DE102007058568B4

DE102007058568B4 - Verfahren zum defektfreien Schweißen metallischer Bauteile mit Elektronen- oder Laserstrahl

Info

Publication number: DE102007058568B4
Application number: DE102007058568A
Authority: DE
Inventors: Gunther GÖBEL; Stefan Schrauber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: DE102007058568A1

Abstract

Verfahren zum defektfreien Schweißen metallischer Bauteile mit Laser- oder Elektronenstrahl, die das Schweißen negativ beeinträchtigende Randschichten, Beschichtungen, Gefügebestandteile oder mit einem Gas gefüllte Poren im Werkstoff aufweisen; bei dem
im I-Stoß miteinander zu verschweißende Bauteileinzelteile so zueinander positioniert werden, wie sie miteinander verschweißt werden sollen, dann in einer Bauteileinspannung gemeinsam fixiert gehalten und mit einem gepulsten Laser- oder Elektronenstrahl, entlang der aneinanderliegenden Fügeflächen ein Werkstoffabtrag, zur Ausbildung von Vertiefungen in Form von Laserbohrlöchern, erfolgt, um Randschichten, Beschichtungen, störende Gefügebestandteile zumindest teilweise zu entfernen oder Poren zu öffnen und im Anschluss daran in derselben Einspannung mit zugeführtem Zusatzwerkstoff und dem Laser- oder Elektronenstrahl eine die Bauteileinzelteile miteinander verbindende Schweißnaht ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum defektfreien Schweißen metallischer Bauteile mit Elektronen- oder Laserstrahl. Dabei soll es sich im Wesentlichen um Bauteile handeln, die Randschichten, Beschichtungen, Gefügebestandteile oder mit einem Gas gefüllte Poren aufweisen, die eine für das Strahlschweißen negative Wirkung haben bzw. auf herkömmliche Art und Weise nicht mit Elektronen- oder Laserstrahlung geschweißt werden können. Auf diese schweißkritischen Bereiche oder Elemente kann aber häufig wegen der an die Bauteile gestellten Anforderungen nicht verzichtet werden.
Die gute Fokussierbarkeit und Strahlqualität solcher Strahlquellen erlaubt die Ausbildung von Schweißnähten mit vergrößertem Aspektverhältnis (Verhältnis Nahttiefe zu -breite), als dies bei herkömmlichen an deren Schweißverfahren der Fall ist. Mit steigendem Aspektverhältnis reduziert sich somit Größe der Zone, in der Werkstoff und gegebenenfalls auch Schweißzusatzwerkstoff aufgeschmolzen wird. Im Gegenzug steigt innerhalb der Fügezone der Einfluss von Randschichten, da deren relatives Volumen im Verhältnis zum Gesamtvolumen der Schweißnaht zunimmt.
Enthält die beim Schweißen gebildete Schmelze chemische Elemente, die die Schweißnahtqualität negativ beeinflussen, oder werden von ihr unter Druck stehende Poren im Grundmaterial aufgeschmolzen, ist dies insbesondere beim Strahlschweißen und hohem Aspektverhältnis kritisch.
Üblicherweise wird daher so vorgegangen, dass solche für das Schweißen unerwünschte(Fertigungs-)Beschichtungen oder Randschichten vor dem mechanischen Fügen der jeweiligen Bauteileinzelteile und demzufolge auch vor dem Verschweißen entfernt werden. Diese bisher zur Ausbildung hochwertiger, defektfreier Schweißnähte unumgängliche Entschichtung kann mittels spanenden, chemischen und/oder thermischen Verfahren erfolgen. Eine weitere Verfahrensgruppe besteht darin, bei hohe Stickstoff- oder Kohlenstoffgehalte (bzw. in Legierungen enthaltenen weiteren Elementen) aufweisenden Randschichten (beispielsweise Nitrocarburier-/Carbonitrierschichten) das Eindringen der jeweiligen Elemente in die fertigungstechnisch notwendigen Fügeflächen zu verhindern. Das kann z. B. durch temperaturunempfindliche kohlenstoff- bzw. stickstoffundurchlässige Schichten erreicht werden, die das Gebiet der Fügezone abdecken. Nachteilig daran ist, dass durch das Aufbringen und Entfernen der abdeckenden Schichten zusätzliche Prozessschritte notwendig sind und die Reproduzierbarkeit nicht immer gegeben ist.
Bei Bauteilen aus Aluminium bereiten im Metall vorhandene Gaseinschlüsse, z. B. häufig Wasserstoff innerhalb von Poren, Probleme. Es kommt dabei durch Anschmelzen der Poren zum explosionsartigen Entweichen des in den Poren konzentrierten Gases. Dadurch wird die ausgebildete Schweißnaht zumindest teilweise geschädigt und weist Defekte auf, da die Schmelze des Schweißbades beim Entweichen des Gases mit herausgeschleudert wird.
Bauteile die pulvermetallurgisch durch Sinterung hergestellt worden sind, lassen sich bisher, wenn überhaupt nur sehr schwer oder mit geringer Qualität miteinander verschweißen. Dabei wirken sich enthaltene Reste von Bindemitteln negativ aus. Wenn diese mit aufgeschmolzen oder erwärmt werden, kann es zu zusätzlicher Porenbildung, Ausgasung oder unerwünschter Legierungsbildung in der Schweißnaht kommen.
Auch Korrosionsschutz-, Verschleißschutzschichten oder auch an der Oberfläche gebildete Oxidschichten sind für das Strahlschweißen hinderlich.
So wurde in JP 05050278 A vorgeschlagen, beim Laserstrahlschweißen von mit Zink beschichteten Platten eine zeitliche Modulation der Laserleistung vorzunehmen. Während eines Laserpulses soll dabei zuerst mit kleiner Leistung das Zink an der Oberfläche verdampft und nachfolgend bei erhöhter Laserleistung die Schweißverbindung hergestellt werden. Dies erfordert eine sehr sorgfältige Optimierung aller Parameter, da die Zinkentfernung den jeweils direkt folgenden Schweißprozess nicht stören darf. Durch den beim Abtragen gebildeten Dampf kann der Schweißprozess je doch behindert werden. Zusätzlich ist eine vollständige Entfernung nicht immer gewährleistet. Ablagerungen können auch nicht vollständig vermieden werden. Aufgrund des schnellen zeitlichen Wechsels von Abtragen und Schweißen kann auch kein größeres glattes Schmelzbad ausgebildet werden, so dass die so hergestellten Schweißnähte keine hohen Anforderungen erfüllen können.
In JP 04251684 A wird eine ähnliche technische Lösung vorgeschlagen, wobei mit zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Leistung und voneinander abweichender Pulslänge gearbeitet werden soll.
Bei diesen beiden bekannten Möglichkeiten kann eine Entfernung der Zinkschicht nur an der Oberfläche und nicht im Bereich des Fügespaltes der miteinander zu verschweißenden Kanten bzw. Fügeflächen erreicht werden.
Ein Verfahren zum Fügen von galvanisierten Stahlbauteilen mit Laserstrahlen ist aus US 6,646,225 B1 bekannt. Dabei sollen überlappend angeordnete Bauteile miteinander verschweißt werden.
Ein ähnlicher Schweißprozess für beschichtete Stahlplatten ist in EP 1 184 126 A2 beschrieben.
Die EP 1 674 191 A2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zwei Bleche umfassenden Blechbauteils, bei der mit einer wärmeempfindlichen Beschichtung versehene Bleche miteinander flächig verschweißt werden sollen.
Aus DE 103 09 157 A1 ist ebenfalls ein Laserschweißverfahren zum Schweißen beschichteter Platten be kannt.
Das US 7,253,377 B2 betrifft ein Verfahren zum Schweißen von sich überlappenden Teilen.
In DE 43 28 516 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Stoßverbänden zweier Profilstäbe aus Metall, die insbesondere aus Aluminium hergestellt sein können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Aufwand für die Schweißnahtvorbereitung beim Elektronen- oder Laserstrahlschweißen metallischer Bauteile, die Randschichten, Beschichtungen, Gefügebestandteile oder mit einem Gas gefüllte Poren im Werkstoff aufweisen, die nicht zum Schweißen mit der Strahlung geeignet sind, zu reduzieren und die Qualität der ausgebildeten Schweißverbindung zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen kann die Erfindung vorteilhaft weitergebildet und ausgestaltet werden.
Bei der Erfindung wird so vorgegangen, dass zu fügen de Bauteil-Einzelteile gemeinsam in eine Bauteileinspannung eingesetzt und durch diese in der für die vorgesehene Verbindung notwendigen Anordnung und Position so fixiert gehalten werden, wie sie miteinander im I-Stoß verschweißt werden sollen.
Dann wird ein gepulster Elektronen- oder Laserstrahl über die Fügezone, in deren Bereich nachfolgend die Schweißnaht ausgebildet werden soll, geführt. Dadurch wird zumindest in kritischen Bereichen um und entlang der bereits aneinanderliegenden Fügeflächen der Bauteile, in denen Schichten, Gefüge oder gasgefüllte Poren vorhanden sind, ein lokaler Werkstoffabtrag durchgeführt. Die durch die Einkopplung des Elektronen- oder Laserstrahls gebildete Schmelze kann durch entweichendes Gas oder gebildeten Dampf und durch den gepulsten Betrieb des Strahls ausgetrieben und damit abgetragen werden. Die abgetragenen Volumina bilden Vertiefungen in Form von Laserbohrlöchern aus.
Insbesondere Beschichtungen können durch Sublimation/Verdampfung entfernt werden.
Das abgetragene Volumen hängt dabei von der eingebrachten Strahlleistung bzw. Energie der Pulse und der zeitlichen Energieverteilung pro Puls ab. Weiterhin wird die Form und Größe der abgetragenen Volumina maßgeblich von den Eigenschaften des auf dem Bauteil auftreffenden Strahls bestimmt, primär dem Strahldurchmesser, der Strahldivergenz und der Leistungsverteilung im Strahl. Durch geeignete Wahl dieser Strahlparameter kann damit die Tiefe und Innendruchmesser der Volumina eingestellt werden.
Die abgetragenen Einzel-Volumina sollten eine Tiefe, ausgehend von der Oberfläche der Bauteileinzelteile aufweisen, die zumindest nahezu der Tiefe der nachfolgend noch auszubildenden Schweißnaht entspricht. Die Tiefe der abgetragenen Volumina sollte dabei aber mindestens 75% der Tiefe der Schweißnaht aufweisen.
Die abgetragenen Einzel-Volumina können dabei nebeneinander angeordnet und voneinander durch Stege getrennt sein. Möglichst viele Volumina sollten dabei eng nebeneinander angeordnet sein, so dass die Stege dazwischen eine geringe Wandstärke aufweisen. Dabei sollte eine mechanische Festigkeit eingehalten werden, die ausreicht, dass die Bauteileinzelteile in der Bauteileinspannung in definierter Anordnung während der gesamten Bearbeitung gehalten sind, wenn die Ausrichtung der Bauteileinzelteile primär über die Fügefläche vorgesehen ist. Auch eine vollständige Überlappung der Volumina ist möglich, wenn die geometrische Zuordnung der Fügepartner anderweitig gewährleistet wird.
In vorteilhafter Weise werden abgetragene Volumina in einer Matrix-Anordnung mehrerer Reihen und Spalten ausgebildet, die auch versetzt zueinander angeordnet sein und ein entsprechendes Lochmuster bilden können. Dann weisen Stege zwischen den abgetragenen Volumina eine wechselnde Ausrichtung auf. Bei einer regelmäßigen Anordnung der abgetragenen Volumina in Reihen und Spalten können Stege eine nahezu gerade Linie bilden. In beiden Fällen kann so Einfluss auf die erreichbare mechanische Festigkeit im Fügebereich vor dem eigentlichen Schweißen genommen werden.
Die Abstände der nebeneinander angeordneten abgetragenen Volumina ergeben sich aus dem Verhältnis von Pulsfrequenz des Strahls zur Relativbewegung zwischen Strahl und Bauteil.
Um die für die Ausbildung der abgetragenen Volumina erforderliche Bearbeitungszeit zu minimieren ist es günstig, den Elektronen- oder Laserstrahl neben einer Vorschubbewegung auch zweidimensional auszulenken, was beispielsweise mittels Laserstrahlscaneinrichtungen möglich ist. Zusätzlich kann auch eine Anpassung der Brennweite/Strahlkaustik mit der Fokussieroptik vorgenommen werden.
Es kann ein Hochleistungsfaser- oder Hochleistungsscheibenlaser, als Beispiele für besonders geeignete Festkörperlaser eingesetzt werden. Diese sollten ein Strahlparameterprodukt kleiner als 5 mm·mrad aufweisen.
Insbesondere dadurch lassen sich sehr filigrane Einzel-Volumina, die kleine Innendurchmesser aufweisen und sehr nah nebeneinander angeordnet sind, abtragen. Dies ist vorteilhaft, wenn im Werkstoff Poren vorhanden sind, deren Gasinhalt unter Überdruck steht und deren Aufschmelzen zum explosionsartigen Auswerfen der Schmelze führt. Wird der oben beschriebene Abtragsprozess eingesetzt, wird auch in derartigen porenbehafteten Werkstoffen ein definierter Volumenabtrag erreicht, da das mit den Einzelpulsen aufgeschmolzene Volumen unabhängig von der porenbedingten Gasentspannung entfernt wird. Über eine untereinander ausreichend nahe Anordnung der abgetragenen Einzel-Volumina entlang der Fügezone kann weiterhin sichergestellt werden, dass der Gas-Überdruck aller Poren in diesem Bereich entspannt wird und so ein unerwünschter Schmelzauswurf im nachfolgenden Schweißprozess vermieden wird.
Nach einem solchen Werkstoffabtrag, bei dem Randschichten, Beschichtungen, Gefügebestandteile zumindest teilweise entfernt oder Poren geöffnet worden sind, wird in derselben Einspannung mit zugeführtem Zusatzwerkstoff und dem Laser- oder Elektronenstrahl die die Bauteileinzelteile miteinander verbindende Schweißnaht ausgebildet.
Dabei wird die Schweißnaht so ausgebildet, dass sie über die gesamte Schweißnahttiefe breiter ist, als die jeweilige Breite des vorher abgetragenen Bereichs, um Bindefehler zu vermeiden. Außerdem sollten mit dem Zusatzwerkstoff in der Schweißnaht die vorab durch die abgetragenen Volumina aufgetretenen Werkstoffvolumenverluste kompensiert werden.
Bei der Erfindung ist es möglich, für die Ausbildung der abgetragenen Volumina und der Schweißnaht dieselbe Strahlquelle einzusetzen, was die Kosten reduziert.
Im Gegensatz zur Vorgehensweise beim Abtragen der Volumina kann es im nachfolgenden Schweißprozess günstig sein, den Strahl kontinuierlich, also im cw-Mode zu betreiben.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann auch so vorgegangen werden, dass abschnittsweise entlang einer Fügelinie Volumina abgetragen werden und dann intermittierend in einem Abschnitt, in dem bereits Volumina abgetragen wurden, die Schweißnaht ausgebildet wird und nachfolgend dann in einem anderen Abschnitt Volumina abgetragen und eine Schweißnaht eingebracht wird.
Bei der Ausbildung der Schweißnaht kann unter Berücksichtigung des durch die abgetragenen Volumina bedingten Werkstoff-Fehlvolumens und der gewünschten Schweißnahtgeometrie und -dimensionierung mit den Parametern des Strahls sowie des Prozesses Einfluss auf Schweißergebnis genommen werden. Die primären Einflussfaktoren sind: die Strahlleistung, der Brennfleckdurchmesser und die Strahldivergenz, die Fokuslage und, falls ein Pulsregime für die Ausführung der Schweißnaht verwendet wird, die bereits bei der Beschreibung des Abtragsprozesses genannten Pulsparameter. Weiterhin wird das Schweißergebnis durch die Vorschubgeschwindigkeit beim Schweißen, dem Typ/Werkstoff und Durchmesser des zugeführten Zusatzwerkstoffs und dessen Vorschubgeschwindigkeit bestimmt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren bestehen keine Einschränkungen bzgl. der Schweißposition und Bauteilgeometrie. Es können beispielsweise Axialrundnähte oder Radialrundnähte ausgebildet bzw. beliebig gekrümmte Bleche im I-Stoß geschweißt werden.
Während der Bearbeitung muss die Einspannung der Bauteileinzelteile weder verändert noch nach einer vorab durchzuführenden Schweißnahtvorbereitung erst vorgenommen werden. Die Einspannung und Sicherstellung der Relativposition der Bauteile zueinander kann durch kraft- und/oder formschlüssige Verbindung, z. B. eine Presspassung erreicht werden.
Die Fertigungszeit und der erforderliche Aufwand können gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden, da keine gesonderten Verfahrensschritte oder Anlagentechnik erforderlich sind. Bei den be kannten technischen Lösungen sind zusätzliche technologisch unterschiedliche Verfahrensschritte erforderlich, die zum Teil außerhalb der Laserbearbeitungsanlage durchgeführt werden müssen.
Beschichtungen mit Korrosionsschutzmitteln (z. B. Fett, Öl), Kühlschmierstoffen, Kunststoffen (Lack, Farbe) oder Oxidschichten können mit der Erfindung ebenfalls ohne zusätzliche Maßnahmen und dabei lediglich in kritischen Bereichen selektiv entfernt werden. So kann auch ein nachteiliger Einfluss von Oxidschichten auf z. B. Fe, Mg oder Al sowie von Verschmutzungen auf der Oberfläche beim Schweißen reduziert werden.
Andere anorganische Beschichtungen, wie Brünierungen, Eloxalschichten, eine Phosphatierung oder metallischen Schichten bereiten bei Einsatz der Erfindung keine Probleme und beeinträchtigen die Qualität der hergestellten Schweißverbindung nicht.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Schliffbild einer Schweißnaht, wie sie nach dem Stand der Technik (mechanischer Abtrag der entsprechenden Schichten vor dem Schweißprozess durch Drehen) ausgebildet worden ist;
2 ein Schliffbild einer Schweißnaht, wie sie mit Zusatzwerkstoff ausgebildet worden ist, wenn kein mechanischer Abtrag der Randschicht in der Fügezone erfolgt ist;
3 eine Oberflächenaufnahme einer Schweißnaht, die mit den Parametern des Beispiels nach 2 ausgebildet ist und
4 ein Schliffbild einer Schweißnaht, die erfindungsgemäß ausgebildet worden ist.
Ein Rohr aus dem Werkstoff St52-3 und eine Schmiedeteil aus 16MnCr5 als Bauteileinzelteile sollen durch Laserstrahlschweißen im I-Stoß miteinander verbunden werden. Die Tiefe der Naht soll dabei mindestens 1,8 mm betragen, was der Rohrwandstärke entspricht. Der Rohrdurchmesser liegt bei 35 mm. Das Rohr ist an der gesamten Oberfläche nitriert. Seine Randschicht enthält also äußerlich eine stickstoffangereicherte Zone (Verbindungsgschicht) mit stark erhöhtem Stickstoffgehalt. Zum Schweißen wird Laserstrahlung hoher Strahlqualität, die von einem Faserlaser emittiert wird, eingesetzt. Die Positionierung und Fixierung der Bauteileinzelteile ist entsprechend der gewünschten Schweißnahtgeometrie zu berücksichtigen. Beim Beispiel wurde eine Presspassung zwischen Rohr und Schmiedeteil eingesetzt.
Für Referenzschweißungen ohne erfindungsgemäßen Werkstoffabtrag in kritischen Bereichen wurde das Rohr an der jeweiligen Stirnfläche durch Überdrehen spanend bearbeitet, so dass die einen hohen Stickstoffanteil aufweisende Randschicht dort entfernt wurde. Lediglich die Innen- und Außenflächen des Rohres bleiben nitriert. Erwartungsgemäß konnte eine fast porenfreie Schweißnaht erzeugt werden. Eine geringe Porosität am Kopf der Schweißnaht ist auf den Einfluss der dort noch verbliebenen restlichen stickstoffhaltigen Schicht zurückzuführen (s. 1).
Wird die Nitrierschicht jedoch nicht entfernt und werden diese Bauteileinzelteile mit einem herkömmlichen Laserstrahlschweißprozess unter Zugabe eines Zusatzwerkstoffes gefügt, treten große Poren in der Schweißnaht auf, die durch die ausgasende Stickstoffverbindungsschicht in der Randschicht des nitrierten Rohres entstehen, wie dies in den 2 und 3 gezeigt ist.
Die alleinige Zugabe von Zusatzwerkstoff ist somit nicht zielführend, da der in der Fügezone freigesetzte Stickstoff darin nicht vollständig abgebunden werden kann.
Für die erfindungsgemäße Kombination des lokal im Bereich der Fügefläche vorgenommenen Werkstoffabtrags, bevorzugt durch die Ausbildung von abgetragenen Volumina, wurde ein Faserlaser mit einer maximalen Ausgangsleistung von 4 kW eingesetzt. Der Faserdurchmesser beträgt 50 μm und die Strahlqualität dieser Strahlquelle liegt bei ca. 2 mm·mrad. Die für die Teilprozesse des Verfahrens eingesetzten optischen Elemente und Prozessparameter sind in u. g. Übersicht aufgelistet.
Der erfindungsgemäß durchzuführende Werkstoffabtrag im Bereich der Fügeflächen und im Randschichtvolumen kann mit einer Relativbewegung von Laserstrahl und den in der Einspannung fixierten und positionierten Bauteileinzelteilen durchgeführt werden. Im Beispiel wird eine rotatorische Bewegung um Winkel α_P mit der Vorschub-Geschwindigkeit v_P eingesetzt, bei einer maximalen Laserleistung von P_LP und einer Pulsfrequenz f_P, wobei der „Laser an”-Zeitanteil je Puls (das sogenannte Tastverhältnis) bei T_V lag. Die Brennpunktlage des Laserstrahls wurde dabei im Abstand z_f über der Oberfläche des Bauteils positioniert, die Brennweite der Fokussierlinse betrug l_F.
Bei der Beispielanwendung ist eine Mindestbreite der durch den Werkstoffabtrag mit gepulster Strahlung ausgebildeten Fuge erforderlich, um die nachfolgende Einbringung von Zusatzwerkstoff über die gesamte Fugentiefe sicher zu stellen. Dazu wurde während der Ausbildung der abgetragenen Volumina der rotatorischen eine translatorische Bewegung mit einem Gesamtvorschub D überlagert. Idealisiert kann diese kombinierte Verfahrbewegung als Schraubenlinie aufgefasst werden.
Mit Hilfe des eben genannten gezielten lokalen Werkstoffabtrags aus sich geometrisch partiell überlagernden abgetragenen Einzelvolumina wurde entlang des Bauteilumfangs einerseits der Stickstoffanteil im Fügebereich reduziert und gleichzeitig das erforderliche freie Volumen für den nachfolgend einzusetzenden Zusatzwerkstoff geschaffen.

Der dem ersten Prozessschritt mit Werkstoffabtrag nachfolgende zweite Prozessschritt zur Ausbildung der eigentlichen Schweißnaht wurde mit derselben Laserstrahlquelle und mit Zufuhr von Zusatzwerkstoff durchgeführt. Dabei kann mit dem Zusatzwerkstoff der noch verbliebene Anteil an Stickstoff im Schmelzbad abgebunden und der durch Ausbildung von Vertiefungen aufgetretene Werkstoffverlust ausgeglichen werden. Der Zusatzwerkstoff aus NiCr30Fe9 (Werkstoff-Nr. 2.4642) wurde als Draht mit dem Durchmesser d_D und der Geschwindigkeit v_D zugeführt. 1. Prozessschritt – Werkstoffabtrag mit gepulster Laserstrahlung –

Strahlparameterprodukt	2 mm·mrad
Kollimationsbrennweite	120 mm
Fokussierbrennweite l_f	500 mm
Brennpunktlage f_ZP	4 mm
Brennpunktdurchmesser	210 μm
Oberflächengeschwindigkeit v_P	12 m/min
Laserleistung P_LP	2,5 kW
Drehwinkel α_P	1440° (4 × 360°)
Drift D	0,25 mm/360°
Pulsfrequenz f_P	500 Hz
Tastverhältnis T_V	50%
Kein Schutzgas

Folgende Parameter sind für die Ausbildung der Verbindung durch Schweißen des nitrierten Rohres mit dem Schmiedeteil gewählt worden: 2. Prozesschritt – Ausbildung der Schweißnaht –

Strahlparameterprodukt	2 mm·mrad
Kollimationsbrennweite	120 mm
Fokussierbrennweite l_f	500 mm
Brennpunktdurchmesser	210 μm
Brennpunktlage f_ZS	0 mm
Vorschubgeschwindigkeit v_S	1 m/min
Laserleistung P_LS	1 kW
Drehwinkel α_S	380°
d_D	0,8 mm
v_D	0,7 m/min
Schutzgas	He
Schutzgasvolumenstrom	20 l/min
Stellung der Gasdüse	45°, schleppend
Art der Gasdüse	Rohr d = 6 mm

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine geschlossene Schweißnahtoberfläche erreichbar. Die Anzahl von Poren und der Porengröße in der Schweißnaht ist deutlich verringert und die Naht ist rissfrei. 4 zeigt ein Schliffbild einer so hergestellten Schweißnaht. Die Tiefe der abgetragenen Volumina wurde im vorliegenden Beispiel etwas größer gewählt, als die tatsächlich erforderliche Tiefe der Schweißnaht, um einen Werkstoffabtrag der stickstoffhaltigen Randschicht auch in der Nähe der Schweißnahtwurzel sicherzustellen. Die vorab abgetragenen Volumina sind daher noch unterhalb der Schweißnaht als Hohlräume sichtbar, was jedoch keinen Nachteil für die Funktionalität des Bauteils darstellt.

Claims

Verfahren zum defektfreien Schweißen metallischer Bauteile mit Laser- oder Elektronenstrahl, die das Schweißen negativ beeinträchtigende Randschichten, Beschichtungen, Gefügebestandteile oder mit einem Gas gefüllte Poren im Werkstoff aufweisen; bei dem im I-Stoß miteinander zu verschweißende Bauteileinzelteile so zueinander positioniert werden, wie sie miteinander verschweißt werden sollen, dann in einer Bauteileinspannung gemeinsam fixiert gehalten und mit einem gepulsten Laser- oder Elektronenstrahl, entlang der aneinanderliegenden Fügeflächen ein Werkstoffabtrag, zur Ausbildung von Vertiefungen in Form von Laserbohrlöchern, erfolgt, um Randschichten, Beschichtungen, störende Gefügebestandteile zumindest teilweise zu entfernen oder Poren zu öffnen und im Anschluss daran in derselben Einspannung mit zugeführtem Zusatzwerkstoff und dem Laser- oder Elektronenstrahl eine die Bauteileinzelteile miteinander verbindende Schweißnaht ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem gepulst betriebenen Laser- oder Elektronenstrahl der Werkstoffabtrag so durchgeführt wird, dass die Tiefe der abgetragenen Volumina zumindest nahezu der Tiefe der auszubildenden Schweißnaht entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffabtrag so durchgeführt wird, dass einzelne Vertiefungen ausgebildet werden, die durch Stege voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen so dimensioniert und angeordnet werden, dass bei Ausrichtung der Bauteileinzelteile primär über die Fügeflächen, mittels der Stege eine mechanische Festigkeit der Bauteileinzelteile gegeben ist, die eine definierte Anordnung der Bauteileinzelteile in der Bauteileinspannung gewährleistet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteileinzelteile mit einem Laser- oder Elektronenstrahl und zugeführten Zusatzwerkstoff so miteinander verschweißt werden, dass eine Schweißnaht ausgebildet wird, die über die gesamte Schweißnahttiefe breiter ist als die Zone der vorab abgetragenen Volumina.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zugeführten Zusatzwerkstoff die vorab durch die Ausbildung der abgetragenen Volumina aufgetretenen Werkstoffvolumenverluste kompensiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen in einer Matrix-Anordnung mehrerer Reihen und Spalten ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abtragen der Laser- oder Elektronenstrahl zweidimensional ausgelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden der Vertiefungen und der Schweißnaht dieselbe Strahlquelle eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochleistungsfaser- oder Hochleistungsscheibenlaser mit einem Strahlparameterprodukt kleiner als 5 mm·mrad eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl bei der Ausbildung der Schweißnaht kontinuierlich (cw-Mode) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen von Werkstoff und die Ausbildung der Schweißnaht abschnittsweise entlang der Fügelinie intermittierend durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Fügefläche Randschichten, Beschichtungen, Gefügebestandteile bis auf den Bereich von Stegen zwischen Vertiefungen vollständig entfernt oder mit einem Gas gefüllte Poren geöffnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Fügefläche ein Werkstoffabtrag so erfolgt, dass mindestens 40% bis maximal 90% des Werkstoffs entfernt werden.