DE102004027229B4

DE102004027229B4 - Verfahren zum Schweißen von Werkstücken aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE102004027229B4
Application number: DE102004027229A
Authority: DE
Inventors: Dmitri Dipl.-Ing. Donst; Pierre Dipl.-Phys. Senster; Axel Dipl.-Ing. Demmer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: DE102004027229A1

Abstract

Verfahren zum Schweißen von Werkstücken (1) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bei dem
a) die Schweißstelle (9) mit einem ersten Laserstrahl (2) mit zumindest streckenweise im Wesentlichen zeitlich konstanter Leistung beaufschlagt wird, und
b) die Schweißstelle (9) gleichzeitig mit einem zweiten, gepulsten Laserstrahl (4) beaufschlagt wird, wobei sich die Einwirkstellen (3, 10) beider Laserstrahlen (2, 4) überschneiden,
dadurch gekennzeichnet, dass
c) die Werkstücke (1) elektrolytisch oxidiert sind und
d) die jeweilige Eloxalschicht durch den gepulsten Laserstrahl (4) zumindest stellenweise verdampft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bei dem die Schweißstelle mit einem ersten Laserstrahl mit zumindest streckenweise im Wesentlichen zeitlich konstanter Leistung beaufschlagt wird, und die Schweißstelle gleichzeitig mit einem zweiten, gepulsten Laserstrahl beaufschlagt wird, wobei sich die Einwirkstellen beider Laserstrahlen überschneiden.

Ein Verfahren der vorgenannten Art ist aus der DE 41 18 791 A1 bekannt. Danach wir der gepulste Laserstrahl gleichzeitig oder im Vorlauf zu einem dauerhaften Laserstrahl auf die zu schweißende Stelle fokussiert. Hierdurch soll sich das Schweißergebnis gegenüber dem Schweißen ohne gepulsten Laserstrahl verbessern, was darauf zurückgeführt wird, dass die kurzfristig mit hohen Leistungsdichten auftreffenden Laserstrahlimpulse eine Plasmabildung an der Werkstoffoberfläche sicherstellen. Beispielhaft wurde für den gepulsten Laserstrahl ein TEA-CO2-Laser bei einer Pulsfrequenz von 80 Hz, einer Pulsdauer von 50 ns und Laserimpulsenergien von 160 mJ eingesetzt. Es ist offenbart, die Einwirkstellen des gepulsten Laserstrahls und des dauerhaften Laserstrahls räumlich identisch oder räumlich getrennt einzustellen. Es ist davon auszugehen, dass die Ausdehnung der Einwirkstelle des gepulsten Laserstrahls der des dauerhaften Laserstrahls entspricht. Der genannte Stand der Technik betrifft allein das Schweißen von einem Werkstück aus Aluminium oder dessen Legierungen und wurde für ein weitgehend prozesssicheres Tiefschweißen entwickelt. Das Tiefschweißen zeichnet sich durch schlanke und tiefe Schweißnähte aus. Die Laserintensitäten liegen typischerweise bei mehr als 1,5–4.10⁶ W/cm².

Der genannte Stand der Technik offenbart nicht die Möglichkeit, ein elektrolytisch oxidiertes (eloxiertes) Werkstück aus einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung unter Einsatz von Laserstrahlung prozesssicher zu schweißen. Nach diesseitiger Kenntnis wird ein Wärmeleitungsschweißen von eloxierten Werkstücken mittels Laserstrahlung sogar allgemein für unmöglich gehalten. Es wird nach dem Stand der Technik daher als notwendig angesehen, die Eloxalschicht, die in ihrer Schichtstärke von 10 μm bis 100 μm und mehr die natürliche Oxidschicht (bis etwa 50 nm) um ein Vielfaches übersteigen kann, in einem aufwändigen gesonderten Schritt zu entfernen. Dieses Abtragen wird in der Regel mechanisch durchgeführt, da dies gegenüber einer Laserbehandlung wesentlich wirtschaftlicher ist. Der vollständige Abtrag der Oxidschicht wird dabei geprüft. Wird die Eloxalschicht vor dem Fügen nicht entfernt, so muss diese während des Schweißprozesses aufgeschmolzen oder zersetzt werden. Auf Grund der hohen Schmelztemperatur von Aluminiumoxid von mehr als 2000 °C sind hierzu hohe Strahlleistungen und Strahlintensitäten erforderlich, die nur beim Tiefschweißen erreicht werden können. Durch die werkstoffbedingt hohe Wärmeleitung besteht die Gefahr, dass der unter der Eloxalschicht liegende Aluminiumgrundwerkstoff, der bei reinem Aluminium eine Schmelztemperatur von 660 °C hat, zuerst aufgeschmolzen wird. Das gegebenenfalls noch vorhandene Aluminiumoxid kann die Metallschmelze wie eine Haut umschließen und das stoffflüssige Verbinden der Fügepartner durch eine Durchmischung der flüssigen Schmelze verhindern.

In der DE 43 28 516 A1 werden Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Stoßverbindungen zwischen stumpf aneinander stoßenden Verbindungsflächen von Metallprofilstäben insbesondere aus Aluminium und Aluminiumlegierungen, die auf ihren Seitenflächen eine Oberflächenveredelung beispielsweise in Form einer Oxidhaut aufweisen, offenbart. Dabei wird die Oxidhaut in einem an die Stoßfuge angrenzenden Randstreifen durch einen dem eigentlichen Schweißlaser voraus laufenden Laserstrahl vollständig abgetragen; der Schweißvorgang findet dann erst durch den nachlaufenden Schweißlaser statt. Dabei wird darauf hingewiesen, dass der erste Laserstrahl nur zur Beseitigung der Oxidschicht und etwaiger Oberflächenbeschichtungen dient und nicht schon zum Aufschmelzen der Werkstücke im Bearbeitungsbereich führen darf. Es handelt sich somit um zwei getrennte Bearbeitungsvorgänge, nämlich erstens Abtragen einer Oberflächenveredelung und zweitens Verschweißen der Werkstücke, die lediglich in unmittelbarer Abfolge ausgeführt werden.

Die DE 101 31 883 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von Metallbauteilen, wobei zur Schweißnahtherstellung mindestens ein die Metallbauteile von beiden Seiten im Schweißnahtbereich im Wärmeleitungsmode über im Wesentlichen den gesamten Schweißnahtquerschnitt aufschmelzender Schweißstrahlgenerator vorgesehen ist. Es wird ausgeführt, dass bei einseitigem Wärmeleitungsschweißen durch die bei technischen Aluminiumoberflächen typischerweise vorhandene hochschmelzende Oxidschicht Bindefehler in der Nahtwurzel begünstigt werden. Durch das vorgesehene zweiseitige Schweißen ergibt sich eine höhere Qualität der Schweißnaht, wobei insbesondere die Bindefehler verringert werden. Es wird hier jedoch lediglich die sich natürlicherweise auf Aluminiumoberflächen bildende dünne Oxidschicht angesprochen, nicht jedoch eine extra aufgebrachte Eloxalschicht. Weiterhin erfordert das zweiseitige Schweißen einen erhöhten Aufwand, entweder apparativ durch eine gleichzeitige zweiseitige Zuführung der Strahlung oder in der Handhabung durch zwei aufeinander folgende Schweißbearbeitungsschritte auf den beiden Seiten.

Aus der DE 198 06 390 A1 ist es bekannt, mittels gepulstem Laserstrahl spröde Werkstoffe, wie zum Beispiel Gläser und Keramiken derart zu bearbeiten, dass jeweils ein Elementarvolumen mit begrenzter Abtragstiefe aus dem Werkstoff abgetragen wird. Hiermit können präzise Strukturen geschaffen werden. Es ist nicht offenbart, das Abtragen als Vorbereitung für einen Schweißprozess durchzuführen.

Aus der US 5,499,668 ist es bekannt, Oxidschichten von einer Metalloberfläche mittels eines gepulsten Lasers zu entfernen. Auf diese Weise werden die Metalloberflächen für eine Lötverbindung oder für eine Beschichtung vorbereitet. Eine Vorbereitung für einen Schweißprozess ist nicht offenbart.

Aus der DE 195 44 929 A1 ist ein Verfahren zum flussmittelfreien Aufbringen eines Lötmittels auf ein Substrat oder einen Chip offenbart, bei dem die zum Löten vorgesehene Fläche mittels eines gepulsten Lasers von einer natürlichen Oxidschicht, zum Beispiel einer Aluminiumoxidschicht, befreit wird. Die so gesäuberte Fläche wird mit einem Schutzgas beaufschlagt, um ein erneutes Oxidieren zu verhindern. Sobald die Reinigung einer Fläche, auf der eine Lotkugel angeordnet werden soll, beendet ist, wird der gepulste Laserstrahl unterbrochen und die Lotkugel aufgegeben. Mittels eines zweiten Laserstrahls wird dann das Lötmittel, ebenfalls mit einem gepulsten Laserstrahl, geschmolzen. Ein Schweißverfahren ist hier nicht offenbart, vielmehr werden in Lötprozessen zwei artfremde Materialien miteinander verbunden.

Es ist nun Aufgabe, der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem die Anwendungsmöglichkeiten des Laserstrahlschweißens erweitert werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Werkstücke elektrolytisch oxidiert sind und die jeweilige Eloxalschicht durch den gepulsten Laserstrahl zumindest stellenweise verdampft wird.

Hierdurch wird es erstmals möglich, Werkstücke aus eloxiertem Aluminium oder einer eloxierten Aluminiumlegierung mit einer Eloxalschicht mit bis zu 1000-fache Stärke einer natürlich entstandenen Oxidschicht zuverlässig in einem einzigen Verfahrensschritt zu schweißen. Eine Prüfung, ob die jeweilige Eloxalschicht vollständig entfernt ist, entfällt. Das gleichzeitige Einwirken des ersten Laserstrahls (cw-Laserstrahl) mit im Wesentlichen konstanter Leistung und des gepulsten Laserstrahls auf die Schweißstelle bringt zudem einen Synergieeffekt mit sich, der zu einem im Vergleich von konventionellen Laserstrahlschweißverfahren niedrigeren Laserstrahlleistungsbedarf beim dauerhaften Laser (cw-Laser) und damit zu niedrigeren Investitionskosten für die entsprechende Laserstrahlquelle führen kann. Somit ist es möglich, trotz Einsatzes eines zusätzlichen gepulsten Laserstrahls gegenüber dem konventionellen Laserstrahlschweißverfahren wirtschaftlicher zu verfahren, da die Eloxalschicht nicht vor dem Schweißen in einem gesonderten Schritt entfernt und eine hinreichender Abtrag nicht geprüft werden muss.

Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass die Einwirkstelle des gepulsten Laserstrahls innerhalb der Einwirkstelle des ersten Laserstrahls permanent bewegt wird. Auf diese Weise kann die vorteilhafte Wirkung des gepulsten Laserstrahls auf sinnvolle Weise innerhalb der Einwirkstelle des cw-Laserstrahls sinnvoll verteilt werden.

Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die Bewegung der Einwirkstelle mittels mindestens eines gesteuerten, den gepulsten Laserstrahl ablenkenden Spiegels bewirkt wird. Alternativ kann selbstverständlich eine andere optische Komponente im optischen Wegverlauf des gepulsten Laserstrahls, wie z.B. eine Linse, bewegt werden, um die Position seiner Einwirkstelle zu verändern. Auf einen Ablenkspiegel kann dann möglicherweise ganz verzichtet werden.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass die Einwirkstelle des gepulsten Laserstrahls linienförmig ist, wobei die Länge der Linie im Wesentlichen dem Durchmesser der Einwirkstelle des ersten Laserstrahls entspricht. In diesem Fall kann eine gesonderte Bewegung des gepulsten Laserstrahls unterbleiben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass der Durchmesser der Einwirkstelle des gepulsten Laserstrahls höchstens 100 μm beträgt, bei einer Leistungsdichte von mehr als 1·10¹⁰ W cm^–2 bei einer Pulsrate von mehr als 1 kHz und einer Pulsdauer von weniger als 20 ns,. Die Ausgangsleistung des Lasers beträgt dabei zwischen 10 W und 200 W.

Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz eines Pulslasers mit 20 bis 60 Watt, insbesondere 40 bis 45 Watt bei einer Frequenz von etwa 30–70 kHz, insbesondere 50 kHz, und eine Pulsdauer von 1 ns–10 ns, insbesondere 5 ns, sowie eines Durchmessers des Brennflecks von kleiner oder gleich 50 μm, z. B. 30 μm, erwiesen. Für die gepulste Laserstrahlung wurde beispielhaft ein Nd-YVO4-Laser eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Schweißstelle permanent mit einem Schutzgas beaufschlagt wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass sich an den von der Eloxalschicht befreiten Stellen wieder unmittelbar eine Oxidschicht bildet.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass es für das Wärmeleitungsschweißen angewendet wird. Beim Wärmeleitungsschweißen werden die Werkstücke lediglich in einer bestimmten Zone der Werkstücksoberfläche, deren Geometrie durch die Wärmeleitung in das Werkstück bestimmt wird, aufgeschmolzen. Die Schmelzzone zeichnet sich typischerweise durch ein Verhältnis der Tiefe zur Breite von weniger als 0,5 aus. Beim Wärmeleitungsschweißen werden im Vergleich zum Tiefschweißen wesentlich geringere Laserleistungen benötigt. Im Zusammenspiel mit dem gepulsten Laser werden für den cw-Laser (Nd-YAG) lediglich etwa 1000 bis 1600 W bei einem Brennfleckdurchmesser von 2 mm benötigt.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand zweier Figuren erläutert.
Es zeigt schematisch
1: im seitlichen Querschnitt ein zu schweißendes Werkstück mit auftreffenden Laserstrahlen und Schutzgasbeaufschlagung und
2: den Verlauf der Einwirkstelle eines gepulsten Laserstrahls während des Schweißvorgangs.
In 1 ist ein Werkstück 1 sichtbar, das mittels eines Schweißprozesses im Wärmeleitungsschweißprozess mit einem zweiten, hinter dem Werkstück 1 liegenden und in 1 nicht sichtbaren Werkstück verschweißt werden soll. Auf das Werkstück 1 ist ein cw-Laserstrahl 2 eines hier nicht gesondert dargestellten, in seiner Leistung im Wesentlichen zeitlich konstanten cw-Lasers gerichtet. Auf die Einwirkstelle 3 des cw-Laserstrahls 2 ist des Weiteren ein gepulster Laserstrahl 4 eines zweiten, hier ebenfalls nicht dargestellten Lasers gerichtet. Die Einwirkstelle 3 wird über eine Düse 5 mit einem Schutzgas 6 beaufschlagt. Während des Schweißprozesses wird das Werkstück 1 in die mit dem Pfeil 7 gekennzeichnete Richtung gleichmäßig verfahren. Im hier betroffenen Wärmeleitungsschweißverfahren wird das Werkstück 1 nicht in seiner kompletten Tiefe aufgeschmolzen. Es entsteht vielmehr eine Schweißnaht 8 mit einer Tiefe im Millimeterbereich oder weniger. An der Schweißstelle 9 ist das Material flüssig.
Der gepulste Laserstrahl 4 wird mittels hier nicht dargestellter Spiegel eines Scanners regelmäßig hin und her bewegt. Zusammen mit dem Vorschub 7 des Werkstückes 1 ergibt sich der in 2 ersichtliche Verlauf des gepulsten Laserstrahls 4 auf dem Werkstück 1. Dargestellt sind hier die Einwirkstellen 10 des gepulsten Laserstrahls 4. Der gepulste Laserstrahl 4 erzeugt auf der in den Figuren nicht gesondert dargestellten Eloxalschicht des eloxierten Werksstückes 1 napfförmige Einbrände, da durch die Laserleistung die Eloxalschicht im Bereich der Einwirkstellen 10 und in deren Umgebung verdampft wird. Der Abtrag der Eloxalschicht kann, muss aber nicht zwangsläufig vollständig sein. Bei geeigneten Parametern ist ein prozesssicheres Schweißen eloxierter Werkstücke 1 ohne einen vorherigen, vom Schweißvorgang zeitlich getrennten Abtrag der Eloxalschicht möglich. Die durch den gepulsten Laserstrahl 4 auf das Werkstück aufgebrachte Energie bewirkt nicht alleine das Verdampfen der störenden Eloxalschicht sondern gleichzeitig auch das Entstehen eines Plasmas auf der Werkstückoberfläche, das aufgrund der gegenüber der Werkstoffoberfläche höheren Absorptionswerte für die Laserstrahlung für eine bessere Einkopplung sorgt. Auf Grund dessen benötigt der cw-Laser im Vergleich zu einem Verfahren ohne gepulsten Laserstrahl 4 und mit vorbehandeltem Werkstück eine deutlich geringere Leistung.
Da das Abtragen der Eloxalschicht und das Schweißen in einem Schritt erfolgt, wird im Vergleich zum Schweißen ohne Einsatz des gepulsten Laserstrahls 4, also mit Abtrag der Eloxalschicht in einem besonderen Schritt, ein wesentlich geringeres Durchflussvolumen des Schutzgases 6 benötigt.

1: Werkstück
2: cw-Laserstrahl
3: Einwirkstelle des cw-Laserstrahls
4: gepulster Laserstrahl
5: Düse
6: Schutzgas
7: Pfeil
8: Schweißnaht
9: Schweißstelle
10: Einwirkstelle des gepulsten Laserstrahls

Claims

Verfahren zum Schweißen von Werkstücken (1) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bei dem a) die Schweißstelle (9) mit einem ersten Laserstrahl (2) mit zumindest streckenweise im Wesentlichen zeitlich konstanter Leistung beaufschlagt wird, und b) die Schweißstelle (9) gleichzeitig mit einem zweiten, gepulsten Laserstrahl (4) beaufschlagt wird, wobei sich die Einwirkstellen (3, 10) beider Laserstrahlen (2, 4) überschneiden, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Werkstücke (1) elektrolytisch oxidiert sind und d) die jeweilige Eloxalschicht durch den gepulsten Laserstrahl (4) zumindest stellenweise verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkstelle (10) des gepulsten Laserstrahls (4) innerhalb der Einwirkstelle (3) des ersten Laserstrahls (2) permanent bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Einwirkstelle (10) mittels mindestens eines gesteuerten, den gepulsten Laserstrahl (4) ablenkenden Spiegels bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkstelle (10) des gepulsten Laserstrahls (4) linienförmig ist, wobei die Länge der Linie im Wesentlichen dem Durchmesser der Einwirkstelle (3) des ersten Laserstrahls (2) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Einwirkstelle (10) des gepulsten Laserstrahls (4) höchstens 100 μm beträgt, bei einer Leistungsdichte von mehr als 1·10¹⁰ W cm^–2, einer Pulsrate von mehr als 1 kHz und einer Pulsdauer von weniger als 20 ns.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißstelle (9) permanent mit einem Schutzgas (6) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für das Wärmeleitungsschweißen angewendet wird.