DE102005021775A1

DE102005021775A1 - Verfahren und Anordnung zum thermischen Fügen von Werkstoffen mit hochschmelzenden oxidbehafteten Oberflächen

Info

Publication number: DE102005021775A1
Application number: DE102005021775A
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-11-16
Also published as: DE112006001196A5; DE112006001196B4; WO2006120222A1

Abstract

Verfahren zum thermischen Fügen von Werkstoffen mit mindestens einer hochschmelzenden oxidbehafteten Oberfläche unter Verwendung eines geregelten Kurzlichtbogens dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Fügestelle die festhaftende Oxiddeckschicht vor dem Aufschmelzen der zu fügenden Werkstoffe mit einem gepulsten Laser zerstört wird, wobei ein Laser mit mittlerer Leistung (100–500 W) verwendet wird, der die oxidbehaftete Oberfläche nur kurzzeitig erwärmt und es nicht zur Bildung eines Stichloches kommt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von Werkstoffen mit mindestens einer hochschmelzenden oxidbehafteten Oberfläche unter Verwendung eines geregelten Kurzlichtbogens.
Verfahren zum thermischen Fügen von gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Um jedoch den gestiegenen Anforderungen an die Qualität und Quantität der thermischen Fügeverfahren, die aus den stetig wachsenden Anwendungsbedürfnissen resultieren, zu genügen, werden einzelne technologische Prozesse dieser Fügeverfahren miteinander kombiniert, wobei konventionelle Lichtbogen- und innovative Laserstrahlverfahren immer häufiger eingesetzt und weiterentwickelt werden. Dieser Trend ist darin begründet, dass seit wenigen Jahren Hochleistungslaserquellen für einen industriellen Einsatz zur Verfügung stehen. Bis dahin waren ihre Sicherheit, Kontinuität und Lebensdauer nicht immer gewährleistet.
Die bekannten Verfahren werden miteinander kombiniert, um ihre jeweiligen Vorteile prozessgerecht ausnutzen zu können. Der Laserstrahl bietet einerseits die Möglichkeit ein hohes Tiefe-zu-Breite-Verhältnis zu erzielen und somit auch dickere Blechstärken in kurzer Zeit miteinander zu verschweißen. Andererseits ist die Toleranz beim Laserstrahlschweißen gegenüber geometrischen Schwankungen der Blechanordnungen und Versatz sehr gering. Große Spalte können beispielsweise mit dem Laserstrahl nur bedingt überbrückt werden.
Der Lichtbogen dagegen zeichnet sich durch breitere Schmelzbäder aus, auch wenn die erzielbare Schweißgeschwindigkeit sehr gering ist.
Das Zusammenführen beider Verfahren vereinigt die Vorteile und minimiert die Nachteile. Praktisch gesehen werden sowohl Lichtbogen (oder Plasma) und Laserstrahl auf den gleichen Bearbeitungspunkt gerichtet. Der Laserstrahl (der in Schweißrichtung vor dem Lichtbogen angeordnet ist) erzeugt das notwendige Stichloch, während der Lichtbogen (oder Plasma) für ein breites Schmelzbad und somit für die Spaltüberbrückbarkeit sorgt.
Auch für die Oberflächenbeschichtung ist die Kombination dieser Verfahren bereits bekannt, wobei hier im Vordergrund das Ziel eines verbesserten Energiemanagement durch Vorwärmen des Grundwerkstoffes und des Zusatzwerkstoffes liegt.
Das thermische Fügen von Mischverbindungen aus Stahl und Aluminium sowie das Auftragschweißen auf Materialien mit einer festhaftenden Oxidschicht ist zur Zeit jedoch nur mit großem Aufwand oder gar nicht möglich, da Stahl und Aluminium beim Abkühlen aus der Schmelze intermetallische Phasen bilden, die zur Rissbildung und Unbrauchbarkeit des Bauteils führen.

Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Stahl zur Laserstrahlseite positioniert und soweit erwärmt wird, bis das unterliegende Aluminium durch Wärmeleitung schmilzt und mittels geeigneter Flussmittel eine Verbindung beider Werkstoffe hergestellt werden kann.

Daneben sind auch Verfahren zum thermischen Fügen von Aluminium und Stahl bekannt, bei denen ein für beide Werkstoffe kompatibler Zusatzwerkstoff verwendet wird.

Insbesondere eignen sich hierfür Legierungen auf der Basis von Zink, da sie keine intermetallische Phasen mit Aluminium und Stahl bilden. Jedoch wirkt sich bei diesem Verfahren die niedrige Schmelz- und Siedetemperatur dieser Zinklegierungen nachteilig aus. Es kommt schnell zu einer Überhitzung der Schmelze, verbunden mit einer starken Oxidation (Nahtaussehen) und zu ihrem Verdampfen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurden Verfahren entwickelt, bei denen der Lichtbogen nur kurzzeitig brennt und somit der Energieeintrag in die zu verbindenden Werkstoffe deutlich minimiert wird. Hierbei ist jedoch problematisch, dass der sogenannte „kalte Lichtbogen" zwar ein Schmelzbad erzeugt, aber das Fliessen der Schmelze in den Spalt zwischen den zu verbindenden Werkstoffen auf Grund der bestehenden Oxidschicht auf dem nicht angeschmolzenen Aluminium erschwert ist. Darüber hinaus besitzt die so erzeugte Lötnaht eine Überwölbung, die eine nachträgliche Bearbeitung (Finishing im Sichtbereich) erfordert.

Zur Vermeidung dieser Nachteile werden beispielsweise Flussmittel eingesetzt, die die Oxidhaut zerstören, ein Fliessen der Schmelze begünstigen und somit eine ansprechende Naht erreicht wird. Der Einsatz von Flussmitteln ist jedoch in der Großserienfertigung nicht immer erwünscht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung der Eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, mit denen es gelingt, die aufgeführten Nachteile zu überwinden und ein kostengünstiges Verfahren zum thermischen Fügen von Materialien mit mindestens einer hochschmelzenden oxidbehafteten Oberfläche bereitzustellen, welches den Anforderungen in Qualität und Quantität der modernen Großserienfertigung entspricht.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und dritten Patentanspruches.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Um Werkstoffe mit einer festhaftenden Oxiddeckschicht (z.B. Aluminium) mit Hilfe thermischer Fügeverfahren zu verbinden oder anderweitig thermisch zu bearbeiten (z.B. Auftragschweißen oder Beschichtung) muss diese festhaftende Oxiddeckschicht zerstört werden. Erst danach kann eine metallurgische Verbindung dieser Werkstoffe erfolgen. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass die thermische Belastung so gering wie möglich ist, damit eine geringe Aufmischung dieser Werkstoffe gewährleistet werden kann.

Daher wird erfindungsgemäß ein geregelter Kurzlichtbogen (z.B. ColdArc) mit einem gepulsten Laser kombiniert. Der fortlaufend angeordnete Laser zerstört thermisch die Oxidschicht durch einen geringen oberflächlichen Wärmeeintrag, während der nachlaufende wärmearme Kurzlichtbogen das Schmelzbad oder die Schicht erzeugt. Die Laserleistung ist so auszuwählen, dass es nicht zur Bildung eines Stichloches kommt, sondern nur zur kurzzeitigen Erwärmung der Oberfläche (Mittlerer Leistungsbereich 100–500 W). Aufgrund der Multireflektion des Laserstrahls im Spalt zwischen den zu verbindenden Oberflächen wird die Oxidschicht bis in die Tiefe zerstört, so dass eine durchgängige Anbindung ermöglicht wird.

Der Versatz zwischen Laser und Lichtbogen beträgt mindestens die Hälfte des Düsendurchmessers, so dass eine aktive Beeinflussung des Lichtbogens durch den Laser nicht auftritt.

Die Neigung des Laserstrahls zum Lichtbogen oder Spalt ist im Bereich zwischen 0° und 80° variierbar, wobei er auf den Werkstoff mit der festhaftenden hochschmelzenden Oxiddeckschicht seitlich verschoben auftreffen soll.

Claims

Verfahren zum thermischen Fügen von Werkstoffen mit mindestens einer hochschmelzenden oxidbehafteten Oberfläche unter Verwendung eines geregelten Kurzlichtbogens dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Fügestelle die festhaftende Oxiddeckschicht vor dem Aufschmelzen der zu fügenden Werkstoffe mit einem gepulsten Laser zerstört wird, wobei ein Laser mit mittlerer Leistung (100–500 W) verwendet wird, der die oxidbehaftete Oberfläche nur kurzzeitig erwärmt und es nicht zur Bildung eines Stichloches kommt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laser an den Seitenwänden des Spaltes zwischen den zu fügenden Werkstoffen durch Reflektion weitergeleitet wird, wobei die an den Seitenwänden des Spaltes festhaftende Oxidschicht zerstört wird.
Anordnung zum thermischen Fügen von Werkstoffen mit mindestens einer hochschmelzenden oxidbehafteten Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Laserstrahls zum Lichtbogen zwischen 0° und 80° variierbar ist.
Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Laserstrahls zum Fügespalt zwischen 0° und 80° variierbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf die festhaftende Oxidschicht seitlich auftrifft.