DE102008046089A1

DE102008046089A1 - Verfahren zum Laserstrahlschweißen von metallischen Bauteilen

Info

Publication number: DE102008046089A1
Application number: DE102008046089A
Authority: DE
Inventors: Frank Palm
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-09
Also published as: DE102008046089B4

Abstract

Es werden Verfahren und Einrichtung zum Laserstrahlschweißen von metallischen Bauteilen (1, 2) unter Zuführung von Schutzgas zur Schweißstelle (6) beschrieben. Erfindungsgemäß wird die Schweißstelle (6) durch das Schutzgas gekühlt, welches eine Temperatur von weniger als 150 K aufweist. Volumenströme des Schutzgases von 5-50 l/min sind vorteilhaft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von metallischen Bauteilen unter Zuführung von Schutzgas, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beim Schweißen allgemein und beim Laserstrahlschweißen insbesondere entstehen sehr hohe lokale Aufheiz- und Abkühlgradienten, wobei die Maximaltemperaturen deutlich über den eigentlichen Schmelztemperaturen der zu fügenden Werkstoffe, typischerweise Metalle, sind. In der beim Laserstrahlschweißen typischen Plasmafackel oberhalb der Dampfkapillare werden Temperaturen sogar jenseits von 10.000 K gemessen. In der Folge aufgrund von Wärmestrahlung und Wärmeleitung kommt es lokal zu einer starken Erwärmung der schweißnahtnahen Zonen (Wärmeeinflußzonen). Da in dünnwandigen Strukturen die Wärme nur zweidimensional abfließen kann, sind nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur Verzüge nicht zu verhindern. Dies erfordert arbeits- und damit kostenintensive Nach- oder Richtarbeiten und ist deshalb sehr unerwünscht.
Insbesondere für die Luft- und Raumfahrttechnik müssen dünnwandige, schalenartige, hochbelastbare Schweißkonstruktionen hergestellt werden, welche sowohl hinsichtlich Festigkeit als auch Gewicht optimiert sein sollen. Ein Beispiel sind Druckrumpfschalen von Transportflugzeugen, wie dem Airbus A380, welche heute nach dem Schweißen mit Hilfe von Kugelstrahlen gerichtet werden müssen.
Aus der EP 0 464 392 A1 ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines metallischen Werkstücks mit einem Laserstrahl bekannt, bei dem das durch den Laserstrahl thermisch induzierte Plasma durch unterschiedliche Wahl der Temperatur eines auf den Brennpunkt des Laserstrahl gerichteten Gasstrahls beeinflußt werden soll. Durch das Gas, welches eine Temperatur zwischen ca. 0°C und ca. –120°C aufweist, soll die entstehende Plasmamenge und damit die Absorption durch das Plasma beeinflußt werden. Primäres Ziel ist dabei die Stabilisierung des Schweißprozesses was wiederum zu einer gleichmäßigen Ausbildung der Schweißnaht führen soll.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von metallischen Bauteilen anzugeben, bei dem die verzugswirksame eingetragene Wärmemenge deutlich reduziert ist. Weiter soll eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter wird die Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 13. Jeweilige vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von metallischen Bauteilen unter Zuführung von Schutzgas zur Schweißstelle geschaffen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Schweißstelle durch das Schutzgas gekühlt wird, wobei das zugeführte Schutzgas eine Temperatur von niedriger als 150 K hat.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Schutzgas mit einem Volumenstrom von 5–50 l/min zugeführt.
Insbesondere kann das Schutzgas vorteilhafterweise mit einem Volumenstrom von 20–30 l/min zugeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Schutzgas über ein Gaszuführungsrohr mit einem lichten Durchmesser von 2–15 mm zugeführt.
Das Schutzgas kann vorteilhafterweise über ein Gaszuführungsrohr mit einem lichten Durchmesser von 4–6 mm zugeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Schutzgas mit einem Volumenstrom von 20–30 l/min über ein Gaszuführungsrohr mit einem lichten Durchmesser von 3,5–5 mm zugeführt.
Die zu verschweißenden metallischen Bauteile können Leichtbauwerkstoffe sein, wie zum Beispiel Al-, Ti- oder Mg-Werkstoffe oder Legierungen davon.
Das Schutzgas kann im wesentlichen aus einem oder mehreren der Gase He, Ar oder Ne bestehen.
Das Schutzgas kann zusätzlich kleine Mengen von O₂, N₂ und/oder H₂ enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise zur Herstellung von dünnwandigen, schalenartigen, hochbelastbaren Schweißkonstruktionen, insbesondere für die Luft- und Raumfahrttechnik, verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich ein Schweißzusatzwerkstoff zur Schweißstelle zugeführt.
Weiter wird durch die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen, wobei die Einrichtung zur Zuführung von gekühltem Schutzgas zur Schweißstelle vorgesehen ist, wobei das Schutzgas eine Temperatur von weniger als 150 K aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Einrichtung ist zur Zuführung des Schutzgases ein Gaszuführungsrohr vorgesehen, das einen lichten Durchmesser von 2–15 mm, vorzugsweise von 4–6 mm aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Gaszuführungsrohr mit seiner Längsachse unter einem Winkel von 30°–45° zur Senkrechten auf die zu verschweißenden Bauteile angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand des Rohrendes des Gaszuführungsrohrs zur Schweißstelle kleiner als 30 mm, vorzugsweise kleiner als 10 mm.
Durch die Erfindung sind auch Bauteile geschützt, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sind.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Figur erläutert:
Die Figur zeigt eine schematisierte, teilweise geschnittene seitliche Ansicht, die das Laserstrahlschweißen von Bauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
In der Figur sind schematisiert Bauteile 1, 2 in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt (von denen nur das vordere zu sehen ist), welche mittels eines Laserstrahls 3 verschweißt werden sollen. Die Schweißrichtung ist durch den Pfeil in der Figur dargestellt, von links nach rechts verlaufend. Der Laserstrahl 3 erzeugt an den Bauteilen 1, 2 eine Schweißzone 6, welcher optional ein Schweißzusatzwerkstoff 5 zugeführt werden kann. Über ein Gaszuführungsrohr 4 wird an die Schweißstelle 6 Schutzgas zugeführt. Das Schutzgas kann beispielsweise Helium, Argon oder Neon oder Mischungen aus diesen Gasen sein. Dem Schutzgas können auch geringe Zusätze von aktiven Gasen wie O₂, N₂ oder H₂ oder entsprechende Mischungen beigefügt sein.
Das Schutzgas wird mit einer Temperatur von niedriger als 150 K zugeführt. Weitere bevorzugte Temperaturen können niedriger als 120 K oder niedriger als 100 K sein.
Der Volumenstrom, mit dem das Schutzgas zugeführt wird, ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 5–50 l/min; insbesondere 20–30 l/min haben sich als vorteilhaft erwiesen. Der lichte Durchmesser des Gaszuführungsrohrs 4, mit welchem das gekühlte Schutzgas zugeführt wird, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel 2–15 mm, insbesondere 4–6 mm. Eine vorteilhafte Kombination sieht einen Volumenstrom des Schutzgases von 20–30 l/min und einen lichten Durchmesser des Gaszuführungsrohrs 4 von ca. 3,5–5 mm vor; besonders vorteilhaft ist ein Durchmesser von etwa 4 mm.
Der Abstand des Endes 4a des Gaszuführungsrohrs 4 von der Schweißstelle 6 kann typischerweise < 30 mm sein, vorteilhaft ist ein Abstand von weniger als 10 mm. Der Winkel der Längsachse des Gaszuführungsrohrs 4 gegenüber der Senkrechten auf die zu verschweißenden Bauteile 1, 2, d. h. gegenüber der strichpunktiert dargestellten Achse des Laserstrahls 3 in der Figur, kann allgemein zwischen 0–90° betragen. Besonders vorteilhaft ist ein Winkel von 30–45° bezüglich der besagten Senkrechten.
Anstelle eines einfachen Gaszuführungsrohrs 4, wie es in der Figur gezeigt ist, kann auch eine Doppelrohranordnung vorteilhaft sein, mit parallelen oder koaxialen Rohren, oder auch mit Rohren, die bezüglich der Achse des Laserstrahls 3 einander gegenüberstehend angeordnet sind. Entscheidend ist, dass die Temperatur und der Volumenstrom des zugeführten gekühlten Schutzgases die Wärmewirkung des Laserstrahls 3 in der Schweißnahtzone 6 soweit reduzieren, dass ein Verzug der Bauteile 1, 2 im wesentlichen vermieden wird.
In der in der Figur gezeigten Anordnung ist die Gasdüse, d. h. das Zuführungsrohr 4, stechend bezogen auf die angezeigte Schweißrichtung angeordnet. Alternativ kann die Gasdüse auch schleppend oder koaxial zum Laserstrahl angeordnet sein. Aus prozeßtechnischen Gründen, insbesondere wegen der Prozeßstabilität, d. h. der Gleichförmigkeit bzw. Reproduzierbarkeit des Schweißnahtbildes, ist eine stechende oder schleppende Anordnung aber bevorzugt. Die Rohrmittelachse der Gasdüse 4 zielt auf den Wechselwirkungsbereich, d. h. die Schweißzone 6, wobei aber bei den beschriebenen Dimensionen Abweichungen von ungefähr +/–5 mm zulässig sein können.
Das Schutzgas ist typischerweise, wie bereits erwähnt, Helium, Neon und/oder Argon. Reines Helium ist besonders vorteilhaft, da es die größte Wärmeleitfähigkeit hat und am weitesten gekühlt werden kann. Mischungen von Helium und Argon sind auch vorteilhaft, insbesondere mit einem Argon-Anteil von maximal 25%.

1, 2: Bauteil
3: Laserstrahl
4: Gaszuführungsrohr
4a: Gaszuführungsrohrende
5: Schweißzusatzwerkstoff
6: Schweißstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0464392 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Laserstrahlschweißen von metallischen Bauteilen unter Zuführung von Schutzgas zur Schweißstelle (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißstelle (6) durch das Schutzgas gekühlt wird, wobei das zugeführte Schutzgas eine Temperatur von weniger als 150 K aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas mit einem Volumenstrom von 5–50 l/min zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas mit einem Volumenstrom von 20–30 l/min zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas über ein Gaszuführungsrohr (4) mit einem lichten Durchmesser von 2–15 mm zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas über ein Gaszuführungsrohr (4) mit einem lichten Durchmesser von 4–6 mm zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas mit einem Volumenstrom von 20–30 l/min über ein Gaszuführungsrohr (4) mit einem lichten Durchmesser von 3,5–5 mm zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu schweißenden metallischen Bauteile (1, 2) Leichtbauwerkstoffe sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu schweißenden metallischen Bauteile (1, 2) Al-, Ti- oder Mg-Werkstoffe oder Legierungen davon sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas im wesentlichen aus einem oder mehreren der Gruppe von He, Ar und Ne besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas zusätzlich kleinen Mengen von einem oder mehreren der Gruppe von O₂, N₂ und H₂ enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Herstellung von dünnwandigen, schalenartigen, hochbelastbaren Schweißkonstruktionen, insbesondere für die Luft- und Raumfahrttechnik, vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Schweißzusatzwerkstoff (5) zur Schweißstelle zugeführt wird.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Zuführung von gekühltem Schutzgas zur Schweißstelle (6) vorgesehen ist, wobei das Schutzgas eine Temperatur von weniger als 150 K aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuführung des Schutzgases ein Gaszuführungsrohr (4) vorgesehen ist, das einen lichten Durchmesser von 2–15 mm, vorzugsweise von 4–6 mm aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaszuführungsrohr (4) mit seiner Längsachse unter einem Winkel von 30°–45° zur Senkrechten auf die zu schweißenden Bauteile (1, 2) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Rohrendes (4a) zur Schweißstelle (6) kleiner als 30 mm, insbesondere kleiner als 10 mm ist.
Bauteile, die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt sind.