DE102004061568A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laserstrahlschweißen - Google Patents

Abstract

Beim Schweißen mit einem auf ein Werkstück (3) gerichteten Laserstrahl (1) bildet sich im Wirkungsbereich des Laserstrahls über dem Keyhole (5) und der Schmelze (4) durch verdampftes, isoliertes Werkstückmaterial und ionisiertes Prozessgas ein Plasma. Erfindungsgemäß wird dieses Plasma durch ein elektrisches Feld abgelenkt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden dazu an der Prozessgasdüse (2) elektrische Pole (7, 8) angebracht und bezüglich des Werkstücks (3) wird ein horizontales elektrisches Feld angelegt, in welchem das Plasma abgelenkt wird. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird ein elektrisches Feld vertikal bezüglich des Werkstücks angelegt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Prozessgasdüse zum Laserstrahlschweißen und ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen, bei dem ein von einem Prozessgas ummantelter Laserstrahl auf ein Werkstück gelenkt wird, wobei im Werkstück Material geschmolzen und verdampft wird und dieses verdampfte Material zusammen mit dem Prozessgas im Wirkungsbereich des Laserstrahls ein Plasma bildet.
• Beim Laserschweißen wird im Werkstück mit einem Laserstrahl Material geschmolzen und nach dem Erstarren des geschmolzenen Materials bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung aus. Der Laserstrahl dringt aufgrund seiner hohen Energiedichte weit in das Werkstück ein. Dadurch entstehen beim Laserschweißen sehr schlanke Schweißnähte und es sind sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich. Beim Eindringen in das Werkstück bildet sich eine Dampfkapillare aus verdampfendem Werkstückmaterial aus. Diese Dampfkapillare wird als Keyhole bezeichnet. Desto tiefer die Dampfkapillare ist, desto höher sind Geschwindigkeit und Temperatur des austretenden Materials. Das Werkstückmaterial wird bei entsprechend hoher Energiedichte des Laserstrahls nicht nur verdampft, sondern das verdampfte Material ionisiert auch. Wird ein Prozessgas verwendet, ionisiert dieses unter der Einwirkung des Laserstrahls. Wird ohne Prozessgas gearbeitet, ionisiert die sich unter der Einwirkung des Laserstrahls befindende Umgebungsluft. Ionen und freie Elektronen bezeichnet man als Plasma. Folglich wird das Plasma aus verdampftem, ionisierten Werkstückmaterial und aus ionisiertem Prozessgas gebildet. Das Plasma dringt über das Keyhole weit in das Werkstück ein und gibt einen großen Teil seiner Energie an das umliegende Werkstückmaterial ab, so dass das unter indirektem Lasereinfluss stehende Werkstückmaterial schmilzt. Aus dieser Schmelze bildet sich schließlich die stoffschlüssige Verbindung.
• Das Plasma bildet sich im Wirkungsbereich des Lasers. In erster Linie entsteht es im Keyhole, wo der Materialdampf ionisiert. Das Plasma steigt zur Werkstückoberfläche auf. Dort tritt es aus dem Keyhole aus und bildet auf der Werkstückoberfläche über dem Keyhole eine Wolke. Das Plasma im Keyhole und die Plasmawolke stören den Laserschweißvorgang sehr, da das Plasma die Laserstrahlung absorbiert und der Laserstrahl dann nicht mehr weit genug in das Werkstück eindringen kann.
• Dies hat zur Folge, dass – je nach Ausmaß der Absorption und in Abhängigkeit des Werkstückmaterials, der erforderlichen Qualität und der Schweißaufgabe – sich das Schweißergebnis verschlechtert, die Schweißgeschwindigkeit zurückgenommen werden muss oder gar der Schweißprozess an sich zum Erliegen kommt. Mit Hilfe von Prozessgasen wird erfolgreich versucht, die Plasmabildung der Umgebung zu verhindern und das aus dem Werkstückmaterial entstehende Plasma zu verdünnen und damit für den Laserstrahl transparent zu gestalten. Als Prozessgas werden deshalb Gase verwendet, die möglichst wenig zur Plasmabildung neigen. Im Stand der Technik werden meist reines Helium, oder Helium-Argon-Gemische mit hohen Heliumanteilen verwendet. Jedoch kann auch ein Hinzufügen von anderen Gasen die Plasmakontrolle unterstützen. So beinhaltet beispielsweise die EP 946 331 die Zugabe von Stickstoff oder die EP 1 022 086 und die EP 1 022 087 die Zugabe von Sauerstoff oder/und Kohlendioxid. In vielen Fällen hat sich die Plasmakontrolle durch das Prozessgas jedoch als unzureichend erwiesen und das aus Werkstückmaterial und Prozessgas entstehende Plasma wirkt sich störend und qualitätsmindernd auf die Schweißaufgabe aus.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welche zu einer zufriedenstellenden Plasmakontrolle beim Laserschweißen führen.
• Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der Prozessgasdüse mindestens ein elektrischer Pol angebracht ist. Durch Anbringung eines elektrischen Pols ist es möglich, ein elektrisches Feld anzulegen, welches das Plasma beeinflusst und ablenkt. Dies ermöglicht eine wirksame Plasmakontrolle. Dabei sind zwei gegenläufige Punkte von entscheidender Bedeutung. Einerseits soll die Absorption des Laserstrahls durch das Plasma so weit zurückgenommen werden, dass genügend Transparenz gegeben ist und der Laserstrahl weit in das Werkstück eindringen kann, damit sich ein wohlgeformtes Keyhole ausbildet. Dies geschieht durch Ablenkung der ionisierten Teilchen und der Elektronen im elektrischen Feld. Anderseits soll aber genügend Plasma vorhanden sein, damit über das Plasma genügend Energie in das Keyhole hinein getragen und der Bereich um das Keyhole erwärmt wird. Erst durch diese Energieübertragung wird ein Schweißen überhaupt möglich, da eine stoffschlüssige Verbindung nur entsteht, wenn entsprechend Material schmilzt und die Schmelze sich vor dem Erstarren zu einer Einheit vermengt.
• Deshalb ist eine gezielte Steuerung der Plasmadichte in unmittelbarer Keyholenähe notwendig. Durch die erfindungsgemäße Anbringung mindestens eines elektrischen Pols an der Prozessgasdüse wird man diesen beiden gegenläufigen Punkten gerecht. Durch die räumliche Anordnung des Pols/der Pole und die Einstellung der Feldstärke wird es möglich, über dem Keyhole eine Plasmadichte einzustellen, für welche das notwendige Gleichgewicht zwischen Transparenz und Energieübertragung gegeben ist. Weiterhin entsteht das elektrische Feld genau an der benötigten Stelle und bewegt sich mit dem Schweißvorgang mit, so dass für die Plasmabeeinflussung beim Schweißvorgang jederzeit die gleichen Bedingungen herrschen. Ein Nachregeln erübrigt sich damit und auch eine unterschiedliche Plasmabeeinflussung, welche zu ungleichmäßigen Schweißbedingungen und damit zur Porenbildung führt, wird vermieden.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind an der Prozessgasdüse mindestens ein positiver und mindestens ein negativer Pol angebracht. Durch die gezielte Anbringung beider Pole an der Prozessgasdüse ist eine besonders effektive Plasmakontrolle möglich, da durch Lage und Form der beiden Pole eine gezielte Lenkung des Plasmas möglich wird. Die Plasmakontrolle ist dabei in erster Linie darauf zurückzuführen, dass eine Verschiebung des Plasmas im elektrischen Feld erfolgt und damit der Weg für den Laserstrahl transparent gehalten wird.
• Mit Vorteil befindet sich zwischen Prozessgasdüse und elektrischem Pol ein Isolator. Ein Isolator führt zur elektrischen Trennung von Polen und Prozessgasdüse. Dadurch wird es möglich, zwei oder mehr Pole an der Prozessgasdüse anzubringen. Ferner werden verschiedene geometrische Anordnungen für die Pole möglich. Die vorteilhafte Anordnung der Pole wird durch die vorliegende Schweißaufgabe und die zu verwendenden Schweißparameter bestimmt. Insbesondere die Schweißgeschwindigkeit und die Lage und Form des Werkstücks ist dabei von entscheidender Bedeutung. Diese Ausgestaltung ist dabei vorteilhafterweise durch eine einfach durchzuführende Modifikation der Prozessgasdüse zu erreichen. Dabei befinden sich der oder die Pole mit besonderem Vorteil auf der Seite der Prozessgasdüse, die dem Werkstück zugewandt ist. Dadurch ist der Weg, den die ionisierten Teilchen und die Elektronen zurücklegen müssen, besonders kurz und die Plasmakontrolle ist besonders effektiv.
• In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Prozessgasdüse selbst als Pol ausgestaltet. Den Gegenpol bildet dabei vorteilhafterweise das Werkstück selbst. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Plasmabeeinflussung in erster Linie durch eine Plasmaverdünnung. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass auch bei einer Plasmaverdünnung Absorption und Energieübertrag in das erforderliche Verhältnis zueinander gebracht werden müssen, damit ein qualitativ hochwertiges Laserschweißergebnis erreicht wird. Möglich ist dabei sowohl eine positive oder eine negative Polung der Prozessgasdüse, da beide Ausgestaltungen zur notwendigen Plasmaverdünnung führen.
• Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Plasma in einem elektrischen Feld abgelenkt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigen sich die Vorteile, die bereits für die erfindungsgemäße Prozessgasdüse ausgeführt wurden. Das elektrische Feld wird dabei in der Regel als Gleichspannung angelegt werden. Jedoch kann in manchen Fällen besser sein, an Stelle der Gleichspannung eine Wechselspannung zu verwenden, um eine optimale Plasmabeeinflussung zu erreichen. Auch beim Anlegen einer Wechselspannung bilden sich trotz des alternierenden elektrischen Felds stabile Verhältnisse aus und es erfolgt eine Plasmalenkung beziehungsweise Plasmaverdünnung.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das elektrische Feld zwischen verschiedenen Bereichen der Prozessgasdüse aufgebaut wird. Durch eine Unterteilung der Prozessgasdüse in zwei oder mehr Bereiche ist eine besonders effektive Lenkung des Plasmas möglich. Dadurch kann die Plasmabeeinflussung an die vorgegeben Schweißparameter und die vorliegende Schweißaufgabe angepasst werden.
• Vorteilhafterweise werden die ionisierten Teilchen und Elektronen von der Prozessgasdüse angezogen. Die Lenkung des Plasmas erfolgt in dieser Ausgestaltung der Erfindung von der Prozessgasdüse selbst her und durch die Gestaltung der an der Prozessgasdüse angebrachten Pole. Dies ermöglicht eine gezielte Plasmabeeinflussung und die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders einfach.
• In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden nur entweder die ionisierten Teilchen oder die Elektronen von der Prozessgasdüse angezogen. Der Gegenpol wird dabei vorteilhafterweise von dem Werkstück selbst gebildet.
• In vorteilhafter Weise werden als Prozessgas Argon, Helium oder Argon-Helium-Gemische verwendet. Helium sorgt dabei als sehr leichtes Gas, welches tief in das Keyhole eindringt, dafür, dass der über das Prozessgasplasma erfolgende Energietransport auch bis weit in das Werkstück bis an den Keyholegrund hin stattfindet. Argon dient in erster Linie zur Abschirmung gegenüber der Umgebung und vermeidet damit unkontrollierte Plasmabildung aus Luft und Luftfeuchtigkeit.
• Besondere Vorteile zeigen sich, wenn als Prozessgas eine Gasmischung, die aus Argon oder aus Argon und Helium und weiterhin aus Kohlendioxid, Sauerstoff oder/und Stickstoff besteht, verwendet wird. Durch die Zugabe dieser Gase verbessert sich Kontrolle der Plasmabildung aus Prozessgas. Dies wirkt sich zusätzlich vorteilhaft auf die erfindungsgemäße Plasmabeeinflussung aus. Unter Umständen kann sich auch eine Zugabe von Wasserstoff zum Prozessgas vorteilhaft auswirken.
• Im Folgenden soll die Erfindung anhand von 1 und 2 in einer beispielhaften Ausgestaltung näher erläutert werden. Eine weitere beispielhafte Ausgestaltung zeigt 3. In 1 ist dazu ein Laserstrahlschweißen eines Werkstücks gezeigt, wobei erfindungsgemäß ein elektrisches Feld zwischen zwei Bereichen der Prozessgasdüse anliegt. In 2 sind in den 2a bis 2c unterschiedliche Varianten zum Anbringen der elektrischen Pole dargestellt. In 3 liegt ein elektrisches Feld zwischen Prozessgasdüse und Werkstück an.
• Zum Laserstrahlschweißen wird, wie 1 zeigt, ein Laserstrahl 1 auf ein Werkstück 3 gelenkt. Der Laserstrahl 1 wird von einer Prozessgasdüse 2 ummantelt, die ein Prozessgas auf das Werkstück 3 lenkt. An der Schweißstelle entsteht im Werkstück 3 ein Keyhole 5, welches von einer Schmelze 4 umgeben ist. Die Schmelze 4 besteht aus geschmolzenem Werkstück-Material, welches schließlich die Schweißnaht ausbildet. Das Keyhole 5 bildet sich in der unmittelbaren Umgebung des Laserstrahls 1 aus, wo Material verdampft und ionisiert wird. Ionisierter Materialdampf und vom Laserstrahl ionisiertes Prozessgas formen im Keyhole 5 ein Plasma, das aufsteigt und über dem Werkstück um den Laserstrahl 1 eine Wolke bildet. An der Prozessgasdüse 2 liegt erfindungsgemäß eine Spannung an. Dazu sind an der auf das Werkstück gerichteten Seite der Prozessgasdüse 2 voneinander getrennte Isolatoren 6 angebracht.
• An den Isolatoren 6 ist ein negativer elektrischer Pol 7 und ein positiver elektrischer Pol 8 angebracht. Die elektrischen Pole sind also gegenüber der Prozessgasdüse 2 und gegeneinander isoliert. In dem elektrische Feld, das zwischen dem negativen Pol 7 und dem positiven Pol 8 aufgebaut wird, wird das Plasma, das aus ionisierten Teilchen und die freien Elektronen besteht, zu den den Ladungen entgegengesetzten Polen hin beschleunigt. Am positiven Pol 8 werden die freien Elektronen aufgenommen und am negativen Pol 9 werden die positiv geladenen Ionen neutralisiert. Bei dieser Poleanordnung wird das Plasma zur Prozessgasdüse 2 hin verschoben und der Weg ins Keyhole 5 wird für den Laserstrahl 1 freigegeben.
• In 2 sind beispielhaft verschiedene Anbringungen der Pole gezeigt. In 2a sind die zwei nierenförmige Isolatoren 6 auf der zum Werkstück hingerichteten Seite der Prozessgasdüse 2 angebracht. Auf den Isolatoren 6 sind die ebenfalls nierenförmigen elektrischen Pole 7 und 8 angebracht. In 2b sind zwei sich gegenüberliegende, kreisförmige Isolatoren 6 angebracht, auf welchen die beiden elektrischen Pole 7 und 8 sitzen. 2c zeigt ebenfalls die zum Werkstück gerichtete Seite der Prozessgasdüse 2. Auf diese Seite sind vier rechteckige Isolatoren 6 montiert und auf diese Isolatoren 6 sind die elektrischen Pole 7 und 8 angebracht. Die beiden negativen Pole 7 liegen sich gegenüber und zwischen den positiven Polen 7 befindet sich jeweils ein negativer Pol 8. Die Ionen werden somit auf zwei verschiedene Stellen gelenkt, so dass sich das Plasma über dem Keyhole teilt. Neben den dargestellten Anordnungen der elektrischen Pole sind weitere Anordnungen möglich, insbesondere eine Anbringung von mehr als vier Polen.
• Auch in 3 wird eine Prozessgasdüse 2 mit einem Laserstrahl 1 auf ein Werkstück 3 gerichtet. An der Bearbeitungsstelle entsteht ein Keyhole 5, welches von einer Schmelze 4 umgeben ist. Erfindungsgemäß wird in diesem Ausführungsbeispiel ein elektrisches Feld zwischen der Prozessgasdüse 2 und dem Werkstück 3 als elektrische Pole 7 und 8 aufgebaut. Die ionisierten Teilchen werden entsprechend der Wahl der Pole entweder zum Werkstück 3 oder zur Prozessgasdüse 2 hin beschleunigt.
• Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren tritt durch die Lenkung des Plasmas eine deutlich Verbesserung der Plasmakontrolle ein. Dies führt zu einer Qualitätssteigerung beim Laserschweißen.

1

Laserstrahl

2

Prozessgasdüse

3

Werkstück

4

Schmelze

5

Keyhole

6

Isolator

7

elektrischer Pol

8

weiterer elektrischer Pol

Claims (10)

1. Prozessgasdüse zum Laserstrahlschweißen dadurch gekennzeichnet, dass an der Prozessgasdüse (2) mindestens ein elektrischer Pol (7, 8) angebracht ist.
2. Prozessgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Prozessgasdüse mindestens ein positiver und mindestens ein negativer Pol (7, 8) angebracht sind.
3. Prozessgasdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Prozessgasdüse (2) und elektrischem Pol (7, 8) ein Isolator (6) befindet.
4. Prozessgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgasdüse (2) selbst als Pol (7) ausgestaltet ist.
5. Verfahren zum Laserstrahlschweißen, bei dem ein von einem Prozessgas ummantelter Laserstrahl (1) auf ein Werkstück (3) gelenkt wird, wobei im Werkstück Material geschmolzen und verdampft wird und dieses verdampfte Material zusammen mit dem Prozessgas im Wirkungsbereich des Laserstrahls ein Plasma bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma in einem elektrischen Feld (7, 8) abgelenkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld zwischen verschiedenen Bereichen der Prozessgasdüse (2) aufgebaut wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ionisierte Teilchen und Elektronen von der Prozessgasdüse angezogen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur entweder die ionisierten Teilchen oder die Elektronen von der Prozessgasdüse angezogen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas Argon, Helium oder Argon-Helium-Gemische verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas eine Gasmischung, die aus Argon oder aus Argon und Helium und weiterhin aus Kohlendioxid, Sauerstoff oder/und Stickstoff besteht, verwendet wird.