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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laser-Materialbearbeitung,
insbesondere zum Laserschweißen, und eine Vorrichtung,
die dabei eingesetzt wird, sowie die Verwendung eines Gases oder Gasgemisches
bei dem Verfahren.
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Das
Laserschweißen zum stoffschlüssigen Verbinden
von metallischen Werkstücken ist ein allgemein praktiziertes
Schweißverfahren, Dabei wird durch die thermische Energie
eines Laserstrahls Material des Werkstücks aufgeschmolzen
und auch verdampft. Bei hoher Strahlintensität im Fokus
bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare
(mit Metalldampf und teilionisiertem Metalldampf gefüllter,
schlauchförmiger Hohlraum, auch keyhole genannt) in der
Tiefe des Werkstücks aus. Der erzeugte Dampfdruck drückt
ständig die darunter liegende Schmelze zur Seite und der
Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen. Die Schmelzzone
kann tiefer als breit sein.
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Ist
die Leistung und Strahlqualität bei gegebenen Materialparametern
groß genug, wird das Material vom Laserstrahl vollständig
durchdrungen. Wenn eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und
Werkstück erzeugt wird, die nicht zu hoch ist, wird eine
Schweißnaht erzeugt, welche das Werkstück auf
der gesamten Materialstärke durchzieht. Liegt diese Schweißnaht
an der Stoßlinie zweiter geeigneter Bauteile oder gegebenenfalls
eines Bauteils und eines Zusatzmaterials, werden diese Materialien miteinander
verschweißt. Ein Schweißen in mehreren Arbeitsgängen
ist ebenfalls möglich.
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Der
Vorteil des Laserschweißens besteht darin, dass die thermische
Energie nicht über Wärmeleitung ins Material eingebracht
werden muss, sondern über die Wände der erzeugten
Dampfkapillare in das Material transportiert wird. Dadurch können sehr
schmale Schweißnähte erzeugt werden, ohne viel
Verlustwärme und Verzug im Material zu erzeugen. Das Vorhandensein
der Dampfkapillare ist für das Erzeugen des Lasertiefschweißeffektes
erforderlich. Um diese aufrechtzuerhalten, muss in ihr ständig neuer
Materialdampf erzeugt werden, der sich durch die Erwärmung
extrem ausdehnt und die Dampfkapillare nach oben oder beim Durchschweißen
nach oben und unten verlässt.
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In
der Patentanmeldung
DE
101 24 345 A1 wird der Einsatz von molekularen Gasen und
speziellen Gasgemischen beschrieben, durch die es möglich
wird, die nach oben austretende Energie dem Material ein zweites
Mal zuzuführen und damit den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen.
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Bisher
wurde in der Regel auf den Einsatz von Gasen auf der Rückseite
des Werkstücks verzichtet. Wenn aus bestimmten Gründen
der Einsatz eines Gases an der Schweißnahtwurzel nötig
war, wurden hier bislang nur inerte oder reduzierende Gase als Schutz
vor Oxidation meist über eine geflutete Rinne zugeführt.
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Es
gab jedoch keine Ansätze, die an der Wurzel austretende
Energie, welche in dem heißen Metalldampf steckt, zu nutzen.
Man ließ diese Energie nach unten austreten, sich im Raum
verteilen oder die Vorrichtung erwärmen. Damit geht die
Energie für den eigentlichen Laserschweißprozess
verloren.
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Bei
Lasern mit hoher Strahlqualität und geringen Öffnungswinkeln
der fokussierten Lichtstrahlung ergeben sich sehr kleine Durchmesser
der Dampfkapillaren. Insbesondere an der Wurzel ist der Durchmesser
oft so klein und damit die Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes
so groß, dass durch den Metalldampfstrom sogar Schmelze
mitgerissen wird, die dann als Material in der Schweißnaht
fehlt und sich außerdem auch anderweitig, z. B. auf dem Werkstück,
ablagert und hier zu Qualitätsproblemen führt.
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Außerdem
ist die maximale Schweißgeschwindigkeit in der Regel durch
den maximal möglichen Vorschub an der Wurzel bestimmt,
da hier nur noch der geringste Anteil der Laserleistung verfügbar ist.
Der größte Teil wird bereits an den Wänden
im oberen Bereich und dem Metalldampf in der Dampfkapillare absorbiert
und steht an der Wurzel der Schweißnaht nicht mehr zur
Verfügung. Ein weiteres häufiges Problem ist die
Ausbildung der Wurzel, welche teilweise als sehr langfransiger Grat
aus der Schweißnaht heraussteht und bei der weiteren Handhabung
der Bauteile Probleme bereiten kann und deshalb entfernt werden
muss.
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Zur
Lösung der vorstehend genannten Probleme wird ein Verfahren
vorgeschlagen, in dem auf der Rückseite eines von der Vorderseite
her zu schweißenden Werkstücks ein Gasstrom, der
ein molekulares Gas enthält, mittels einer Düse
allgemein in Richtung der Schweißnahtwurzel gerichtet wird.
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Dies
ermöglicht es, die Energie des an der Wurzel austretenden
Metalldampfes und Materials durch ein Gas aufzunehmen und dem Werkstück wieder
zuzuführen.
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Weiter
wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14 vorgeschlagen,
in der eine geeignete Düse so zur Schweißnahtwurzel
positioniert ist, dass ein Gas mit der Fähigkeit, thermische
Energie aufzunehmen, zu transportieren und an das Material abzugeben,
derart, gegen den Metalldampfstrom geleitet wird, dass es anschließend
die aufgenommene Energie an einem wunschgemäßen
Ort an das Werkstück wieder abgeben kann. Die Energie kann
hierbei stechend (in dem Bereich vor dem eigentlichen Schweißprozess),
schleppend (in dem Bereich der sich bildenden Wurzel) oder auch
seitlich oder tangential in Richtung des einen oder des anderen
Bauteils gerichtet werden.
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Das
verwendete Gas oder Gasgemisch sollte auf jeden Fall ein Gas sein
oder enthalten, welches unter normalen Bedingungen als Molekül
vorliegt. Die Möglichkeit dieser Gase durch die Einwirkung des
heißen Metalldampfstroms zu dissoziieren und dabei Energie
aufzunehmen und diese bei der Rekombination wieder an das Werkstück
abzugeben, sorgt für einen wirksamen Energietransport.
Die Edelgase wie Argon und Helium sind dazu nicht in der Lage, da
sie als Atome vorliegen.
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Allerdings
können zur Erhöhung des Massestromes und der Reduzierung
dieser molekularen, aktivierbaren Gase diese in Gemischen mit schweren Edelgasen
wie Neon, Argon, Krypton und Xenon Verwendung finden.
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Ferner
kann die Energieübertragung besonders wirksam gestaltet
werden, wenn dem Gas oder Gasgemisch auch die Komponente Helium
beigefügt wird, da hierdurch die Wärmeübertragung
im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und Dissoziationstemperatur
des verwendeten molekularen Gases verbessert wird.
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Besonders
effektiv werden molekulare Gase eingesetzt, die hohe Dissoziationsenergien
aufweisen. Am Werkstück kommt es dann zur Rekombination
und die Energie wird freigesetzt.
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Als
molekulare Gase können bei Materialien, die mit Sauerstoff
in Berührung kommen können, vorteilhaft Sauerstoff,
Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder auch Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen,
wie N2O (Lachgas), NO und/oder NO2, eingesetzt werden.
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Bei
Materialien, die nicht oxidiert werden dürfen, können
z. B. H2, NH3 oder
auch gasförmige Kohlenwasserstoffe (CnHm) eingesetzt werden. Bevorzugt weisen die
Kohlenwasserstoffe mindestens eine Doppel- oder Dreifachbindung
auf. Zu den gasförmigen Kohlenwasserstoff gehören
z. B. Methan, Ethan, Propan, Cyclopropan, Butan, iso-Butan, Cyclobutan und
die Kohlenwasserstoffe, die eine Doppel- oder Dreifachbindung aufweisen,
z. B. Ethylen (Ethen), Acetylen (Ethin), Propen, Propin, 1- und
2-Buten, Isobuten, 1-Butin, 1,2-Butadien und 1,3-Butadien und deren
Mischungen. Ein besonders bevorzugter Kohlenwasserstoff ist Acetylen.
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Wasserdampf
kann ebenfalls die Funktion des Energietransportes hervorragend übernehmen, es
ist aber zu beachten, dass Wasserstoff bei vielen Materialien zu
Problemen mit der Festigkeit der Schweißnaht oder mit Poren
führen kann.
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Die
Verwendung der vorstehend genannten Gase und Gasgemische für
den vorstehend genannten Zweck wird gemäß Anspruch
12 vorgeschlagen.
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Die
Austrittsöffnung der eingesetzten Düse kann rund,
oval, quadratisch oder rechteckig sein oder auch andere Formen aufweisen.
Vorteilhaft wird eine Düsenform verwendet, die eine größere
Länge als Breite aufweist, so dass das Gas auf den Bereich des
Metalldampfstromes konzentriert wird und der Bereich der Energieaufnahme
und Energieübertragung besonders groß und wirksam
ist.
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Das
Verfahren kann bei allen Laserarten eingesetzt werden, wie CO
2-Laser, CO-Laser, Festkörperlaser,
insbesondere Nd-YAG-Laser, Nd-Glas-Laser, Erbium-YAG-Laser, Scheibenlaser,
Faserlaser und/oder Diodenlaser, welche mit ihrer Leistung und Energiedichte
für das Laserschweißen verwendet werden können.
Die Patentanmeldung
DE
101 24 345 A1 beschreibt verschiedene Laser-Typen näher.
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Das
Verfahren kann z. B. zum Laserschweißen von Metallen wie
Baustahl, hochlegiertem und niedriglegiertem Edelstahl, Aluminium,
Kupfer, Messing, Gold, Silber und Magnesium, eingesetzt werden.
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Das
zusätzliche Einbringen von Wärme im Bereich der
Wurzel kann dazu führen, dass an deren Einkoppelungsfront
das Aufschmelzen und Verdampfen des Materials schneller ablaufen
und die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden kann.
Des weiteren kann hierdurch die Erstarrung der Wurzel verlangsamt
werden, wodurch mehr Zeit für eine Glättung der
Wurzel durch die Oberflächenspannung der Schmelze zur Verfügung
steht und gleichmäßigere Schweißnahtwurzeln
erzeugt werden können. Insbesondere eine schleppende Anordnung
der Wurzeldüse unterstützt hierbei auch noch mechanisch
den Fluss der Schmelze von der Dampfkapillare in Richtung der sich
bildenden Schweißnahtwurzel. Auch dieser Einfluss verbessert
die Qualität der Schweißnahtwurzel.
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Die
zusätzliche Wärme und die mechanische Wirkung
ermöglichen auch eine Vergrößerung der Dampfkapillare
im Bereich der Werkstückunterseite, unter anderem auch
weil das heißere Material durch den Dampfdruck leichter
zur Seite gedrückt werden kann. Diese Vergrößerung
der Dampfkapillare verringert den Druck in der Dampfkapillare und
die Austrittsgeschwindigkeit des Metalldampfes aus der Dampfkapillare.
Dies verringert wiederum die Erzeugung von Spritzern am Austritt
des Laserstrahls. Am stärksten ist dieser Effekt der Spritzerreduzierung
bei oxidierenden Gasen, wie Sauerstoff und Kohlendioxid, ausgeprägt.
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Die
Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Werkstück 1, auf dessen Vorderseite
ein Laserstrahl 2 gerichtet ist. Durch die Wirkung des
Laserstrahls 2 tritt oben und unten aus dem Werkstück
Metalldampf 3 aus. Am Rand des Schweißbades 4 entsteht
die Schweißnaht 5. Einer schleppend eingesetzten,
auf den Bereich der Wurzel gerichteten Wurzeldüse 6 auf
der Rückseite des Werkstücks 1 wird ein
molekulares Gas oder molekulares Gas enthaltendes Gasgemisch 7 zugeführt. Aus
der Düse tritt ein Gasstrom 8, der mittels Dissoziation
im heißen Metalldampf und anschließende Rekombination
einen Energietransport zum Bereich der sich bildenden Wurzel 9 bewirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10124345
A1 [0005, 0022]