DE10128793B4

DE10128793B4 - Method for processing a workpiece with a laser beam

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Publication number: DE10128793B4
Application number: DE10128793A
Authority: DE
Inventors: Rongshi Prof. Dr.-Ing. Xiao; Markus Dipl.-Ing. Leimser; Günter Dipl.-Gewerbel. Dipl.-Ing. Ambrosy (FH); Peter Dipl.-Ing. Berger; Helmut Prof. Dr.-Ing. Hügel
Original assignee: Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Current assignee: Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: DE10128793A1

Abstract

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl,
bei welchem unter einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl (2; 102) und Werkstück (1; 101) in Letzterem eine Schmelze (3) erzeugt wird, welche während der Relativbewegung zum Strömen kommt,
bei welchem ein elektrischer Strom über mindestens eine Elektrode (7; 107) ohne Anlage eines äußeren Magnetfeldes in das Werkstück eingeleitet wird,
bei welchem der durch die Schmelze (3) fließende elektrische Strom infolge Wechselwirkung mit dem Eigenmagnetfeld eine Volumenkraft auf die Schmelze (3) hervorruft,
und
bei welchem die mindestens eine Elektrode (7; 107) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß ein inhomogenes Stromlinienfeld in der Schmelze (3) erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens eine Elektrode (7; 107) an der Oberfläche des Werkstücks (1; 101) anliegt, und
die Inhomogenität des Stromlinienfeldes sowie die Stärke des Stromes in der Schmelze (3) so groß gewählt werden, daß die Volumenkraft auf die...Method of machining a workpiece with a laser beam,
in which, under a relative movement between the laser beam (2; 102) and the workpiece (1; 101) in the latter, a melt (3) is generated which flows during the relative movement,
in which an electric current is introduced into the workpiece via at least one electrode (7; 107) without the application of an external magnetic field,
in which the electrical current flowing through the melt (3) causes a volume force on the melt (3) as a result of interaction with the intrinsic magnetic field,
and
in which the at least one electrode (7; 107) is designed and arranged such that an inhomogeneous streamline field is generated in the melt (3),
characterized in that
the at least one electrode (7; 107) bears against the surface of the workpiece (1; 101), and
the inhomogeneity of the streamline field and the strength of the stream in the melt (3) are chosen so large that the volume force on the ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for machining a workpiece a laser beam according to the preamble of claim 1.

Laserbearbeitungsverfahren von Werkstücken sind in unterschiedlichster Ausgestaltung bekannt. Bei der "Bearbeitung" kann es sich beispielsweise um ein oberflächliches Umschmelzen, um eine Beschichtung, ein Schneiden oder um eine Verbindungsschweißung zweier Werkstücke handeln. All diesen Bearbeitungsverfahren ist gemeinsam, daß durch den Laserstrahl in dem bearbeiteten Werkstück eine Schmelze erzeugt wird, welche aufgrund der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück zum Fließen genötigt ist. Beispielsweise muß überall dort, wo der Laserstrahl in dem Werkstück eine Dampfkapillare erzeugt, also etwa beim Verbindungsschweißen, das auf der Schmelzfront aufgeschmolzene Material die Dampfkapillare umströmen. Ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Laser und Werkstück zu hoch, wird die fragliche Strömung der Schmelze unruhig und turbulent. Als Folge davon ergeben sich Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht, wie beispielsweise Höcker oder sonstige Unebenheiten. Beim Schweißen von Stahlsorten wird der unerwünschte "Humping-Effekt" beobachtet, bei welchem sich unter ungünstigen Umständen statt einer kontinuierlich glatten Schweißnaht eine Folge von diskreten Materialinseln ergibt. Generell kann es im Zusammenspiel verschiedener Prozeßparameter dazu kommen, daß Schmelztröpfchen aus der Schmelze herausspritzen und sich auf der Oberfläche des Werkstücks ablagern.Laser processing method of workpieces are known in various configurations. For example, the "editing" can a superficial one Remelting, coating, cutting or joint welding two workpieces act. All these processing methods have in common that through the laser beam is generated in the machined workpiece a melt, which is forced to flow due to the relative movement between laser beam and workpiece. For example, everywhere, where the laser beam in the workpiece produces a vapor capillary, so when connecting welding, the melted on the melt front material the vapor capillary flow around. Is the relative speed between laser and workpiece too high, becomes the current in question the melt uneasy and turbulent. As a result, arise irregularities in the weld, such as Hump or other bumps. When welding steel grades, the unwanted "humping effect" observed at which is unfavorable circumstances instead of a continuously smooth weld a series of discrete ones Material islands results. Generally, it can be in the interaction of different Process parameters come out that melted droplets spray out the melt and settle on the surface of the Depositing workpiece.

Besonders bei der Bearbeitung von Aluminium treten häufig Instabilitäten auf, da die Viskosität der Aluminiumschmelze sehr gering, ihre Wärmeleitfähigkeit dagegen sehr hoch ist.Especially when working on aluminum, instabilities often occur because the viscosity of the Aluminum melt is very low, but its thermal conductivity is very high.

Diesen Effekten wurde mit Hilfe eines Verfahrens ähnlich dem der eingangs genannten Art entgegengewirkt, welches in der DE 197 32 008 C2 beschrieben ist. Bei diesem bekannten Verfahren wird als primärer, die Schmelze stabilisierender Faktor ein äußeres Magnetfeld eingesetzt, von dem man annimmt, daß es auf die strömende Schmelze eine Volumenkraft in Form einer Lorentzkraft ausübt. Diese entsteht in Wechselwirkung des angelegten Magnetfeldes mit einem "intrinsischen", also in jedem Falle – auch ohne Anlegung eines Magnetfeldes – fließenden Strom. Sie ist abhängig von der Richtung des von außen angelegten Felds, kann also grundsätzlich sowohl auf den Grund des Schmelzbads als auch aus dem Werkstück heraus gerichtet sein. Bei dem in der DE 197 32 008 C2 beschriebenen Verfahren wird auch in Betracht gezogen, auf die von dem Magnetfeld hervorgerufene Volumenkraft dadurch Einfluß zu nehmen, daß zusätzlich ein elektrischer Strom durch die Schmelze geleitet wird. Dieser Kraftbeitrag ist erneut die Folge der Wechselwirkung des äußeren Magnetfelds mit dem elektrischen Strom und erneut abhängig sowohl von der Stromrichtung als auch von der Richtung des Magnetfelds.These effects were counteracted with the aid of a method similar to that of the type mentioned at the outset, which is described in US Pat DE 197 32 008 C2 is described. In this known method, the primary melt-stabilizing factor employed is an external magnetic field which is believed to exert a volumetric force in the form of a Lorentz force on the flowing melt. This arises in interaction of the applied magnetic field with an "intrinsic", ie in any case - even without application of a magnetic field - flowing current. It is dependent on the direction of the externally applied field, so it can basically be directed both to the bottom of the molten bath and out of the workpiece. In the in the DE 197 32 008 C2 The method described is also considered to influence the volume force caused by the magnetic field by additionally passing an electric current through the melt. This power contribution is again the result of the interaction of the external magnetic field with the electric current and again dependent on both the current direction and the direction of the magnetic field.

Die Erzeugung eines ausreichend hohen äußeren Magnetfelds ist jedoch mit einem erheblichen apparativen Aufwand verbunden. Zudem bereitet es häufig Schwierigkeiten, den Magneten in den beengten Verhältnissen in der Nähe des Laserstrahls anzuordnen. Auch kann die geometrische Form des Werkstückes die Zugänglichkeit und damit die Anwend barkeit des bekannten Verfahrens erschweren.The However, generation of a sufficiently high external magnetic field is associated with a considerable expenditure on equipment. In addition, prepares it often Trouble, the magnet in crowded conditions near to arrange the laser beam. Also, the geometric shape of the workpiece the accessibility and thus complicate the applicability of the known method.

Ein weiteres Verfahren, mit dem auch über Kopf geschweißt werden kann, ist aus der US 5 932 121 bekannt. Auch bei diesem Verfahren werden äußere Magnetfelder benötigt.Another method that can also be welded overhead is from the US 5,932,121 known. Also in this method, external magnetic fields are needed.

Aus der US 5 866 870 ist ein Laserstrahl-Schweißverfahren der eingangs erwähnten Art bekannt, bei welchem ohne Anlage eines äußeren Magnetfeldes ein elektrischer Strom in das zu bearbeitende Werkstück eingeleitet wird. Zur Erhöhung des Wärmeeintrags in die Schmelzzone ist dort zusätzlich zum Laserstrahl ein Plasmabrenner vorgesehen, was bei beengten Platzverhältnissen ebenfalls hinderlich ist.From the US 5,866,870 is a laser beam welding method of the type mentioned above, in which without the application of an external magnetic field, an electric current is introduced into the workpiece to be machined. To increase the heat input into the melting zone, a plasma torch is provided there in addition to the laser beam, which is also a hindrance in confined spaces.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das mit geringem apparativem Aufwand durchführbar ist.task The present invention is a method of the aforementioned To provide type that can be carried out with little equipment.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mindestens eine Elektrode an der Oberfläche des Werkstücks anliegt, und die Inhomogenität des Stromlinienfeldes sowie die Stärke des Stromes in der Schmelze so groß gewählt werden, daß die Volumenkraft auf die Schmelze eine Strömungsbewegung der Schmelze bewirkt.These Task is inventively characterized solved, that the at least one electrode abuts the surface of the workpiece, and the inhomogeneity the streamline field and the strength of the stream in the melt be chosen so big that the Volumenkraft on the melt a flow movement of the melt causes.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß es zur Erzeugung der gewünschten Volumenkraft auf die Schmelze ausreicht, wenn das von dem elektrischen Strom erzeugte magnetische Eigenfeld mit dem Strom selbst wechselwirkt, und auf diese Weise die gewünschte Volumenkraft auf die Schmelze hervorruft. Dies setzt allerdings ein hinreichend inhomogenes, divergierendes oder konvergierendes Stromlinienfeld voraus. Dann entstehen aus der Wechselwirkung zwischen Stromdichte und induziertem Magnetfeld an unterschiedlichen Orten im Schmelzbad unterschiedlich große Kräfte derart, daß nicht nur eine Druckerhöhung im Zentrum des Stromflusses sondern auch eine Strömungsbewegung zustande kommt. Die Elektrodenausbildung und -anordnung muß dieses divergierende oder konvergierende Stromlinienfeld im Schmelzbad gewährleisten; hierzu liegt die mindestens eine Elektrode an der Oberfläche des Werkstücks an.According to the invention it has been recognized that it is sufficient to produce the desired volume force on the melt, when the magnetic field generated by the electric current interacts with the stream itself, and in this way causes the desired volume force on the melt. However, this requires a sufficiently inhomogeneous, divergent, or converging streamline field. Then arise from the interaction between the current density and the induced magnetic field at different locations in the melt differently sized forces such that not only an increase in pressure in the center of the current flow son also a flow movement comes about. The electrode formation and assembly must ensure this diverging or converging streamline field in the molten bath; For this purpose, the at least one electrode abuts against the surface of the workpiece.

Außerdem sind sehr viel größere elektrische Ströme erfor derlich, als im in der DE 197 32 008 C2 beschriebenen Verfahren eingesetzt wurden. Dort genügten bei technisch sinnvollen Magnetfeldstärken Ströme zwischen 0,05 und 5 A. Die erfindungsgemäß größeren Ströme sind kein Nachteil:
Die elektrische Leistung, die durch die Ströme im Werkstück in Wärme umgesetzt wird, kann wegen des geringen Widerstands innerhalb des Werkstücks klein gehalten werden.In addition, much larger electrical currents are neces sary than in the DE 197 32 008 C2 described methods were used. At technically meaningful magnetic field strengths, currents between 0.05 and 5 A were sufficient. The larger currents according to the invention are not a disadvantage:
The electrical power, which is converted by the currents in the workpiece into heat, can be kept small because of the low resistance within the workpiece.

Die Aufheizung des Werkstücks durch den elektrischen Strom spielt im Vergleich zu der Laserleistung daher nur eine geringe Rolle. Der Bereich, in dem die Schmelzbadbewegung verursacht wird, ist daher nicht an den Ort der Wärmeeinbringung gebunden.The Heating the workpiece through the electric current plays in comparison to the laser power therefore only a minor role. The area where the molten bath movement is therefore not at the place of heat input bound.

Der Wegfall des Magneten bzw, des Plasmabrenners, der nach dem Stand der Technik benötigt wurde, stellt eine sehr große apparative Vereinfachung dar und ist unter den beengten räumlichen Verhältnissen außerordentlich hilfreich.Of the Removal of the magnet or the plasma torch, the state the technology was needed represents a very big one Apparatus simplification and is under the cramped spatial conditions extraordinarily helpful.

Die Mindeststromstärke, die zur Beobachtung des der Erfindung zugrundeliegenden Effektes erforderlich ist, hängt von dem Abstand zwischen der Elektrode und dem Laserstrahl ab: Je näher die Elektrode an den Laserstrahl herangebracht werden kann, desto kleiner wird die Mindeststromstärke, da die Stromdichte mit dem Abstand von der Elektrode kleiner wird und die Divergenz oder Konvergenz mit zunehmendem Abstand von der Elektrode nachläßt.The Minimum current, required for the observation of the invention underlying effect is, hangs from the distance between the electrode and the laser beam: Je closer to the Electrode can be brought to the laser beam, the smaller will be the minimum amperage, because the current density decreases with the distance from the electrode and the divergence or convergence with increasing distance from the Electrode decreases.

Bei einem Elektrodenabstand von 3 mm beträgt die Mindeststromstärke 100 A, bei einem Elektrodenabstand von 2 mm 75 A.at At an electrode distance of 3 mm, the minimum current is 100 A, with an electrode distance of 2 mm 75 A.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Elektrode an der oberen Fläche des Werkstücks in Bewegungsrichtung vor dem Laserstrahl anliegende Elektrode angelegt. Hierdurch entsteht ein in der Nähe der einleitenden Elektrode inhomogenes Stromlinienfeld innerhalb der Schmelze, das in Wechselwirkung mit dem induzierten Magnetfeld formend auf die Schmelze und deren Tiefe einwirkt.at an advantageous embodiment of the method according to the invention The electrode is attached to the upper surface of the workpiece in the direction of movement applied before the laser beam applied electrode. This results a nearby of the initiating electrode inhomogeneous streamline field within the melt, which interacts with the induced magnetic field shaping acting on the melt and its depth.

Die dabei eingesetzte Elektrode kann inert, insbesondere eine Wolframelektrode, sein.The used electrode can be inert, in particular a tungsten electrode, be.

Alternativ ist es möglich, als Elektrode einen Fülldraht zu verwenden, der durch den Laserstrahl abgeschmolzen wird. Der Fülldraht erhält auf diese Weise eine zweite Funktion, nämlich diejenige der Elektrode. Da er in vielen Anwendungsfällen ohnehin vorhanden ist, werden für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine zusätzlichen Teile benötigt. Die durch den Stromfluß in dem Fülldraht erzeugte Wärme trägt zu der Gesamtenergie bei, die zum Aufschmelzen des Fülldrahts erforderlich ist, so daß hierfür weniger Laserleistung benötigt wird.alternative Is it possible, as an electrode a flux-cored wire to be used, which is melted by the laser beam. Of the cored wire receives in this way a second function, namely that of the electrode. As he is in many applications Anyway, will be available for the implementation the method according to the invention No additional Parts needed. The by the current flow in generated by the cored wire Heat contributes to the Total energy required to melt the filler wire, so less for that Laser power needed becomes.

Als Elektroden können des weiteren Stifte oder Rollen dienen, die, dem Laserstrahl vorlaufend, außerdem zur mechanischen Spaltverringerung zwischen den zu verfügenden Teilen eingesetzt werden.When Electrodes can Furthermore, serve pins or rollers, leading the laser beam, in addition to mechanical gap reduction between the parts to be provided be used.

Der Stromkreis wird bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens über mindestens eine in Bewegungsrichtung hinter dem Laserstrahl am Werkstück anliegende Elektrode geschlossen. Auch durch diese Maßnahme wird eine inhomogene Stromlinienverteilung innerhalb des Werkstücks erzeugt und so Einfluß auf Tiefe und Form der Schweissung genommen.Of the Circuit is in a further embodiment of the method according to the invention over at least a voltage applied in the direction of movement behind the laser beam on the workpiece Electrode closed. Also by this measure is an inhomogeneous Streamline distribution generated within the workpiece and so influence on depth and form of welding taken.

Besonders bevorzugt ist diejenige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher der Strom Wechselstrom ist. Wie weiter unten noch ausführlicher erläutert wird, hat beim erfindungsgemäßen Verfahren die auf die Schmelze ausgeübte Volumenkraft unabhängig von der Richtung des Stroms stets eine nach unten gerichtete Komponente. Es ist also nicht erforderlich, zur Beeinflussung der Schmelze den durch das Werkstück geführten Strom gleichzurichten; vielmehr kann unmittelbar Wechselstrom eingesetzt werden.Especially preferred is that embodiment of the method according to the invention, where the current is AC. As more detailed below explained is, has in the inventive method which exerted on the melt Volumetric force independent from the direction of the current always a downward component. It is therefore not necessary to influence the melt through the workpiece out Rectify current; Rather, AC can be used directly become.

Schließlich ist es möglich, eine zusätzlche Wärmequelle, z. B. einen Plasmabrenner, zu verwenden.Finally is it is possible an additional heat source, z. As a plasma torch to use.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigenembodiments The invention will be explained in more detail with reference to the drawing; it demonstrate

1 schematisch eine Anordnung zum Schweißen eines Werkstücks; 1 schematically an arrangement for welding a workpiece;

2 in vergrößertem Maßstab im Schnitt parallel zur Bewegungsrichtung des Werkstücks den elektrischen Stromlinienverlauf in der Nähe der einleitenden Elektrode; 2 on an enlarged scale in section parallel to the direction of movement of the workpiece, the electric current course in the vicinity of the introducing electrode;

3 und 4 im Schnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkstücks den Verlauf des elektrischen Stromdichte-, des Kraft- und des Magnetfelds bei unterschiedlichen Strömungsrichtungen des eingeleiteten Stromes; 3 and 4 in the section perpendicular to the direction of movement of the workpiece, the course of the electrical current density, the force and the magnetic field at different flow directions of the introduced stream;

5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Schweißen eines Werkstücks. 5 A second embodiment of an arrangement for welding a workpiece.

Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. In dieser ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Werkstück gekennzeichnet, das bis zu einer gewissen Tiefe aufgeschmolzen werden soll. Statt eines einzigen Werkstücks 1 können hier auch zwei übereinanderliegende oder in der Zeichenebene aneinander anstoßende Werkstücke gedacht werden, die durch eine Schweißung miteinander verbunden werden sollen. Der die Schweißenergie liefernde fokussierte Laserstrahl ist in 1 nur teilweise dargestellt und mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Er erzeugt in dem Werkstück 1 ein bis zu einer gewissen Tiefe gehendes Schmelzbad 3. Das Werkstück 1 wird gegenüber dem stationären Laserstrahl 2 in Richtung des Pfeils 4 bewegt. In einer gewissen Entfernung von dem Laserstrahl 2 verfestigt sich das aufgeschmolzene Material wieder und bildet so eine Schicht 5 erstarrten Materials. Der gesamte Aufschmelzprozeß findet unter Schutzgas statt, welches über eine Düse 6 zugeführt wird.First, it will open 1 Referenced. In this is by the reference numeral 1 a workpiece marked, which is to be melted to a certain depth. Instead of a single workpiece 1 Here also two superimposed or abutting in the plane of workpieces can be thought of, which are to be connected by a weld. The focused laser beam delivering the welding energy is in 1 only partially shown and with the reference numeral 2 Mistake. He generates in the workpiece 1 a melting bath going to a certain depth 3 , The workpiece 1 is opposite to the stationary laser beam 2 in the direction of the arrow 4 emotional. At a certain distance from the laser beam 2 the molten material solidifies again and forms a layer 5 solidified material. The entire reflow process takes place under protective gas, which via a nozzle 6 is supplied.

Der soweit beschriebene Aufschmelz- bzw. Schweißvorgang entspricht dem Stand der Technik.Of the Melting or welding process described above corresponds to the state of the technique.

In einer gewissen Entfernung D vor dem Laserstrahl 2 ist an die obere Fläche des Werkstücks 1 eine Elektrode 7 angelegt, die mit dem Pluspol einer Spannungsquelle 8 verbunden ist. Der Minuspol der Spannungsquelle 8 ist in verhältnismäßig großer Entfernung von dem Laserstrahl 2, auf der der Elektrode 7 gegenüberliegenden Seite, mit dem Werkstück 1 und zwar im Bereich der erstarrten Schicht 5 verbunden.At a certain distance D in front of the laser beam 2 is at the upper surface of the workpiece 1 an electrode 7 created with the positive pole of a voltage source 8th connected is. The negative pole of the voltage source 8th is at a relatively great distance from the laser beam 2 on the electrode 7 opposite side, with the workpiece 1 in the area of the solidified layer 5 connected.

Schickt man mit Hilfe der Elektrode 7 und der Spannungsquelle 8 während des Schweißvorgangs einen ausreichend großen Strom durch das Werkstück 1, so beobachtet man, daß die Schweißung tiefer und das Schweißbad in Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung schmäler wird. Dieser erwünschte Effekt wird erst ab einer bestimmten Stromstärke, im allgemeinen ab 100 A beobachtet.You send with the help of the electrode 7 and the voltage source 8th During the welding process, a sufficiently large current through the workpiece 1 , it is observed that the weld becomes deeper and the weld pool narrows in the direction perpendicular to the direction of movement. This desired effect is observed only from a certain current, generally from 100 A.

Um diesen Effekt zu erklären, wird auf 2 Bezug genommen, in welcher das Werkstück 1 mit dem vom Laserstrahl 2 erzeugten "keyhole" (Dampfkapillare) 9 und dem Schmelzbad 3 noch einmal in vergrößertem Maßstab dargestellt ist. Die anderen Komponenten der 1 mit Ausnahme der Elektrode 7 sind in 2 weggelassen.To explain this effect is on 2 Reference is made in which the workpiece 1 with the laser beam 2 generated "keyhole" (vapor capillary) 9 and the molten bath 3 shown once again on an enlarged scale. The other components of the 1 with the exception of the electrode 7 are in 2 omitted.

Wie die Zeichnung deutlich macht, stellt sich unter den geometrischen Bedingungen der 1 und 2 ein Stromlinienfeld innerhalb des Werkstücks 1 ein, welches ausgehend von der Elektrode 7 stark divergent ist und sich in 2 nach rechts, also mit zunehmender Entfernung von dem Schmelzbad 3, vergleichmäßigt. Der durch das Werkstück 1 geleitete Strom erzeugt ein Eigenmagnetfeld, welches mit dem Strom selbst wechselwirkt. Die Stromdichte ist an der Oberseite des Schmelzbads 3 nahe der Elektrode 7 größer als im Bereich von dessen Boden. Da die elektromagnetischen Kräfte proportional zum Quadrat der Stromdichte sind, entsteht zwischen der Oberseite und der Unterseite des Schmelzbads 3 ein Kraftfeld. Unter der Wirkung dieses Kraftfelds wird das aufgeschmolzene Material vor dem "keyhole" in Richtung auf den Boden des Schmelzbads 3 gedrückt, was Wärme in Richtung auf diesen Boden transportiert. Die Folge ist, daß die Schmelztiefe, wie schon erwähnt, wächst, während die Breite der Schweißung (senkrecht zur Bewegungsrichtung, also zur Ebene der 2 gesehen) schmäler wird.As the drawing makes clear, under the geometric conditions the 1 and 2 a streamline field within the workpiece 1 a, which starting from the electrode 7 is very divergent and in 2 to the right, so with increasing distance from the molten bath 3 , evened out. The one by the workpiece 1 guided current generates a self-magnetic field, which interacts with the current itself. The current density is at the top of the molten bath 3 near the electrode 7 larger than in the area of its bottom. Since the electromagnetic forces are proportional to the square of the current density, arises between the top and bottom of the molten bath 3 a force field. Under the action of this force field, the molten material will move in front of the "keyhole" towards the bottom of the molten bath 3 pressed, which transports heat towards this floor. The result is that the melting depth, as already mentioned, grows, while the width of the weld (perpendicular to the direction of movement, ie the plane of the 2 seen) becomes narrower.

Die auf die Schmelze wirkenden Kräfte haben stets eine nach unten gerichtete Komponente, unabhängig von der Richtung des Stroms, der durch das Werkstück fließt. Dies ist in den 3 und 4 verdeutlicht. 3 zeigt die Situation, in welcher der Strom über die Elektrode 7 aus dem Werkstück herausfließt. Die Magnetfeldlinien, die durch diesen Strom erzeugt werden, verlaufen senkrecht zur Zeichenebene von 3. Sie treten an der Stelle 10 nach oben aus der Zeichenebene aus und an der Stelle 11 nach unten in die Zeichenebene hinein. Durch die Wechselwirkung des Magnetfelds mit den innerhalb des Werkstücks 1 verlaufenden Strömen entsteht ein Kraftfeld, das durch die kleinen Pfeile F symbolisiert wird. Die resultierende Komponente aller dieser Kräfte ist F_res, die nach unten gerichtet ist.The forces acting on the melt always have a downward component, regardless of the direction of the current flowing through the workpiece. This is in the 3 and 4 clarified. 3 shows the situation in which the current passes through the electrode 7 flows out of the workpiece. The magnetic field lines generated by this current are perpendicular to the plane of 3 , They step on the spot 10 up from the drawing plane and at the point 11 down into the drawing plane. By the interaction of the magnetic field with those within the workpiece 1 running currents creates a force field, which is symbolized by the small arrows F. The resulting component of all these forces is F _res , which is directed downwards.

Wird die Stromrichtung umgekehrt, entsteht die in 4 dargestellte Situation. Das Magnetfeld tritt nunmehr an der Stelle 10 nach unten in die Zeichenebene derIf the current direction is reversed, the in 4 illustrated situation. The magnetic field now occurs at the site 10 down to the drawing level of

4 ein und an der Stelle 11 nach oben aus der Zeichenebene aus. Es hat also ebenso wie der Strom, der durch die Elektrode 7 strömt, seine Richtung umgekehrt. Im Ergebnis bleibt die Richtung des Kraftfelds F und somit auch die Richtung der resultierenden Kraftkomponente F_res unverändert nach unten gerichtet. 4 in and on the spot 11 upward from the drawing level. So it has as well as the current flowing through the electrode 7 flows, his direction reversed. As a result, the direction of the force field F and thus also the direction of the resulting force component F _res remains unchanged directed downward.

Diese Unabhängigkeit der Richtung der resultierenden Kraft von der Richtung des Stromflusses macht es möglich, statt einer Gleichspannungsquelle 8 auch eine Wechselspannungsquelle einzusetzen.This independence of the direction of the resultant force from the direction of current flow makes it possible, rather than a DC source 8th also to use an AC voltage source.

5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Schweißen eines Werkstücks, die derjenigen, die oben anhand der 1 beschrieben wurde, sehr ähnelt. Entsprechende Teile sind daher mit dem selben Bezugszeichen zuzüglich 100 gekennzeichnet. 5 shows a second embodiment of an arrangement for welding a workpiece, that of the above with reference to 1 was described, very similar. Corresponding parts are therefore marked with the same reference numerals plus 100.

So findet sich insbesondere in 5 wiederum ein Werkstück 101, das gegenüber einem stationären fokussierten Laserstrahl 102 in Richtung des Pfeils 104 bewegt wird.This is especially true in 5 again around a workpiece 101 facing a stationary focused laser beam 102 in the direction of the arrow 104 is moved.

Der Laserstrahl 102 erzeugt unter Schutzgas, das über die Düse 106 zuströmt, in dem Werkstück 101 ein Schmelzbad 103, das sich in einer gewissen Entfernung von dem Laserstrahl 102 zu der erstarrten Schicht 105 verfestigt.The laser beam 102 generated under inert gas, which is via the nozzle 106 flows in, in the workpiece 101 a molten bath 103 that is at a certain distance from the laser beam 102 to the frozen layer 105 solidified.

Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen der 1 und 5 sind in Folgendem zu sehen:
Statt der inerten Elektrode 7 von 1 wird beim Ausführungsbeispiel der 5 der von der Stromquelle 108 erzeugte Strom über einen sich verbrauchenden Fülldraht 107 in das Werkstück 101 im Bereich des Schmelzbads 103 eingeleitet. Der Fülldraht 107 übernimmt also auf diese Weise die Funktion einer Elektrode mit. Der Minuspol der Spannungsquelle 108 ist mit einer zweiten Elektrode 112 verbunden, die im Bereich der erstarrten Schicht 105 an die obere Fläche des Werkstücks 101 angelegt ist.Differences between the embodiments of the 1 and 5 can be seen in the following:
Instead of the inert electrode 7 from 1 is the embodiment of the 5 that from the power source 108 generated electricity via a consumable flux-cored wire 107 into the workpiece 101 in the area of the molten bath 103 initiated. The filler wire 107 thus assumes the function of an electrode in this way. The negative pole of the voltage source 108 is with a second electrode 112 connected in the area of the frozen layer 105 to the upper surface of the workpiece 101 is created.

Die Verwendung des Fülldrahts 107 als Elektrode bringt auch den Vorteil mit sich, daß durch den den Fülldraht 107 durchströmenden Strom eine gewisse Vorerwärmung erzielt wird, so daß die Leistung zur Aufschmelzung des Fülldrahts 107 nicht ausschließlich von dem Laserstrahl 102 erbracht werden muß.The use of the filler wire 107 as an electrode also brings with it the advantage that by the filler wire 107 flow through a certain preheating is achieved, so that the power for melting the filler wire 107 not exclusively from the laser beam 102 must be provided.

Die Verwendung der zusätzlichen Elektrode 112 verändert den Verlauf des Stromlinienfelds innerhalb des Werkstücks 101 gegenüber dem, der in 2 dargestellt ist. Statt einer Vergleichmäßigung dieses Stromlinienverlaufs in Entfernung vom Laserstrahl 102 findet in 5 erneut eine Bündelung des Stromlinienverlaufs im Bereich der zweiten Elektrode 112 statt. Diese Bündelung führt zu einer Veränderung des Kraftfelds, das auf die Schmelze 103 wirkt, und damit zu einer Veränderung der Tiefe und Querschnittsform der durch den Laserstrahl 102 erzeugten Schweißung.The use of the additional electrode 112 changes the course of the streamline field within the workpiece 101 opposite to that in 2 is shown. Instead of equalizing this streamline course at a distance from the laser beam 102 takes place in 5 again a bundling of the streamline course in the region of the second electrode 112 instead of. This bundling leads to a change of the force field on the melt 103 acts, and thus to a change in the depth and cross-sectional shape of the laser beam 102 generated weld.

Allgemein lassen sich Tiefe und Form der Schweißung, die von dem Laserstrahl 2 bzw. 102 hervorgerufen wird, durch die Plazierung und die Zahl der Elektroden verändern, die eingesetzt werden. So kann beispielsweise der Abstand D der Elektrode 7 gegenüber dem Laserstrahl 2 in 1 variiert werden. Alternativ ist es auch möglich, beispielsweise zwei Elektroden 7 zu verwenden, die in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1 nach oben und unten gegenüber dem Laserstrahl 2 versetzt sind.Generally, the depth and shape of the weld can be determined by the laser beam 2 respectively. 102 caused by the placement and the number of electrodes that are used. For example, the distance D of the electrode 7 opposite the laser beam 2 in 1 be varied. Alternatively, it is also possible, for example, two electrodes 7 to be used in the direction perpendicular to the plane of the drawing 1 up and down against the laser beam 2 are offset.

Claims

Method for processing a workpiece with a laser beam, in which under a relative movement between the laser beam ( 2 ; 102 ) and workpiece ( 1 ; 101 ) in the latter a melt ( 3 ), which flows during the relative movement, in which an electric current flows through at least one electrode ( 7 ; 107 ) is introduced without the application of an external magnetic field in the workpiece, in which by the melt ( 3 ) flowing electric current due to interaction with the intrinsic magnetic field a volume force on the melt ( 3 ) and in which the at least one electrode ( 7 ; 107 ) is designed and arranged such that an inhomogeneous streamline field in the melt ( 3 ), characterized in that the at least one electrode ( 7 ; 107 ) on the surface of the workpiece ( 1 ; 101 ), and the inhomogeneity of the streamline field and the strength of the flow in the melt ( 3 ) are chosen so large that the volume force on the melt ( 3 ) a flow movement of the melt ( 3 ) causes.

Process according to Claim 1, characterized in that the current is at a distance between the electrode ( 7 ; 107 ) and laser beam ( 2 ; 102 ) of 3 mm is at least 100 A.

Process according to Claim 1, characterized in that the current is at a distance between the electrode ( 7 ; 107 ) and laser beam ( 2 ; 102 ) of 2 mm is at least 75 A.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode ( 7 ; 107 ) on the upper surface of the workpiece ( 1 ; 101 ) in the direction of movement in front of the laser beam ( 2 ; 102 ) is present.

Method according to claim 4, characterized in that the electrode ( 7 ) is inert, in particular a tungsten anode.

Method according to claim 4, characterized in that as electrode ( 107 ) a flux cored wire is used by the laser beam ( 102 ) is melted off.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit via at least one in the direction of movement behind the laser beam ( 102 ) on the workpiece ( 101 ) adjacent electrode ( 107 ) is closed.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that Current is alternating current.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a additional Heat source z. As a plasma torch is used.