DE102008022142B3 - Method for welding of aluminum diecast articles connected with one another along a joining zone of its contact zone, by subjecting thermal energy to pulsed focused laser radiation in the zone on two primary and secondary beam spots - Google Patents

Method for welding of aluminum diecast articles connected with one another along a joining zone of its contact zone, by subjecting thermal energy to pulsed focused laser radiation in the zone on two primary and secondary beam spots Download PDF

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Abstract

The method comprises subjecting thermal energy to pulsed focused laser radiation in a joining zone on two primary and secondary beam spots distanced along the joining zone. Both beam spots are obtained from a pulsed laser source by a bifocal optic. The primarily influential beam spot is detected energetically for melting. The primary beam spot is detected for outgasing of pollutants coming from casting process and/or for removing oxide- and dirt deposits. The primary beam spot is detected energetically for homogenizing and smoothing of the joining zone. The method comprises subjecting thermal energy to pulsed focused laser radiation in a joining zone on two primary and secondary beam spots distanced along the joining zone. Both beam spots are obtained from a pulsed laser source by a bifocal optic. The primarily influential beam spot is detected energetically for melting. The primary beam spot is detected for outgasing of pollutants coming from casting process and/or for removing oxide- and dirt deposits. The primary beam spot is detected energetically for homogenizing and smoothing of the joining zone. The pulse energy of the laser source is divided to both beam spots, which have similar cross-section geometry. A resulting average power in the order of 10% of the average power of a continuous wave-laser source detected for combination welding is subjected over the beam spots. The beam spots are subjected without mutual overlapping along the contact area of the joining zone. The middle point of the beam spots is arranged around the daul of its middle diameters staggered against each other on the contact area.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Aluminiumteilen.The The invention relates to a method for welding aluminum parts.

Das im Apparatebau und in der Kraftfahrzeugfertigung anzutreffende Schweißen mit CO2- oder mit Nd:YAG-CW-Lasern liefert im Gegensatz zum Pulsbetrieb einen schnellen Durchsatz an Schweißnähten in den Berührungsbereichen, also der Fügezone der etwa auf Stoß, also seitlich gegeneinander anliegend, oder überlappend miteinander zu verbindenden Teile; es hat sich aber zum Verschweißen von Aluminium-Druckgussteilen miteinander ohne Schweißzusatzmaterial als ungeeignet erwiesen. Denn die laserinduzierte Schmelze führt bei Aluminium im Verbindungsbereich bei dessen Abkühlen zu abträglichen Fehlstellen wie Porenbildung, inneren Spannungen und Auswürfen, die dann längs der Schweißnaht verbleiben und diese unansehnlich sowie anfällig gegen Kerbspannungen machen.The Welding involved in apparatus construction and in automobile production CO2 or with Nd: YAG CW lasers In contrast to pulsed operation, it provides a fast throughput of welds in the touch areas, So the joining zone the about on push, So laterally against each other fitting, or overlapping to connect with each other parts; but it has to welding aluminum die castings with each other without welding filler proved unsuitable. Because the laser-induced melt leads to aluminum in the connection area as it cools to detrimental Defects such as pore formation, internal stresses and ejections, the then along the Weld remain unsightly and prone to notch stress.

Das gilt im Ergebnis auch, wenn mit zwei einander in Richtung der Schweißnaht oder quer dazu überlappenden oder auch nur in Bearbeitungsrichtung unmittelbar benachbarten Strahlflecken geschweißt wird, wie sie etwa als Twinfokus nach DE 43 08 314 C2 , mittels einer Bifokaloptik aus einem Laserstrahl oder mittels zweier relativ zueinander entsprechend ausgerichteter Laserquellen erzeugt werden können. Dabei werden die beiden Foki, wenn sich deren Strahlflecken nicht ohnehin überlappen, doch wenigstens so eng einander benachbart, dass sie eine gemeinsame vergrößerte Schmelzzone erbringen (IFSW „Vom Doppelfokus zur Fokusmatrix” in DE-Z Laser Magazin 4/2004), und damit eine aufgeweitete gemeinsame Dampfkapillare, um in der Schweißzone Druckerhöhungen möglichst zu verhindern, die sonst zu Poren und Auswürfen führen (F. Dausinger „Prozessverständnis als Grundlage der Verfahrensentwicklung” in DE-Z SLT'03, Seiten 65ff, 67 Mitte). Angesichts des bei Aluminium niedrigen Absorptionsgrades für Laserstrahlung und des guten Wärmelableitvermögens verringert allerdings das Einbringen der für ein Flüssighalten des Schmelzbades erforderlichen Wärmemenge über die infolge des Doppelfokus vergrößerte Fläche die Prozess-Stabilität und -Geschwindigkeit ganz erheblich, dazu noch bei unerwünschter, zum Durchhängen neigender Verbreiterung der Schweißnaht und bei Tendenzen zum Verwölben der daran seitlich sich anschießenden Materialbereiche.This also applies as a result if welding is carried out with two beam spots which overlap one another in the direction of the weld seam or transversely thereto or which are also immediately adjacent in the machining direction, such as, for example, as a twin focus DE 43 08 314 C2 , Can be generated by a bifocal optics from a laser beam or by means of two relatively aligned laser sources. The two foci, if their beam spots do not overlap anyway, but at least as closely adjacent to each other, that they provide a common enlarged melting zone (IFSW "from double focus to focus matrix" in DE-Z Laser Magazine 4/2004), and thus a Expanded common vapor capillary, in order to prevent as much as possible in the weld zone pressure increases, which would otherwise lead to pores and ejection (F. Dausinger "Process understanding as the basis of process development" in DE-Z SLT'03, pages 65ff, 67 center). However, given the low laser absorbance and low heat deflection capability of aluminum, introducing the amount of heat required to hold the molten bath liquid down over the increased area due to the double focus significantly reduces process stability and speed, as well as undesirable sagging broadening the weld seam and tendencies to buckling the material areas laterally adjacent to it.

Auch aus der US 2003/0121895 A1 ist das Aufspalten des Laserstrahles einer gepulsten Quelle in zwei einander beiderseits des Verlaufes der Fügezone von Aluminiumteilen unmittelbar benachbarte Foci bekannt, die ein quer zum Verlauf der Fügezone verbreitertes Schmelzbad aufheizen. Dadurch soll im Zuge des Fortschreitens des Schweißvorganges insbesondere ein Abweichen vom Nahtverlauf in Kurvenbereichen vermieden werden.Also from the US 2003/0121895 A1 is the splitting of the laser beam of a pulsed source in two on either side of the course of the joining zone of aluminum parts immediately adjacent foci known to heat a broadened transverse to the course of the joining zone melt pool. This should be avoided in the course of the progress of the welding process in particular a deviation from the seam in the curve areas.

Nach der US 2005/0028897 A1 ist vorgesehen, zum Zusammenschweißen etwa von Aluminiumlegierungen der Einwirkung eines Dauerstrich-Hauptlasers für die Schmelzzone die Einwirkung wenigstens eines gepulsten Lasers derart dicht nachfolgen zu lassen, dass der schon teigige rückwärtige Bereich der voranschreitenden Schmelzzone durch Nachheizen an zu raschem weiterem Abkühlen gehindert wird. Das soll Rissbildungen im Fügezonenverlauf verhindern. Im Gegensatz zu diesen Maßnahmen wird nach der DE 41 18 791 A1 vorgesehen, zusätzlich zum Dauerstrich-Laserstrahl einen gepulsten Laserstrahl auf die Schweißzone oder unmittelbar davor einwirken zu lassen. Dadurch soll, auch nach Maschinenstillsand oder bei Kurvenverläufen der Fügezone, sichergestellt werden, dass das für die Einkopplung des Dauerstrich-Lasers erforderliche Plasma stets zur Verfügung steht.After US 2005/0028897 A1 It is envisaged, for welding together such as aluminum alloys of the action of a continuous wave main laser for the molten zone to follow the action of at least one pulsed laser so closely that the already doughy rear region of the advancing fusion zone is prevented by reheating to rapid further cooling. This should prevent cracking in the joining zone. In contrast to these measures, after the DE 41 18 791 A1 provided, in addition to the continuous wave laser beam, a pulsed laser beam to act on the weld zone or immediately before. This is to ensure, even after Maschinenstillsand or curves of the joint zone, that the time required for the coupling of the continuous wave laser plasma is always available.

Für hochwertige schmale Schweißnähte bei überlappend oder auf Stoß akkurat nebeneinander zu verbindenden Aluminiumteilen, insbesondere solchen im Aluminiumdruckguss hergestellten Teilen, wird aber für die Belange der Praxis auf das Elektronenstahlschweißen zurückgegriffen; was allerdings einen erheblichen apparativen Aufwand bedingt, da es nur im Vakuum erfolgen kann.For high quality narrow welds when overlapping or accurate on push adjacent to each other to be joined aluminum parts, especially those made in die-cast aluminum parts, but will be for the concerns the practice relied on electron-beam welding; but what a requires considerable expenditure on equipment, since it is done only in a vacuum can.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, mittels Laserschweißens auf wirtschaftlichere Weise zwischen Alumi niumteilen, und insbesondere zwischen im Druckguss gefertigten Aluminiumteilen, visuell und mechanisch hochwertigere Schweißnähte zu erzielen.In Recognition of these facts is the present invention based on technical problem, by laser welding on more economical way between Alumi niumteilen, and in particular between die-cast aluminum parts, visually and mechanically to achieve higher quality welds.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Danach stellt sich das angestrebte Ergebnis überraschenderweise dadurch ein, dass mit dem gegenüber Dauerstrichbetrieb wesentlich geringeren Energieeintrag des Pulsbetriebes geschweißt wird, aber die Fügestelle bzw. deren Aufeinanderfolge, also die Schweißnaht von fokussierten Strahlflecken in gerade solcher Abfolge zweimal nacheinander beaufschlagt wird, dass noch kein Zusammenlaufen deren Schmelzzonen eintritt, sondern infolge jeweils gezielt nur lokaler Erwärmung zwei eng begrenzte Schmelzbäder dicht aber zueinander distanziert aufeinanderfolgend entlang der stoßenden oder überlappenden Fügezone auftreten.These Task is inventively by the solved in the main claim specified essential features. After that the desired result surprisingly results one that with the opposite Continuous wave operation significantly lower energy input of pulse operation is welded, but the joint or their sequence, ie the weld of focused beam spots is applied twice in succession in such a sequence, that no convergence of their melting zones occurs, but as a result of targeted only local heating two tightly bound melt baths tight but distanced to each other consecutively along the abutting or overlapping joint zone occur.

Das kann mittels zweier gepulster Laserquellen in entsprechender Folgesteuerung erfolgen, besser jedoch unter Einsatz nur einer impulsmodulierbaren Laserquelle mit einer derart ausgelegten Bifokallinse, dass der Mittenabstand der beiden in Schweißrichtung aufeinanderfolgenden Strahlflecken der nachfolgend so genannten Primär- und Sekundärstrahlen etwa knapp das Doppelte deren mittleren Durchmesser beträgt; so dass in der Aufeinanderfolge längs einer Schweißnaht zwischen zwei Strahlflecken im wesentlichen gleicher Querschnittsgeometrie und gleichen Energieinhaltes ein lichter Abstand in der Größenordnung von knapp deren mittlerem Durchmesser verbleibt.This can be done by means of two pulsed laser sources in a corresponding sequence control, better, however, using only a pulse-modulated laser source with such a designed bifocal lens that the center distance of the two in sweat Direction successive beam spots of the so-called primary and secondary beams is about just under twice their mean diameter; so that in the sequence along a weld between two beam spots of substantially the same cross-sectional geometry and the same energy content remains a clear distance in the order of just below the mean diameter.

Während sich bei bisher verwendeten CW-Schweißlasern in der Regel ab etwa 4 kW Laserleistung die hinter einer Bifokaloptik auf jede der beiden ineinander übergehenden Strahlflecken, also Schweißzonen entfallenden Teilleistungen auf etwa 2 kW Leistung pro Strahlfleck halbiert, beträgt bei der erfindungsgemäßen Lösung mit gepulstem Schweißlaser die ins Werkstück eingebrachte mittlere Leistung nur etwa 10% davon, nämlich in der Größenordnung von 200 bis 250 Watt für jeden der beiden, nun außerdem zueinander distanzierten, Strahlflecken.While in previously used CW welding lasers usually from about 4 kW of laser power behind a bifocal optic on each of the two merging into each other Beam spots, ie welding zones attributable partial services to about 2 kW power per beam spot halved, is in the inventive solution with pulsed welding laser into the workpiece introduced average power only about 10% of it, namely in of the order of magnitude from 200 to 250 watts for each one, now as well Distanced to each other, beam spots.

Das reicht üblicherweise zum Verflüssigen des Aluminium von miteinander zu verbindenden Teilen in derem auf Stoß oder überlappend zu verbindendem Berührungsbereich aus; dementsprechend gegenüber Dauerstrichbeaufschlagung vermindert ist aber der aus der lokalen Erwärmung resultierende Plasmadruck, was im Strahlfleck, also in der Schmelzzone des Primärstrahles und somit längs der Schweißnaht, gegenüber den Erscheinungen bei dem höheren Energieeintrag mit Dauerstrich-Laserquellen, zu wesentlich geringeren Hohlräumen und Auswürfen führt. Von diesem Primärstrahl werden Ausgasungen von aus einem vorangegangenen Gießprozess herrührenden Verunreinigungen wie insbesondere Wasserstoff, Stickstoff, Luft, Methan, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd bewirkt. Dadurch verbleibt der Schweißbereich arm an Ausgasungen und Aufwürfen, also viel ruhiger, und ohne die Homogenität der Schweißnaht beeinträchtigende Oxid- und Schmutzablagerungen, wenn der alsbald nachfolgende Sekundärstrahl, also der sekundäre Strahlfleck oder Schweißpunkt auf die Fügezone mit diesem noch erwärmten Nahtbereich trifft, um mit gleicher mittlerer Laserleistung aber wegen der Vorerwärmung unter entsprechend verbesserter Energieabsorption die so vorbereitete Schweißnaht gleich danach zu homogenisieren und zu glätten.The usually enough for liquefying the Aluminum of parts to be joined together in one on impact or overlapping to be connected contact area out; accordingly Continuous exposure is reduced but that from the local warming resulting plasma pressure, which in the beam spot, ie in the melting zone of the primary beam and thus along the weld, across from the appearances at the higher Energy input with continuous wave laser sources, to much lower cavities and throwing out leads. From this primary beam are outgassing from a previous casting process stemming Impurities such as in particular hydrogen, nitrogen, air, Methane, carbon dioxide and carbon monoxide causes. This leaves the welding area poor in outgassing and thawing, So much quieter, and without affecting the homogeneity of the weld Oxide and dirt deposits, when the immediately following secondary beam, So the secondary Beam spot or spot weld on the joining zone with this still warmed up Seam area meets with equal mean laser power but because of preheating under accordingly improved energy absorption the thus prepared Weld immediately after homogenizing and smoothing.

Das erbringt bei erhöhter Prozessgeschwindigkeit und unter Verwendung von kostengünstig verfügbarem Stickstoff als Schutzgas eine optisch einwandfreie Schweißnaht, deren Kerbfestigkeit sogar deutlich höher als die einer mittels Elektronenstrahlschweißens im Vakuum erreichbaren ist. Bei dünnen miteinander zu verschweißenden Teilen ist außerdem die an sich, infolge geringer Viskosität der Schmelze, anzutreffende Gefahr eines Durch fallen der Schmelze durch die Fügestelle nun überwunden, nämlich infolge der distanziert aufeinanderfolgenden beiden Schweißflecke mit jeweils wesentlich reduziertem Energieeintrag.The yields at elevated Process speed and using inexpensive available nitrogen as shielding gas a visually perfect weld whose notch strength even much higher than those achievable by vacuum electron beam welding is. When thin with each other to be welded Sharing is as well which in itself, due to low viscosity of the melt, encountered Danger of a melt falling through the joint now overcome, namely as a result the distanced successive two sweat stains each with a significantly reduced energy input.

Entscheidend ist, dass – zu Minimierem des resultierenden Energieeintrags gegenüber Laser-Dauerstrichschweißen – zwei geometrisch, also zeitlich gegeneinander versetzte gepulste thermische Beanspruchungen auf die Fügestelle einwirken, von denen die primäre nur für einen Energieeintrag zur Vorerwärmung bis zum Aufschmelzen des Aluminiums an der Fügestelle zu bemessen ist; während die sekundäre, energetisch gleichbemessene Bestrahlung dann, bei infolge der Vorerwärmung gegebener höherer Absorption, ein tiefreichendes metallurgisches Homogenisieren und oberflächiges Glätten der Schweißnaht zur Folge hat. Bei sogar verbesserter Schweißnahtqualität infolge vergrößerter fremdstofffreier Einschweißtiefe beschleunigt diese zueinander distanzierte Aufeinanderfolge der reduzierten thermischen Einwirkungen die Schweißgeschwindigkeit gegenüber solcher, die mit einfachem Pulsschweißen erreichbar wäre, was sich abgesehen von der Produktqualität auch auf die Fertigungskosten vorteilhaft auswirkt. Um dagegen bei einfachem Pulsschweißen mit seinem nur einen Schmelzbereich überhaupt brauchbare Ergebnisse zu erzielen, müsste die Schweißnaht mehrmals nachgeschweißt werden, was sich wiederum u. a. negativ auf die Prozessdauer auswirken würde.critical is that - too Minimizing the resulting energy input over laser continuous wave welding - two geometric, So temporally offset from each other pulsed thermal stresses on the joint of which the primary only for an energy input for preheating is to be measured until the melting of the aluminum at the joint; while the secondary energetically equal irradiation then, given by preheating given higher Absorption, a deep metallurgical homogenizing and surface-area Smooth the Weld entails. With even improved weld quality due to increased extraneous-free welding depth accelerates this mutually distanced succession of reduced thermal effects the welding speed compared to such, the with simple pulse welding would be achievable which, apart from the product quality, also benefits the production costs effect. In contrast, with simple pulse welding with its only one melting range at all To achieve usable results, the weld would have to be repeated several times rewelded become, which in turn u. a. negatively affect the duration of the process would.

Somit besorgt der längs des Verbindungsbereiches, längs dessen die Schweißnaht verlaufen soll, verlagerte Strahlfleck des Primärstrahles gepulster Laserenergie mit dem thermischen Aktivieren des Materials auch ein Auflösen von Oxid- und Schmutzablagerungen, woraufhin die so erstellte und noch erwärmte vorläufige, wegen Ausgasens noch unregelmäßig aufgeworfene Schweißnaht mittels des Sekundärstrahles aus derselben Pulsquelle unter verbesserter Absorption der eingebrachten Laserenergie homogenisiert wird.Consequently concerned the longitudinal of the connection area, along whose the weld should run, shifted beam spot of the primary beam of pulsed laser energy with the thermal activation of the material also a dissolution of Oxide and dirt deposits, whereupon the created and still heated preliminary, due to outgassing still irregularly raised Weld by means of the secondary beam from the same pulse source with improved absorption of the introduced Laser energy is homogenized.

Claims (11)

Verfahren zum Verschweißen von längs einer Fügezone ihres Berührungsbereiches miteinander zu verbindenden Aluminiumteilen, insbesondere von Aluminiumdruckgussteilen, durch Einbringen der thermischen Energien gepulster fokussierter Laserstrahlen in die Fügezone an zwei längs der Fügezone distanziert aufeinander folgenden, also primären und sekundären, Strahlflecken.Method for welding along a joining zone of its contact area aluminum parts to be joined together, in particular aluminum die-cast parts, by introducing the thermal energies pulsed focused Laser beams in the joining zone along two the joining zone distanced consecutive, ie primary and secondary, Beam spots. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlflecken aus zwei parallel betriebenen gepulsten Laserquellen gewonnen werden.Method according to claim 1, characterized in that that the two beam spots of two pulsed pulsed Laser sources are obtained. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlflecken mittels einer Bifokaloptik aus einer gepulsten Laserquelle gewonnen werden.A method according to claim 1, characterized gekenn draws that the two beam spots are obtained by means of a bifocal optics from a pulsed laser source. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primär einwirkende Strahlfleck energetisch für das Schmelzen ausgelegt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the primary acting Beam spot energetic for the melting is designed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Strahlfleck zum Ausgasen von aus einem etwa vorangegangenen Gießprozess herrührenden Verunreinigungen sowie zum Beseitigen von Oxid- und Schmutzablagerungen ausgelegt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the primary beam spot for outgassing from a previous casting process stemming Impurities and for removing oxide and dirt deposits is interpreted. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Strahlfleck energetisch für ein Homogenisieren und Glätten der Fügezone ausgelegt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the secondary Beam spot energetic for a homogenizing and smoothing the joining zone is interpreted. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie der Laserquelle auf beide Strahlflecken gleich aufgeteilt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the pulse energy of the laser source on both beam spots is divided equally. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Strahlflecken gleiche Querschnittsgeometrie aufweisen.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that both beam spots have the same cross-sectional geometry exhibit. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine resultierende mittlere Leistung in der Größenordnung von 10% der mittleren Leistung einer für CW-Schweißen ausgelegten Dauerstrich-Laserquelle über die beiden Strahlflecke aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a resulting average power in the Magnitude of 10% of the average power of a continuous wave laser source designed for CW welding over the two beam spots is applied. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlflecken ohne gegenseitige Überlappung längs des Berührungsbereiches de Fügezone aufeinanderfolgend aufgebracht werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the beam spots without mutual overlap along the contact area de joining zone be applied sequentially. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der beiden Strahlflecken um fast das Zweifache ihrer mittleren Durchmesser gegeneinander versetzt aufeinanderfolgend auf den Berührungsbereich gerichtet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the centers of the two beam spots around almost twice their average diameter offset from each other successively directed to the contact area become.
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