einige 10% reduzieren, führte aber in der Regel zu keinem Abbruch des Schweißprozesses. Deshalb war hier bisher der Einsatz von Argon sehr häufig. Mit der Verfügbarkeit höherer Strahlqualitäten und damit kleinerer Faserdurchmesser, welche höhere Energiedichten am Bearbeitungspunkt zulassen, ist auch hier bereits der Einsatz von Helium bzw. heliumhaltigen Gasen nötig. Helium hat besonders günstige Eigenschaften, wenn es darum geht, die Transparenz des Plasmas für die Laserstrahlung zu erhöhen.

Der Diodenlaser ist im Vergleich zu den beiden anderen Laserarten sehr jung. Die erzeugten Energiedichten und Temperaturen sind noch geringer als beim Nd:YAG- Laser. Das Entwicklungspotential ist in diesem Fall aber sicher noch lange nicht ausgeschöpft, so daß aufgrund der schon heute erreichten Werte von einem sehr großen Potential ausgegangen werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Laserschweißverfahren bezüglich der Geschwindigkeit und der Qualität zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren, bei welchem dem Schutzgas molekulare Gase zugegeben sind. Bei Zugabe der erfindungsgemäßen molekularen Gase treten erstaunliche Effekte auf, welche die Schweißung schneller, schöner und tiefer machen können. Als auslösender Effekt wird Folgendes angenommen:
Das Schutz- oder Prozessgas strömt aus der Düse und durchquert das aus der Dampfkapillare austretende sogenannte Plasma. Dabei handelt es sich um sehr heißen Metalldampf oder sogar um ein Metalldampfplasma. Dabei nimmt das Prozessgas thermische Energie aus diesem Plasma auf. Dessen Temperaturen können in einem Bereich von bis zu 15.000 K oder höher liegen. Beim Kreuzen der Strömungen wird das Prozessgas erhitzt und dabei sogar thermisch dissoziiert oder ionisiert. Wie stark das Prozessgas erhitzt wird, hängt von der eingesetzten Gasmenge, der Strömungsgeschwindigkeit, der Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit, den Dissoziationsenergien oder den Ionisationsenergien der eingesetzten Gase ab. Zum anderen sind natürlich auch die Temperatur sowie Geschwindigkeit, Menge und Art des aus der Dampfkapillare austretenden Materials entscheidend. Die aufgenommene Energie wird dann über den Gasstrom ein zweites Mal dem Material zugeführt.

Um diesen Energietransport zu ermöglichen, ist es wichtig, dass Gase oder Gasbestandteile eingesetzt werden, welche große Energiemengen speichern können. Dies sind molekulare Gase wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe und andere Gasmoleküle. Dissoziationen und Ionisationen treten je nach Gas in ganz genau definierten Temperaturbereichen auf. Die zugeführte Energie schlägt sich dann nur zu einem kleinen Teil in einer Temperaturänderung nieder und bewirkt zum größten Teil das Dissoziieren oder Ionisieren des Gases. So können atomarer Sauerstoff, atomare Halogene (Fluor, Chlor), atomarer Stickstoff, atomarer Kohlenstoff oder atomarer Wasserstoff erzeugt werden. Deshalb wirken diese Gase temperatur- und damit prozessstabilisierend. Jedes Gas kann so in einem ihm eigenen Temperaturbereich als Energieüberträger oder Prozessstabilisator eingesetzt werden.

Das Gas kann parallel zur Lichtrichtung eingestrahlt werden, wenn durch das Gas keine Laserstrahlung absorbiert wird. Findet eine solche Absorption aber statt, so ist das Prozessgas besser seitlich unter einem Winkel zur Oberfläche zuzuführen. Dieser Winkel liegt sehr häufig in einem Bereich von 30° bis 45° zur Werkstückoberfläche. Hierbei wird von einem senkrechten Einfall der Laserstrahlung ausgegangen. Je nach Anwendung kann es aber auch sinnvoll sein, einen steileren Einfallswinkel als 45° zu wählen. Dadurch kann das Gas das Plasmafeld kreuzen, dort die Energie aufnehmen und dann an einer anderen Stelle vorzugsweise auf dem Werkstück abgeben. Der Einsatz des Gases kann koaxial, schleppend, stechend oder schräg erfolgen, so dass die Energie an, vor, nach der Schweißstelle oder auch seitlich dazu eingebracht wird.

Dieser Energietransport funktioniert bei atomaren Gasen wie Helium oder Argon nicht besonders. Bei molekularen Gasen tritt dieser Effekt jedoch wesentlich stärker auf. So können durch kleine Änderung der Gasart starke Verbesserungen erzielt werden. Wird eine kleine Gasmenge eingesetzt, so wird diese heißer, weil sich die Energie auf weniger Moleküle verteilt. Besteht das Problem, dass bereits zu viele Teilchen ionisiert sind, so kann man die Zahl der Teilchen erhöhen (höherer Einblasdruck oder höherer Anteil der Moleküle) oder Gase beimischen, die sehr viel Energie aufnehmen können, und damit die Temperatur reduzieren.

Weiterhin kann man erfindungsgemäß die sekundäre Energie genau dort zuführen, wo sie sich positiv für den Prozess bemerkbar macht. Mit der thermischen Energie kann beispielsweise bei stechender Gaszufuhr das Schweißbad nachgewärmt werden. Dies kann positive Effekte auf das Ausgasungsverhalten sowie auf die Oberflächengüte haben. Wird die Gaszufuhr schräg angestellt, so kann ein Großteil der Energie beispielsweise auf die stärkere Seite eines Tailored Blanks gelenkt werden, um hier mehr Abschmelzleistung zu erreichen.

Die Wirkung wurde bereits bei Kohlendioxid ausprobiert. Bei Edelstählen führt der freigesetzte Sauerstoff aber eventuell zu Problemen, so daß der Anteil begrenzt werden muß. Bei Edelstählen kann es deshalb besser sein, auf einen Kohlenwasserstoff wie z. B. Ethan, Azetylen oder Ammoniak oder auf andere Stickstoff- Wasserstoff-Gemische ausgewichen werden. Bei Baustählen ist auch der Einsatz von Stickstoff-Sauerstoffverbindungen, wie z. B. NO (Stickstoffmonoxid), N₂O (Distickstoffmonoxid) oder NO₂ (Stickstoffdioxid) möglich. Diese Gaskomponenten können je nach Anwendungsfall pur oder auch in Gemischen, vornehmlich mit Inertgasen, aber auch Stickstoff und anderen Gasen, zum Einsatz kommen.

Die Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein zu schweißendes Material 2, auf das ein Laserstrahl 4 fokussiert ist. An der Auftreffstelle entsteht ein heißer Metalldampf bzw. ein heißes Metallplasma 6. Hinter der Auftreffstelle ist die Schweißnaht 8 zu erkennen. Die Bewegungsrichtung ist durch den Vorschubpfeil gekennzeichnet. Erfindungsgemäß ist nun eine Prozessgasdüse 10 stechend zur Auftreffstelle so angeordnet, dass das Prozessgas 12 den heißen Metalldampf 6 quert, dort Energie aufnimmt, und diese Energie beim Auftreffen auf dem Material 2 wieder abgibt, was zu einer Vorwärmung führt, da die Energie hier an Stellen gebracht wird, die vor der Auftreffstelle des Laserstrahls 4 liegen. Wie oben beschrieben, dissoziieren oder ionisieren die Moleküle des Prozessgases im heißen Metalldampf 6, nehmen dort thermische Energie auf und geben dann diese thermische Energie beim Auftreffen auf das Material 2 wieder ab.

Gleichzeitig können durch die Dissoziation der Gasbestandteile Atome oder auch wiederum Moleküle entstehen, welche sich wesentlich reaktiver verhalten als das ursprünglich eingesetzte Gas. Auch dieses erhöhte Reaktionsbestreben kann beispielsweise sehr gut zur Beschleunigung von Schweißprozessen eingesetzt werden. Atomarer Sauerstoff ist z. B. wesentlich reaktionsfreudiger als molekularer Sauerstoff. Dies gilt natürlich auch für Wasserstoff, Stickstoff, Fluor, Chlor und alle sonst unter Normalbedingungen molekular vorliegenden Elemente.

Claims (2)

1. Verfahren zur Laser-Materialbearbeitung, insbesondere zum Laserschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (12) neben einem oder mehreren Edelgasen (bevorzugt Argon und/oder Helium) molekulare Gase enthält oder dass dem Schutzgas (12) molekulare Gase zugemischt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas CO₂ (15-95%, bevorzugt 20-40%), O₂, CO₂ und O₂, CO, H₂, N₂ (< 90%), C_nH_m, NH₃, NO, NO₂, N₂O oder SF₆ oder Mischungen daraus enthält.