DE102007038502A1

DE102007038502A1 - Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen mittels Laserstrahlung

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Publication number: DE102007038502A1
Application number: DE102007038502A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr. Schulz; Alexander Dr. Olowinsky; Jens Gedicke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: WO2009021716A1; DE102007038502B4

Abstract

Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus metallischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung durch Ausbilden einer Schweißnaht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zusätzlich zu der Bewegung entlang einer Hauptbahn beim Nahtschweißen bzw. zusätzlich zu einer festen Hauptposition beim Punktschweißen und einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächenormale des Werkstücks als Parameter die Leistung, die Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und die Position an der Oberfläche des Werkstoffs relativ zu den Positionen entlang der Hauptbahn bzw. zur Hauptposition so eingestellt werden, dass die Schweißkapillare unabhängig von der Hauptbahn mit veränderlicher Tiefe relativ zur Materialdicke mit veränderlicher Richtung relativ zur Hauptrichtung und mit veränderlicher Position entlang einer Nebenbahn so geführt wird, dass eine geometrische Form des Schmelzbades und eine geometrische Form des resultierenden Nahtquerschnitts erreicht wird und dass als weiterer Parameter der Radius des Laserstrahls relativ zu gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes so eingestellt wird, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht d<SUB>Naht</SUB> und Schweißkapillare d<SUB>Kapillare</SUB> bzw. der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet. Es wird auch eine Vorrichtung angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus gleichartigen oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Hauptbahn bzw. eines Schweißpunktes an einer festen Hauptposition im Bereich einer Fügekante, indem die Laserstrahlung in einer Wechselwirkungszone teilweise absorbiert wird und ein Schmelzbad ausbildet, wobei ein Teil der Fügekante von dem Schmelzbad erfasst wird und dieser Teil nach dem Erstarren der Schmelze einen tragenden Querschnitt bildet, wobei die Laserstrahlung entlang der Fügekante auf einen kleinen Strahlquerschnitt, mit einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Flächennormalen der Materialoberfläche, fokussiert wird und die aus der Fokussierung resultierende Strahltaille bzw. der kleinste Durchmesser des Laserstrahls der fokussierten Laserstrahlung im Bereich der sich ausbildenden Wechselwirkungszone von Laserstrahlung und Material entlang der Fügekante des Materials gehalten wird, zur Anwendung dann, wenn beim Laserschweißen der Durchmesser des Laserstrahls und der resultierende Durchmesser der Schweißkapillare d_Kapillare kleiner eingestellt werden kann als der erforderliche tragende Querschnitt der Schweißnaht. Bei diesem Verfahren handelt es sich nicht um ein Hochgeschwindigkeitsschweißen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Das Laserschweißen ist ein etabliertes Fügeverfahren. Aus Anwendersicht besteht eine anhaltende Forderung, die Produktivität des Verfahrens unter wachsenden Qualitätsanforderungen zu steigern. Die Potentiale sind im Hinblick auf die Steuerbarkeit und Regelbarkeit von Maschine und Prozess, die erreichte Produktivität des Prozesses und die Qualität des Produktes bei weitem noch nicht ausgenutzt.
Wesentliche Merkmale, die beim Schweißen zuverlässig erreicht werden müssen, sind:
– Produktivität des Prozesses
Kürzere Bearbeitungszeiten und das qualitativ hochwertige Schweißen sind die angestrebten Ziele der aktuellen industriellen Entwicklung. Die Erfahrung zeigt, dass die physikalischen Grenzen für die Strahlquellen und deren Wärmewirkungen weder erreicht noch ausreichend erforscht sind.
– Qualität der Schweißnaht
Bildung von Poren in der Schweißnaht, der Auswurf von Teilen der Schmelze (Spritzer), die Kerbwirkung eines Nahteinfalls oder von Einbrandkerben, die geometrische Form der Nahtober- und Unterraupe sind wesentliche Qualitätsmerkmale der Schweißnaht, deren Auftreten von den dynamischen Vorgängen des Schweißens abhängen. Um die gewünschte Qualität der Schweißnaht zu erreichen, ist die Stabilität des Schweißens zu verbessern.
– Qualität des Bauteils
Die Qualität des Bauteils ist von der Festigkeit der Schweißverbindung und dem Verzug des Bauteils bestimmt. Festigkeit und Verzug sind Folgen der Wärmewirkungen des Schweißens. Um die gewünschte Qualität des Bauteils zu erreichen, ist eine bauteil- und schweißgerechte räumliche Verteilung der Wärmeeinbringung aufzufinden.
Die bekannten Techniken zum Schweißen von Metallen mit Laserstrahlung können in Bezug auf Qualität der Schweißverbindung, der Festigkeit und Verzug wie folgt gegliedert werden:

– Formen der Schweißverbindung: Punkt- und Nahtschweißen
– Stoßformen: Überlapp, Stumpfstoß
– Arten der Modulation von Parametern des Schweißens

Es ist bekannt, dass ein Doppelfokus oder ein Pendeln des Strahles – longitudinal (Vermeidung von Poren durch z. B. bessere Entgasung von Zinkschichten) oder lateral zur Vorschubrichtung (Überbrückung eines Fügespaltes durch kostengünstige, aber ungenaue Vorbereitung der zu schweißenden Bauteile) vorteilhaft sein kann, weil der Durchmesser einer Schweißkapillare vergrößert eingestellt wird. Typischerweise werden zum Strahlpendeln Galvoscanner angewandt. Der Einfluß des Strahlpendelns auf die Porenbildung und die Rauhigkiet der Nahtoberraupe sind untersucht. Der Strahldurchmesser ist vergleichbar mit der Breite der resultierenden Schweißnaht. Der Doppelfokus oder das Pendeln zielt auf eine Vergrößerung des Durchmessers der Schweißkapillare.
Es ist auch bekannt, dass durch die gleichzeitige Anwendung von mehreren Laserstrahlen (Doppel-, Vierfach-Fokus) in unterschiedlicher Anordnung zueinander die Porenbildung unterdrückt werden kann.
Aus der Technik des Elektronenstrahlschweißens ist das Pendeln des Elektronenstrahles bekannt und wird angewandt, um größere Querschnittsflächen zu schmelzen und die Porenbildung zu vermeiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit denen Schweißnähte und somit entsprechende Bauteile unter Verwendung des Laserschweißens hergesellt werden können, die zumindest einen Teil der vorstehend aufgeführten Punkte berücksichtigen, d. h. die insbesondere keine Nacharbeit zum Beispiel durch Schleifen und Richten erfordern, und somit über eine Verfahrensführung erzeugt werden, mit der gleichzeitig die Stabilität des Schweißens verbessert und eine bauteil- und schweißgerechte räumliche Verteilung der Wärmeeinbringung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass zusätzlich zu der Bewegung entlang der Hauptbahn beim Nahtschweißen bzw. zusätzlich zu einer festen Hauptposition beim Punktschweißen und einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächenormale des Werkstücks als Parameter die Leistung des Laserstrahls, die Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und die Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffs relativ zu den Postionen entlang der Hauptbahn bzw. zur Hauptposition so eingestellt werden, dass die Schweisskapillare unabhängig von der Hauptbahn mit veränderlicher Tiefe relativ zur Materialdicke, mit veränderlicher Richtung relativ zur Hauptrichtung und mit veränderlicher Position entlang einer Nebenbahn so geführt wird, dass eine geometrische Form des Schmelzbades und eine geometrische Form des resultierenden Nahtquerschnitts erreicht wird, die in Abhängigkeit von der Stoßart, der lokalen Bauteilabmessungen entlang der Hauptbahn und der resultierenden Eigenspannungen im Bauteil entlang der Hauptbahn vorbestimmt sind, und dass als weiterer Parameter der Radius des Laserstrahls relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes so eingestellt wird, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht d_Naht und Schweißkapillare d_Kapillare bzw. der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet, welche durch die resultierende maximal zulässige Geschwindigkeit der Schmelze, mit der die Ausbildung von Schweißdefekten (hierbei kann es sich beispielsweise um Spritzer oder Poren handeln) einsetzt, vorbestimmt ist.
Umfangreiche Untersuchungen haben dazu geführt, dass beim Nahtschweißen bzw. auch beim Punktschweißen, insbesondere durch Einstellung von Leistung des Laserstrahls, Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und Position des Laserstrahls als ein Parameter und der Radius des Laserstrahls als ein weiterer Parameter, wesentliche Vorteile erzielt werden können.
Es konnte nämlich festgestellt werden, dass die Ursachen für die mangelnde Qualität der Schweißverbindung zu sehen sind in: Schwankungen von Maschinenparametern (z. B. Richtung und Betrag des Vorschubs) und Laserparametern (z. B. Leistung, Strahlradius, Fokuslage) bewirken Änderungen von Radius und Tiefe der Schweißkapillare, die auf einer Zeitskala von Mikrosekunden auftreten können. Die Bewegung der Schmelzfront hat eine größere Zeitskala, die typischerweise einige Millisekunden beträgt. Die Dicke des Schmelzfilms ist der Abstand von Schweißkapillare und Schmelzfront. Aufgrund einer schnellen Bewegung der Schweißkapillare und der langsamen Bewegung der Schmelzfront, variiert die Dicke des Schmelzfilms auf der schnellen Zeitskala, was zu schnell veränderlichen Geschwindigkeiten für die Strömung der Schmelze und damit zu einer wellenförmigen Bewegung der Schmelze mit großen Amplituden im Vergleich zur Nahtbreite führt. Eine direkte Folge ist die mangelnde Qualität der Schweißnaht in Form von z. B. Poren, Spritzern und Einbrandkerben. Erfindungsgemäß werden diese unerwünschten Folgen vermieden, indem der Radius des Laserstrahls relativ zur gewünschten Breite der Schgweißnaht bzw. des Schweißpunktes so eingestellt wird, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht d_Naht und Schweißkapillare d_Kapillare bzw der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet.
Die Ursachen für die mangelnde Qualität des Bauteils werden durch die Festigkeit der Schweißverbindung und den Verzug des Bauteils bestimmt. Die Festigkeit der Verbindung hängt insbesondere mit dem tragenden Querschnitt und der Wärmewirkung auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht aufgrund von Gefügeveränderungen (Härte, Zugfestigkeit) während des Schweißens zusammen. Der dominante Parameter für die Gefügebildung ist die Abkühlzeit des Materials. Die Abkühlzeit steht in direktem Zusammenhang mit der räumlichen Verteilung der Wärme im Nachlauf des Schmelzbades und dem Vorschub. Der Verzug des Bauteils wird durch plastische Verformung des Werkstoffes bewirkt. Die plastische Verformung erfolgt bei Überschreiten der Fließspannung des Werkstoffes aufgrund einer thermischen Ausdehnung. Damit hängt der Verzug ursächlich mit der Wärmewirkung des Schweißens und insbesondere mit der räumlichen Verteilung der Wärme im Bauteil zusammen. Erfindungsgemäß werden nachteilige Wirkungen der Wärme im Bauteil, die aufgrund der vorgegebenen Hauptbahn entstehen, vermieden, indem die räumliche Verteilung der Wärme durch Steuerung von Leistung und Richtung und Position des Laserstrahls auf einer Nebenbahn eingestellt wird. Diese Vorgehensweise ist nur dann anwendbar, wenn der Durchmesser der Schweißkapillare kleiner eingestellt werden kann als die vorgegebene Breite der Schweißnaht an der Fügekante (der vorgegebene, tragende Querschnitt).
Mit der Erfindung können die herkömmlichen Techniken zum Schweißen mit Laserstrahlung so verbessert werden, dass eine Qualitätsschweißung bzw. eine große Qualität der Schweißverbindung erreicht wird, gleichzeitig eine große Qualität des geschweißten Bauteils bzgl. Festigkeit und Verzug unabhängig voneinander eingestellt werden können, indem, dadurch dass die räumlich verteilte Wärmeeinbringung variabel in Abhängigkeit von der Schweißtiefe gesteuert werden und der Querschnitt der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes variabel in Abhängigkeit von der Schweißtiefe gesteuert werden, und zusätzlich die Auswirkungen technisch unvermeidbarer Schwankungen von Maschinen- (z. B. Vorschub) und Laserparametern (z. B. Leistung, Intensität) eine kleinere Auswirkung auf die Qualität von der Schweißverbindung und Bauteil haben dadurch, dass eine feste Position im Werkstoff mehrere Male von dem Laserstrahl bestrahlt wird.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird somit nicht der Weg eingeschlagen, in aufwändiger Weise eine Vielzahl von Wärmequellen zu kombinieren, sondern vielmehr wird die Verfahrensführung mit Laserstrahlung bevorzugt mit einer Strahlungsquelle vorgenommen, so dass zwei unterschiedliche Anforderungen an das Schweißen in gleicher Weise erfüllt werden können und so die mangelnde Qualität der Schweißverbindung durch Stabilisierung der Schmelzströmung im Schmelzbad und des Bauteils durch Einstellen der räumlichen Verteilung der Wärme im Bauteil und durch Einstellen des Querschnitts der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes variabel in Abhängigkeit von der Schweißtiefe gleichermaßen verbessert werden können.
Zusammengefaßt werden erfindungsgemäß

– eine Stabilisierung der Schmelzströmung erreicht,
– ein Einstellen der räumlichen Verteilung der Wärme möglich,
– ein Einstellen des tragenden Querschnitts der Schweißverbindung möglich,
– Auswirkungen unvermeidbarer Schwankungen der Schweißparameter verkleinert.

Weiterhin ist beim herkömmlichen Schweißverfahren mit/ohne Strahlpendeln die räumliche Verteilung von Breite und Tiefe der Schweißnaht grundsätzlich an der Oberseite des Werkstoffes größer als an der Unterseite und nimmt monoton mit der Tiefe ab. Dagegen wird nach der erfindungsgemäßen Führung der Richtung des Laserstrahls z. B. eine größte Breite der Schweißnaht in der vorbestimmten Tiefe (Fügekante) erreicht, z. B. wo der Stoß bzw. die Fügekante zwischen den zu fügenden Werkstoffen liegt (diese Vorgehensweise ist dann vorteilhaft, wenn z. B. eine Klemmwirkung der beiden verschweißten Bleche außerhalb der Schweißnaht durch resultierende Druckeigenspannungen erreicht werden soll) oder z. B. durch zusätzliche Steuerung der Leistung in der vollen Tiefe der zu fügenden Werkstücke (diese Vorgehensweise ist dann vorteilhaft, wenn eine breite Schweißnaht an der nicht zugänglichen Unterseite des Werkstückes erreicht werden soll), wie dies noch später erläutert wird.
Erfindungsgemäß ist, wie auch 9 der nachfolgenden Zeichnungen verdeutlicht, der Radius des Laserstrahls so einzustellen, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht d_Naht und Schweißkapillare d_Kapillare bzw. Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet, welche durch die resultierende maximal zulässige Geschwindigkeit der Schmelze vorbestimmt ist.
Aus dem Verhältnis V resultiert eine Strömungsgeschwindigkeit U_max der Schmelze, die bei herkömmlichen Schweißverfahren – wo der Kapillardurchmesser d_Kapillare nahezu gleich groß ist wie der Nahtdurchmesser d_Naht – deutlich größer ist als die Vorschubgeschwindigkeit v₀. Erfindungsgemäß ist zu erreichen, dass der Kapillardurchmesser d_Kapillare deutlich kleiner als der einzustellende Nahtdurchmesser d_Naht und so die Strömungsgeschwindigkeit u_max der Schmelze nahezu gleich der kleinen Vorschubgeschwindigkeit v₀ wird.
Eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die mit herkömmlichen Schweißverfahren aufgenommen wurden, die als 10 den Zeichnungen beigefügt sind, zeigte eine Schmelze mit einer glatten und spiegelnden Oberfläche, die sich so von der rauen Oberfläche des festen Werkstoffes unterschied. Deutlich war zu erkennen, dass die Schmelzfilmdicke vor der Schweißkapillare sehr klein war im Vergleich zum Kapillardurchmesser d_Kapillare, bzw. zum Nahtdurchmesser d_Naht. Es war zu erkennen, dass die Schmelze zwischen der Schmelzfront (Grenze zwischen rauer Oberfläche des Werkstoffes) und der dampfgefüllten Schweißkapillare (ein weißer Fleck) strömte und hinter der Schweißkapillare ein ausgedehntes Schmelzbad bildete.
Folglich wird bei herkömmlichen Schweißverfahren der Laserstrahl so eingestellt, dass ein Kapillardurchmesser d_Kapillare resultiert, der nahezu gleich groß ist wie der Nahtdurchmesser d_Naht. Demzufolge tritt bei herkömmlichen Schweißverfahren die nicht erwünschte Situation auf, dass die Strömungsgeschwindigkeit u_max der Schmelze groß ist im Vergleich zur Vorschubgeschwindigkeit v₀, was gerade durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden wird.
Weiterhin wurde anhand der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen festgestellt, dass die große Strömungsgeschwindigkeit u_max der Schmelze zu einem instabilem Verhalten der Schmelzströmung führt und so die dominante Ursache für die Merkmale einer mangelnden Qualität der Schweißverbindung ist. Große Werte für die Strömungsgeschwindigkeit u_max der Schmelze sollen daher durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden.
Bevorzugt werden Richtung und Position des Laserstrahls so eingestellt, dass der Laserstrahl auf einer Nebenbahn geführt wird, wobei der Abstand der Nebenbahn von der Hauptbahn an der Materialoberfläche und an der Fügekante unterschiedliche Werte aufweisen kann. Gerade hierdurch wird erreicht, dass die Klemmwirkung durch Eigenspannungen eingestellt werden kann. Um einen vorgegebenen tragenden Querschnitt und gleichzeitig eine Klemmwirkung zu erreichen, sollten hierbei Richtung und Position des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Laserstrahl auf der Nebenbahn mit der Gestalt eines Doppelkegels mit einem kleinsten Querschnitt und einem Öffnungswinkel bewegt wird.
Es ist hierbei bevorzugt, dass der kleinste Querschnitt des Doppelkegels nahe der Oberfläche des Werkstücks liegt und der Öffnungswinkel zusammen mit der Leistung so eingestellt werden, dass die resultierende Breite der Schweißnaht an der Fügekante ihren größten Wert erreicht und gleich dem vorbestimmten tragenden Querschnitt ist.
Als weiterere Verfahrensparameter sollte die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls so eingestellt werden, dass sie innerhalb einer unteren und oberen Schranke bleibt. Die untere Schranke der Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls, die nicht unterschritten werden soll, ist dadurch bestimmt, dass der Querschnitt der entstehenden Schweißnaht entlang der Hauptbahn den tragenden Querschnitt erreicht. Die obere Schranke der Bahngeschwindigkeit ist dadurch bestimmt, dass die Länge der entstehenden Schweißkapillare entlang der Nebenbahn klein im Vergleich zur Breite des Schmelzbades bleibt. Klein wird hier bestimmt aus der resultierenden Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze und kann an dem Auftreten resultierender Spritzer und Poren beobachtet werden. Die Länge ist hierbei von Bedeutung, da auch eine längere Schweißkapillare (ähnlich wie die zu breite Schweißkapillare) zwangsläufig die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert, was zu vermeiden ist, da sonst Spritzer und Poren auftreten können.
Es hat sich gezeigt, wie auch die 11 der beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, dass wegen des kleinen Kapillardurchmessers der Schweißprozess stabiler wird, da die maximale Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Schweißverfahren verkleinert ist. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit ist kleiner, da die Schmelze durch ein breites Schmelzbad um die Schweißkapillare strömen kann und nicht durch einen engen Kanal strömen muss, in dem sie stark beschleunigt wäre.
Da die Länge der Kapillare unabhängig von der Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden kann, sind notwendige zusätzliche Freiheitsgrade zum Erfüllen der weiteren Anforderungen an das Schweißen nutzbar.
Es sollte an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen werden, dass die unvermeidbaren Schwankungen der Laser- und Maschinenparameter beim konventionellen Schweißverfahren grundsätzlich zu Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze und damit grundsätzlich auch zur Ausbildung der qualitätsmindernden Merkmale (z. B. Poren) führen. Durch die Kombination einer Hauptbewegung mit einer im Vergleich dazu schnellen Veränderung der zusätzlichen Parameter (z. B. Mehrfachüberfahrt einer materialfesten Position) wird ein robuster Prozess eingestellt bzw. eine Stabilisierung erreicht.
Für die langsam veränderlichen Größen des Schweißprozesses (z. B. Temperatur in einer Entfernung von der Schweißkapillare, die einige Kapillarradien beträgt, oder Bewegung der Schmelzfront im Vergleich zur Bewegung der Schweißkapillare) wird ein Mittelungseffekt wirksam.
Für die schnell veränderlichen Größen ist die Rückwirkung der langsam veränderlichen Größen kleiner, da der Abstand der Schweißkapillare von der Position der Schmelzfront größere Werte annimmt.
Vorzugsweise wird durch die Steuerung der Leistung und/oder der Bahngeschwindigkeit entlang der Nebenbahn die Tiefe der Kapillare verändert, womit die Nutzung dieses weiteren Freiheitsgrades zusätzlich zur Richtung zur Folge hat, dass durch die Tiefe der Kapillare (Länge) zusammen mit der Richtung der Kapillare jeder Punkt im Materialvolumen erfasst werden kann, wobei das erfasste Volumen dadurch bestimmt ist, dass die Oberfläche der Nebenbahn das erfasste Volumen begrenzt.
Durch eine periodische Steuerung der Leistung entlang der Nebenbahn nimmt die Tiefe der Kapillare in Richtung der Hauptbahn und senkrecht zur Richtung der Hauptbahn unterschiedlich große Werte an.
Eine größte Breite der Schweißnaht bzw. eines Schweißpunkts in einer vorbestimmten Tiefe wird dadurch erzeugt, dass eine Nebenbahn, die dadurch definiert ist, dass sie einen vorbestimmten Abstand zu der Hauptbahn besitzt, in der Form einer Kurve mit einem oder mehreren Doppelpunkten durchlaufen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt auch bei einem Material-System, das gefügt werden soll, anwendbar, das aus mehreren Materialien (Mehrschichtsystem) mit mindestens drei Schichten besteht und bei dem die Schweißung nur die oberen zwei Schichten verbindet und die werter unten liegenden Schichten aus anderen z. B. nicht temperaturbeständigen Schichten nicht unnötig stark aufgeheizt oder sogar geschmolzen werden.
Falls ein T-Stoß, der einen Flansch und einen Steg umfasst, gefügt bzw. geschweißt werden soll, werden die Leistung und der Öffnungswinkel des Laserstrahls so eingestellt, dass die Achse des eines Strahlungs-Doppelkegels an der Achse des Steges derart ausgerichtet wird, dass der kleinste Querschnitt des Doppelkegels auf der Oberfläche des Flansches eingestellt wird, dass der Öffnungswinkel so eingestellt wird, dass die Breite des Kegels an der Stirnseite des Steges die gesamte Breite der Fügekante erfasst, und die Leistung so eingestellt wird, dass die Schweißkapillare so tief in das Material eindringt, dass die Fügekante überschritten und auch das Material des Steges aufgeschmolzen wird. Dieser Verfahrensablauf führt zu dem Vorteil, dass die Wärmebelastung des Bauteils nur in der Nähe der Fügekante auftritt und nicht unnötig viel Wärme in den Flansch eingebracht wird. Der Laserstrahl sollte dabei auf einer Bahn mit veränderlichem Radius an der Fügekante geführt werden, die maximal durch den vollen Öffnungswinkel erfasst wird. Hierbei kann der Laserstrahl auf einer spiralförmigen Bahn an der Fügekante geführt werden, die maximal durch den vollen Öffnungswinkel erfasst wird.
Es wurde festgestellt, dass ein vorbestimmter Wert für einen Winkelverzug beim Schweißen erreicht wird, indem der Öffnungswinkel und die Tiefe des engsten Querschnittes eingestellt werden, wobei die Tiefe von der Oberkante des Werkstücks aus gemessen wird.
Für den Winkelverzug wird der Wert null Grad annähernd erreicht, indem die Tiefe des engsten Querschnitts gleich der halben Materialstärke eingestellt wird und der Öffnungswinkel zunehmend größer eingestellt wird, bis der tatsächliche Winkelverzug aufgrund von unvermeidbaren Schwankungen der Eigenspannungen im Material, der Material- und Laserparameter einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
Für den Winkelverzug wird ein negativer Wert erreicht, indem der Doppelkegel so eingestellt wird, dass der engste Querschnitt an der Materialoberfläche liegt und der Öffnungswinkel zunehmend größer eingestellt wird, bis der tatsächliche Winkelverzug den vorbestimmten negativen Wert erreicht.
Die Breite der Schweißnaht bzw. der Durchmesser des Schweißpunkts kann durch eine Taumelbewegung der Richtung des Laserstrahls um einen Punkt in Abhängigheit vom Abstand zur Materialoberfläche eingestellt werden.
Um zu erreichen, dass die Wärmebelastung des Materials in der Umgebung des schmelzflüssigen Schmelzbades minimal wird, wird die Temperatur im Schmelzbad nahezu homogen nahe der Schmelztemperatur gehalten.
Die Temperatur im Schmelzbad wird mit einer vorgegebenen Verteilung eingestellt und wird nur in einer kleinen Umgebung der Schweißkapillare in der Größenordnung des Durchmessers der Schweißkapillare auf größere Werte eingestellt, damit die Temperatur im Material und damit die Gefügebildung in der Umgebung des schmelzflüssigen Schmelzbades eingestellt werden kann.
Um eine unnötig große Abkühlrate und damit die Rissbildung beim Erstarren zu vermeiden, wird die Temperatur im festen Teil der Schweißnaht hinter dem Schmelzbad mit einer vorgegebenen Verteilung dadurch eingestellt, dass der Laserstrahl auf einem Teil der Nebenbahn den rückwärtigen Teil des Schmelzbades heizt.
Die Wirkung der Einstellung von Parametern, wie sie vorstehend angegeben sind, wird On-line überwacht und die einzustellenden Parameter werden entsprechend nachgeregelt.
Die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms, d. h. des Schmelzbads, und die Reflexionen einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle in der Umgebung des Schmelzbades, um die thermische Wirkungen des Vorheizens der Oberfläche des Materials zu erfassen, werden mit einer Kamera aufgenommen.
Die Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Mess-Signals werden genutzt, um die tatsächlich resultierende geometrische Form des Schmelzbades sowie zusätzlich die Effizienz der Steuerung zu überwachen.
Vorzugsweise wird die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Anordnung von Photodioden (z. B. Vier-Quadranten Photodiode) aufgenommen. Insbesondere werden die Länge l der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Mess-Signals qualitativ durch ein räumlich gemitteltes Signal einer solchen Photodiode erfasst.
Damit Schweißnähte bzw. Schweißpunkte mit über die Schweißnahttiefe variabler Schweißnahtbreite erzeugt werden können, wird eine Nebenbahn mehrfach durchlaufen und die Bewegung des Laserstrahls wird mittels optischer Elemente erzeugt.
Bevorzugt sollte die periodisch durchlaufene Nebenbahn mit einer großen Halbachse in Richtung der Hauptbewegung und mit einer kleinen Halbachse senkrecht dazu versehen werden.
Der Vorschubbewegung wird somit entlang einer Fügegeometrie eine periodische Bewegung des Laserstrahls mittels der hier angegebenen optischen Elemente überlagert; somit können auch Schweißnähte mit über die Schweißnahttiefe variabler Schweißnahtbreite erzielt werden.
Um die Abkühlzeit zu vergrößern und so die Gefügebildung zu steuern und eine Rissbildung zu vermeiden, wird die periodisch durchlaufene Nebenbahn mit einer großen Halbachse in Richtung der Hauptbewegung und mit einer kleinen Halbachse senkrecht dazu versehen. Das Zentrum der periodischen Bewegung und die Größe der Halbachsen sind wesentliche Parameter zum Einstellen des Temperaturzyklus im Werkstoff.
Als optisches Element wird ein Galvanometerscanner eingesetzt.
Vorzugsweise wird als optisches Element ein Galvanometerscanner mit diffraktivem optischem Element eingesetzt.
Um den engsten Querschnitt eines Doppelkegels an der Oberfläche des Werkstücks anzuordnen, sollten als optische Elemente ein Galvanometerscanner und diffraktive optische Elemente und zusätzlich ein Torusspiegel eingesetzt werden.
Um zu erreichen, dass ein Doppelkegel beim Punktschweißen erzeugt werden kann, wird das zu fügende Bauteil gedreht, wobei die Drehachse durch die Stelle des Schweißpunktes verläuft und die Laserstrahlachse gegenüber der Bauteiloberfläche geneigt ist, so dass in dieser gedrehten Stellung der Schweißvorgang erfolgt. Der Winkel zwischen Laserstrahlachse und Bauteiloberfläche während des Nahtschweißens wird variiert, so dass die Schweißkapillare nicht nur auf der Oberfläche des Doppelkegels umläuft, sondern auch das Innere des Doppelkegels erfasst wird. Bei linearer Verkleinerung des Winkels entsteht eine spiralförmige Nebenbahn mit kleiner werdendem Öffnungswinkel.
Der Winkel zwischen Laserstrahlachse und Bauteiloberfläche wird während des Nahtschweißens variiert, so dass der Öffnungswinkel in Abhängigkeit der Bauteilabmessungen eingestellt wird, und zwar dann, wenn sich diese entlang der Hauptbahn (Vorschubbewegung) ändern. Die Bauteilabmessungen ändern sich entlang der Hauptbahn z. B. dann, wenn eine Axial-Rundnaht eines Zahnrades geschweißt wird.
Eine rotatorische Bewegung des Laserstrahls um die Laserstrahlachse entlang der Nebenbahn kann mittels einer oder mehrerer optischer Komponenten vorgenommen werden. Für eine solche optische Komponente kann ein drehendes Prisma eingesetzt werden, das dann von Vorteil ist, wenn zusätzlich zur Realisierung der Nebenbahn z. B. in Form eines Doppelkegels mit dem drehenden Prisma auch eine unerwünschte nicht radialsymmetrische Strahlverteilung vorliegt. Die Drehung um die Laserstrahlachse führt zu einem Mittelungseffekt und verkleinert die Wirkung der Asymmetrie.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schweißung von zwei Werkstücken, um insbesondere die Nahtform bzw. den Rand des Schmelzbades zu verdeutlichen,
2 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Standardschweißung entsprechend 1, allerdings mit einer zusätzlichen Steuerung der Leistung der Strahlquelle in der vollen Tiefe der zu fügenden Werkstücke,
3 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schweißung mit Doppelkegel von zwei aneinander gestoßenen Werkstücken, ohne einen Winkelverzug oder mit einem einstellbaren Winkelverzug zwischen den Werkstücken,
4 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Standardschweißung von zwei aneinander gestoßenen Werkstücken mit einem positiven Wert eines Winkelverzugs des geschweißten Bauteils,
5 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Standardschweißung von zwei aneinander gestoßenen Werkstücken mit einem negativen Wert eines Winkelverzugs des geschweißten Bauteils,
6 eine schematische Darstellung, um das Verschweißen eines Werkstoffverbunds aus einer Kupfer- oder Stahlplatte, einer Kupferplatte und einer Barunterliegenden Keramikplatte zu zeigen,
7A eine schematische Darstellung, um die Ausbildung eines T-Stoßes zwischen einem Steg und einer Flanschplatte zu zeigen,
7B den spiralförmigen Verlauf der Laserstrahlachse auf der Stirnfläche des Stegs, aus Richtung des Sichtpfeils VII_B in 7A,
8 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einem innen verspiegelten Ring (Torusspiegel), der zum Erzeugen eines Doppelkegels eingesetzt wird, dessen engster Querschnitt auf der Oberfläche des Materials liegt.
9 eine Darstellung, um die geforderte Einstellung des Radius des Laserstrahls zu verdeutlichen,
10 eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die mit herkömmlichen Schweißverfahren aufgenommen wurden, und
11 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Durchführung des Schweißens als Vergleich zu 9.
Die Grundzüge für die Einstellung der physikalischen Größen des Schweißprozesses werden nachfolgend, bevor im einzelnen auf die Zeichnungen eingegangen wird, erläutert.
Die geometrische Form des Schmelzbades wird in der Nähe einer Fügestelle so eingestellt, dass ein vorgegebener tragender Querschnitt erreicht wird.
In größerer Entfernung von der Fügestelle können die thermische Endringtiefe und die Temperatur durch die z. B. wiederholte Wärmeeinbringung entlang der Nebenbahn verändert werden, ohne dass dazu zusätzliche Wärmequellen eingesetzt werden müssen, und somit können die resultierende Eigenspannung und der resultierende Verzug eingestellt werden.
Durch eine Anpassung der Parameter entlang einer Nebenbahn wird die Wärmeeinbringung in Abhängigkeit von der Form des Bauteils gesteuert. Dies ist insbesondere bei kompliziert geformten Bauteilen, wie z. B. Zahnrädern, von Vorteil.
Der zeitliche Verlauf der Temperatur (Temperaturzyklus) an einer festen Position im Bauteil bestimmt die Gefügebildung gemäß bekannter Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme. Die Verteilung der Wärme im Schmelzbad wird so eingestellt, dass die Anforderungen an Festigkeit (Gefügebildung) erfüllt werden. Durch die zusätzlichen Parameter und deren Einstellung kann z. B. die Temperatur im Schmelzbad nahezu homogen nahe der Schmelztemperatur gehalten werden oder eine vorgegebene Verteilung annehmen und nimmt nur in einer kleinen Umgebung der Schweißkapillare größere Werte an.
Aufgrund des kleinen Kapillardurchmessers im Vergleich zur Ausdehnung des Schmelzbades wird der Schweißprozess stabilisiert, da die Strömungsgeschwindigkeiten der Schmelze nahezu homogen gleich der Vorschubgeschwindigkeit sind, und nehmen nur in einer vernachlässigbar kleinen Umgebung der Schweißkapillare größere Werte an, die keine Auswirkungen auf den Schweißprozess haben.
Die Maßnahmen, um diese Vorteile gleichzeitig und mit einem Laserstrahl während der Schweißung zu erreichen, sind dadurch gekennzeichnet, dass Leistung, Richtung, Position des Laserstrahls und Bahngeschwindigkeit zeitlich veränderlich und ein fester Radius des Laserstrahls als zusätzliche Parameter so eingestellt werden, dass eine vorbestimmte Kontur (z. B. Breite in Abhängigkeit der Tiefe, z. B. größte Breite in der Tiefe des tragenden Querschnitts) des Schmelzbades erreicht wird und die zeitlich veränderliche Bahngeschwindigkeit und ein fester Radius des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Durchmesser und die Länge der Kapillare im Vergleich zur vorbestimmten Breite des Schmelzbades solche Werte annehmen, dass die Strömungsgeschwindigkeit mit der Vorschubgeschwindigkeit entlang der Hauptbahn vergleichbar bleibt und Leistung, Richtung und Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstücks zeitlich veränderlich entlang einer Nebenbahn bzw. Kurve in einer Umgebung der Hauptbahn gesteuert werden, so dass ein vorbestimmter Temperaturzyklus im Nachlauf und seitlich des Schmelzbades eingestellt wird.
Die Erfindung ist immer dann einsetzbar, wenn beim Laserschweißen der Kapillarradius kleiner eingestellt werden kann als der erforderliche tragende Querschnitt der Schweißnaht (kein Hochgeschwindigkeitsschweißen).
Die 1 und 2 verdeutlichen nochmals den Unterschied zwischen dem herkömmlichen Schweißverfahren und dem Verfahren gemäß der Erfindung.
Mit 100 und 101 sind zwei Werstoffe dargestellt. Eine mit einem herkömmlichen Schweißverfahren erzeugte Nahtform ist mit einer unterbrochenen Linie 102 dargestellt, die größer an der Oberseite des Werkstoffes ist und in die Tiefe abnimmt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läuft der Laserstrahl, dessen Strahlachse durch die strichpunktierten Linien 103 in ihrer Position und Richtung zur Zeit t = t₁ angegeben ist, auf einer Nebenbahn (die Richtung der Hauptbahn verläuft senkrecht zur Papierebene) in Form eines Doppelkegels, wobei sich die Kegelspitze 104 nahe der Oberfläche (oder innerhalb des Werkstücks) befindet. Jeweilige Schweißkapillaren sind mit den Linien 105 angedeutet. Die größte Breite der Schweißnaht 106 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer vorbestimmten Tiefe erreicht, die durch den Fußpunkt der Schweißkapillare 105 bestimmt ist. Falls eine breite Schweißnaht an einer nicht zugänglichen Unterseite der Werkstücks erreicht werden soll, wird die Leistung in die Tiefe der zu fügenden Werkstücke gesteuert, das bedeutet die Nebenbahn 107 befindet sich im unteren Bereich des Werkstoffs 101.
In 3 sind zwei Werkstücke 1, 2 dargestellt, die im Bereich einer Fügestelle 3 mittels einer Schweißnaht 4 gefügt bzw. verbunden werden sollen. Hierzu wird die Laserstrahlung 5 unter unterschiedlichen Strahlrichtungen und Stahlachsen, durch die Pfeile 6 angedeutet, auf die Fügestelle 3 so gerichtet, das die Strahlung entsprechend einem Doppelkegel 7 verläuft. Der engste Stahlquerschnitt 8 ist dabei, in Richtung des Querschnitts der Schweißnaht 4 gesehen, in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen 9 der Werkstücke 1, 2 ausgerichtet. Aufgrund dieser Ausrichtung des Verlaufs der Laserstrahltung 5 entlang des Doppelkegels 7 tritt kein Verzug zwischen den beiden Werkstücken 1, 2 auf, das bedeutet sie sind auch nach der Fügung in einer Ebene ausgerichtet.
Anhand der 3 ist zu erkennen, dass durch die Veränderung der Lage des engsten Strahlquerschnitts 8 des Doppelkegels 7 ein Winkelverzug zwischen den beiden Werkstücken 1, 2 definiert eingestellt werden kann. Diese Möglichkeit der Einstellung des Winkelverzugs wird anhand der 2 und 3 verdeutlicht.
4 zeigt eine standardmäßige Verschweißung von zwei Werkstücken 1, 2, bei der im Bereich der Fügestelle 3 die Laserstrahlung 5 mit einem Strahlkegel gerichtet ist, dessen engster Querschnitt, das bedeutet die Spitze des Strahlkegels 10 im Bereich der Unterseite 11 der beiden Werkstücke 1, 2 liegt (wobei der engste Querschnitt bewusst größer gewählt wird als der minimal mögliche – es soll keine "Spitze" erzeugt werden). Dadurch ergibt sich ein positiver Winkelverzug, der durch den Winkel 12 angegeben ist, zu einer Ebene 13, in der die Unterseiten 11 der Werkstücke 1, 2 ohne Verzug ausgerichtet wären.
Im Gegensatz zu 4 zeigt 5 eine Verschweißung mit einem Doppelkegel 7 der Laserstrahlung 5, wobei der engste Strahlquerschnitt 8 des Doppelkegels 7 im Bereich der Oberseite 14 ausgerichtet ist. Hierdurch kann ein negativer Winkelverzug, angedeutet durch den Winkel 15 zu der Ebene 16, erzeugt werden.
6 zeigt ein mehrschichtiges System, das eine obere Kupfer- oder Stahlplatte 17, eine darunterliegende Kupferplatte 18 und eine sich darunter befindliche Keramik 19 besitzt. Bei der oberen Kupfer- oder Stahlplatte 17 kann es sich um einen Leadframe handeln. Bei einem solchen Schichtaufbau kann die Forderung bestehen, dass beim Erzeugen der Schweißnaht 4 die Keramik 19 nicht aufgeschmolzen wird oder nicht zu stark erwärmt wird, um Gefügeänderungen oder eine Zerstörung zu vermeiden. Um diese Vorgaben einzuhalten, wird die Laserstrahlung 5 als Doppelkegel 7 geformt, wie dies anhand der 3 bereits erläutert wurde, so dass der Eintrag der Laserstrahlung 5 gezielt auf die Kupfer- oder Stahlplatte 17 und die Kupferplatte 18 begrenzt wird. Zum Vergleich wurde in 4 mit der Linie 20 eine Schweißnaht angedeutet, die mit einem standardmäßigen Schweißverfahren nach dem Stand der Technik durchgeführt wird.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die 3 bis 6 für die Erläuterung der Bildung einer Schweißnaht angegeben sind, allerdings analog auf die Bildung von Schweißpunkten übertragen werden können.
Die 7A und 7B verdeutlichen das Schweißen eines T-Stoßes zwischen einer Flanschplatte 21 und einem im rechten Winkel dazu verlaufenden Steg oder einer Stegplatte 22. Die Fügekante, die zwischen der Flanschplatte 21 und der Stegplatte 22, gebildet werden soll, ist mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet. Die Laserstrahlung 5 wird von der Oberfläche 24 der Flanschplatte 21 aus eingebracht und so ausgerichtet, dass der zuvor beschriebene Doppelkegel 7 erzeugt wird, wobei der engste Strahlquerschnitt 8 im Bereich der Oberfläche 24 der Flanschplatte 21 liegt, die der Fügekante 23 mit der Stegplatte 22 gegenüberliegt. Die Schweißkapillare 25 wird auf einer spiralförmigen Bahn 26 bewegt, wie dies schematisch auch in der 7B angedeutet ist. Durch diese spiralförmige Bewegung der Schweißkapillare 25 wird erreicht, dass das Schmelzbad von der Fügekante in Richtung auf die Oberfläche 24 des Flansches erstarrt. Liegt noch schmelzflüssiges Material vor, während die Oberfläche des Flansches bereits erstarrt ist, kann eine etwaige Schrumpfung des Flansches in Richtung auf das Zentrum des Doppelkegels zur Rissbildung führen. Der Laserstrahl wird auf einer Bahn mit veränderlichem Radius an der Fügekante geführt, die maximal den vollen Öffnungswinkel erfasst. Durch das Taumeln der Laserstrahlachse um einen Punkt lässt sich auch eine Schweißnahtausprägung dergestalt erzielen, dass die Schweißnahtbreite zum Beispiel in Abhängigkeit vom Abstand zur Bauteiloberfläche einstellbar ist.
Die Parameter, die zusätzlich zu einer langsamen Hauptbewegung (Vorschub beim Nahtschweißen), mit der die Laserstrahlachse in einer Hauptrichtung relativ zur Oberflächennormale des Werkstücks entlang einer Schweißlinie mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird, bzw. zusätzlich zu einer festen Hauptposition (Punktschweißen) und einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächennormale des Werkstücks verfahrensgemäß schnell verändert werden können, sind die Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung, die Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffes relativ zur Position aus der Hauptbewegung bzw. zur Hauptposition, die Leistung des Laserstrahls, der Radius des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffes relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes, die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls entlang der erzeugten Schweißkapillare relativ zur im Vergleich kleinen Vorschubgeschwindigkeit beim Nahtschweißen.
8 zeigt eine schematische Anordnung, um das Taumeln der Laserstrahlung zu erreichen. Die Laserstrahlung 5 wird auf einen Scannerspiegel 27, der um Achsen 28 kippbar ist, gerichtet (alternativ können Umlenkspiegel eingesetzt werden). Von dem Scannerspiegel 27 wird die Laserstrahlung auf einen Torusspiegel 29 gerichtet, bei dem es sich um einen innen verspiegelten Ring handelt. Die aus dem Torusspiegel 29 austretende Strahlung wird dann über eine Fokussierlinse 30 auf das Werkstück 31 gerichtet.
Weitere Möglichkeiten, um ein Taumeln der Laserstrahlachse durch rotatorische Bewegung des Strahls zu erreichen, sind optische Komponenten in Form eines drehenden Prismas, eines drehendes Prisma mit Torusspiegel, eines Galvanometerscanners, eines Galvanometerscanners mit DOE (Diffraktives optisches Element) oder aber auch die Drehung des Bauteils, wobei die Drehachse durch die Stelle des Schweißpunktes verläuft und die Laserstrahlachse gegenüber der Bauteiloberfläche geneigt ist; dabei kann der Winkel zwischen Laserstrahlachse und Bauteiloberfläche während der Schweißung variiert werden.

Claims

Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus gleichartigen oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Hauptbahn bzw. eines Schweißpunktes an einer festen Hauptposition im Bereich einer Fügekante, indem die Laserstrahlung in einer Wechselwirkungszone teilweise absorbiert wird und ein Schmelzbad ausbildet, wobei ein Teil der Fügekante von dem Schmelzbad erfasst wird und dieser Teil nach dem Erstarren der Schmelze einen tragenden Querschnitt bildet, wobei die Laserstrahlung entlang der Fügekante auf einen kleinen Strahlquerschnitt, mit einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Flächennormalen der Materialoberfläche, fokussiert wird und die aus der Fokussierung resultierende Strahltaille bzw. der kleinste Durchmesser des Laserstrahls der fokussierten Laserstrahlung im Bereich der sich ausbildenden Wechselwirkungszone von Laserstrahlung und Material entlang der Fügekante des Materials gehalten wird, zur Anwendung dann, wenn beim Laserschweißen der Durchmesser des Laserstrahls und der resultierende Durchmesser der Schweisskapillare d_Kapillare kleiner eingestellt werden kann als der erforderliche tragende Querschnitt der Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Bewegung entlang der Hauptbahn beim Nahtschweißen bzw. zusätzlich zu einer festen Hauptposition beim Punktschweißen und einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächenormale des Werkstücks als Parameter die Leistung des Laserstrahls, die Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und die Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffs relativ zu den Positionen entlang der Hauptbahn bzw. zur Hauptposition so eingestellt werden, dass die Schweisskapillare unabhängig von der Hauptbahn mit veränderlicher Tiefe relativ zur Materialdicke, mit veränderlicher Richtung relativ zur Hauptrichtung und mit veränderlicher Position entlang einer Nebenbahn so geführt wird, dass eine geometrische Form des Schmelzbades und eine geometrische Form des resultierenden Nahtquerschnitts erreicht wird, die in Abhängigkeit von der Stoßart, der lokalen Bauteilabmessungen entlang der Hauptbahn und der resultierenden Eigenspannungen im Bauteil entlang der Hauptbahn vorbestimmt sind, und dass als weiterer Parameter der Radius des Laserstrahls relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes so eingestellt wird, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht d_Naht und Schweißkapillare d_Kapillare bzw. der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet, welche durch die resultierende maximal zulässige Geschwindigkeit der Schmelze, mit der die Ausbildung von Schweißdefekten einsetzt, vorbestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Richtung und Position des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Laserstrahl auf einer Nebenbahn, die dadurch definiert ist, dass sie einen vorbestimmten Abstand zu der Hauptbahn. besitzt, geführt wird, wobei der Abstand der Nebenbahn von der Hauptbahn an der Materialoberfläche und an der Fügekante unterschiedliche Werte aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Richtung und Position des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Laserstrahl auf der Nebenbahn mit der Gestalt eines Doppelkegels mit einem kleinsten Querschnitt und einem Öffnungswinkel bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Querschnitt des Doppelkegels nahe der Oberfläche des Werkstücks liegt und der Öffnungswinkel zusammen mit der Leistung so eingestellt werden, dass die resultierende Breite der Schweißnaht an der Fügekante ihren größten Wert erreicht und gleich dem vorbestimmten tragenden Querschnitt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls eine untere Schranke nicht unterschreitet, die dadurch bestimmt wird, dass der Querschnitt der entstehenden Schweißnaht entlang der Hauptbahn den tragenden Querschnitt erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls eine obere Schranke nicht überschreitet, die dadurch bestimmt wird, dass die Länge der entstehenden Schweißkapillare entlang der Nebenbahn klein im Vergleich zur Breite des Schmelzbades bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerung der Leistung und/oder der Bahngeschwindigkeit entlang der Nebenbahn die Tiefe der Kapillare verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine periodische Steuerung der Leistung entlang der Nebenbahn die Tiefe der Kapillare in Richtung der Hauptbahn und senkrecht zur Richtung der Hauptbahn unterschiedlich große Werte annimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine größte Breite der Schweißnaht bzw. eines Schweißpunkts in einer vorbestimmten Tiefe dadurch erzeugt wird, dass eine Nebenbahn in der Form einer Kurve mit einem oder mehreren Doppelpunkten durchlaufen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein System aus mehreren Materialien (Mehrschichtsystem) mit mindestens drei Schichten bearbeitet wird und die Schweißung nur die oberen zwei Schichten verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schweißen eines T-Stoßes, umfassend einen Flansch und einen Steg, die Leistung und der Öffnungswinkel des Laserstrahls so eingestellt werden, dass die Achse eines Doppelkegels an der Achse des Steges ausgerichtet wird, dass der kleinste Querschnitt des Doppelkegels auf der Oberfläche des Flansches eingestellt wird, dass der Öffnungswinkel so eingestellt wird, dass die Breite des Kegels an der Stirnseite des Steges die gesamte Breite der Fügekante erfasst, und die Leistung so eingestellt werden, dass die Schweißkapillare so tief in das Material eindringt, dass die Fügekante überschritten und das Material des Steges aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf einer Bahn mit veränderlichem Radius an der Fügekante geführt wird, die maximal durch den vollen Öffnungswinkel erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf einer spiralförmigen Bahn an der Fügekante geführt wird, die maximal durch den vollen Öffnungswinkel erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorbestimmter Wert für einen Winkelverzug beim Schweißen erreicht wird, indem der Öffnungswinkel und die Tiefe des engsten Querschnittes eingestellt werden, wobei die Tiefe von der Oberkante des Werkstücks aus gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkelverzug der Wert null Grad annähernd erreicht wird, indem die Tiefe des engsten Querschnitts gleich der halben Materialstärke eingestellt wird und der Öffnungswinkel zunehmend größer eingestellt wird, bis der tatsächliche Winkelverzug, aufgrund von unvermeidbaren Schwankungen der Eigenspannungen im Material, der Material- und Laserparameter einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 in Verbindung mit Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkelverzug ein negativer Wert erreicht wird, indem der Doppelkegel so eingestellt wird, das der engste Querschnitt an der Materialoberfläche liegt und der Öffnungswinkel zunehmend größer eingestellt wird, bis der tatsächliche Winkelverzug den vorbestimmten negativen Wert erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Schweißnaht bzw. der Durchmesser des Schweißpunkts durch eine Taumelbewegung der Richtung des Laserstrahls um einen Punkt in Abhängigheit vom Abstand zur Materialoberfläche eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Schmelzbad nahezu homogen nahe der Schmelztemperatur gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Schmelzbad mit einer vorgegebenen Verteilung eingestellt wird und nur in einer kleinen Umgebung der Schweißkapillare in der Größenordnung des Durchmessers der Schweißkapillare auf größere Werte eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im festen Teil der Schweißnaht hinter dem Schmelzbad mit einer vorgegebenen Verteilung dadurch eingestellt wird, dass der Laserstrahl auf einem Teil der Nebenbahn den rückwärtigen Teil des Schmelzbades heizt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswirkung der Einstellung der Parameter überwacht wird und einzustellende Parameter geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms (Schmelzbads) und die Reflexionen einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle mit einer Kamera aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Mess-Signals genutzt werden, um die tatsächlich resultierende geometrische Form des Schmelzbades sowie zusätzlich die Effizienz der Steuerung zu überwachen.
Verfahren nach Anspruch 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Photodiode aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge l der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Inten sität des Mess-Signals qualitativ durch ein räumlich gemitteltes Signal einer Photodiode erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nebenbahn mehrfach durchlaufen wird und die Bewegung des Laserstrahls mittels optischer Elemente überlagert wird, so dass Schweißnähte bzw. Schweißpunkte mit über die Schweißnahttiefe variabler Schweißnahtbreite erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruche 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodisch durchlaufene Nebenbahn mit einer großen Halbachse in Richtung der Hauptbewegung und mit einer kleinen Halbachse senkrecht dazu versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element ein Galvanometerscanner eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element ein Galvanometerscanner mit diffraktivem optischem Element eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element ein Galvanometerscanner und diffraktive optische Elemente und ein Torusspiegel eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das zu fügende Bauteil gedreht wird, wobei die Drehachse durch die Stelle des Schweißpunktes verläuft und die Laserstrahlachse gegenüber der Bauteiloberfläche geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Laserstrahlachse und Bauteiloberfläche während des Schweißvorgangs variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Nebenbahn eine rotatorische Bewegung des Laserstrahls um die Laserstrahlachse mittels einer oder mehrerer optischer Komponenten vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Komponente ein drehendes Prisma eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Komponente ein drehendes Prisma mit Torusspiegel eingesetzt wird.