DE102010049143A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks, umfassend einen auf das Werkstück (1) gerichteten Laserstrahl (2) zur Erzeugung einer Schweißnaht (3), ein mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich (4) aus dem Werkstück (1) heraustretendes Plasma (5) und eine Düse (6) zur Einbringung eines Schutzgases (7) in den Schweißstellenbereich (4). Nach der Erfindung ist vorrichtungsmäßig vorgesehen, dass das aus der Düse (6) ausströmende Schutzgas (7) zum Wegbefördern des Plasmas (5) aus dem Schweißstellenbereich (4) eine Strömungskomponente in Entstehungsrichtung der Schweißnaht (3) aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
- Eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art sind nach der
DE 196 45 746 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist einen auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl zur Erzeugung einer linienförmigen Schweißnaht, ein mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich aus dem Werkstück heraustretendes Plasma und eine Düse zur Einbringung eines Schutzgases in den Schweißstellenbereich auf. Verfahrensmäßig formuliert, wird bei dieser Lösung zur Erzeugung einer Schweißnaht ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet. Mindestens laserstrahlseitig tritt dabei im Schweißstellenbereich ein Plasma aus dem Werkstück heraus, wobei mit einer Düse ein Schutzgas in den Schweißstellenbereich eingebracht wird. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.
- Diese Aufgabe ist gegenständlich durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Verfahrensmäßig lösen die kennzeichenden Merkmale des Patentanspruchs 6 diese Aufgabe.
- Nach der Erfindung ist gegenständlich also vorgesehen, dass das aus der Düse ausströmende Schutzgas zum Wegbefördern des Plasmas aus dem Schweißstellenbereich eine Strömungskomponente in Entstehungsrichtung der Schweißnaht aufweist. Verfahrensmäßig ist entsprechend vorgesehen, dass das aus der Düse ausströmende Schutzgas zum Wegbefördern des Plasmas aus dem Schweißstellenbereich in Entstehungsrichtung der Schweißnaht gerichtet wird.
- Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Schutzgas (vorzugsweise ein Edelgas, insbesondere Helium) derart auf den Schweißstellenbereich gerichtet wird, dass es das aus dem Werkstück heraustretende Plasma, welches ungünstiger Weise einen hohen Absorptionskoeffizienten für die Wellenlänge des Laserstrahls aufweist, wegdrängt (wegbläst), und zwar weg von der bereits erzeugten Schweißnaht. Dies hat vorteilhaft zur Folge, dass der Laserstrahl weniger vom Plasma behindert bzw. absorbiert wird und dementsprechend besser in das Werkstück eindringen kann. Hierdurch entsteht eine insgesamt höhere Temperatur im Werkstück, was das Verdampfen von Schlackeaufschwemmungen aus dem Schmelzbad an den Innenwänden der Dampfkapillare im Schweißstellenbereich vorteilhaft begünstigt (dies wird weiter unten noch genauer erläutert) und einen entsprechenden Reinigungseffekt mit sich bringt.
- Die erfindungsgemäße Maßgabe, dass eine Strömungskomponente des Schutzgases in Entstehungsrichtung der Schweißnaht ausgerichtet sein soll, bringt dabei zum Ausdruck, dass das Schutzgas insbesondere nicht quer bzw. seitlich zur oder gar entgegen der Erzeugungsrichtung der Schweißnaht aufgebracht werden soll, da dies nicht den gewünschten Reinigungseffekt gewährleisten würde. Gleichzeitig muss das Schutzgas aber auch nicht unbedingt exakt in Entstehungsrichtung der Schweißnaht aufgebracht werden, vielmehr genügt es praktisch, wenn die Hauptströmungskomponente in Erzeugungsrichtung orientiert ist.
- Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich deren vorteilhaften Weiterbildungen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- Es zeigt (schematisch und nicht maßstabsgerecht)
-
1 in geschnittener Seitenansicht die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks. - Die in
1 dargestellte Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks besteht aus einem auf das Werkstück1 gerichteten, fokusierten Laserstrahl2 zur Erzeugung einer linienförmigen Schweißnaht3 (in1 : nicht-schraffierter Bereich des Werkstücks1 rechts neben der Schmelze), einem mindestens laserstrahlseitig (also auf der Seite des Werkstücks1 , die dem Laserstrahl2 zugewandt ist) im Schweißstellenbereich4 (also insbesondere dort, wo sich die Schmelze des Werkstücks1 befindet) aus dem Werkstück1 heraustretenden Plasma5 (Metalldampf mit freien Ladungsträgern, in1 : gestrichelt angedeutet) und einer Düse6 zur Einbringung eines Schutzgases7 (hier bevorzugt Helium) in den Schweißstellenbereich4 . Verfahrensmäßig ausgedrückt, wird gemäß1 zur Erzeugung einer Schweißnaht3 ein vorzugsweise mit einem Kohlendioxidlaser erzeugter Laserstrahl2 (mit einer Wellenlänge von 10,6 μm) auf ein Werkstück1 gerichtet. Dabei tritt mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich4 ein Plasma5 aus dem Werkstück1 heraus. Außerdem wird mit einer Düse6 ein Schutzgas7 in den Schweißstellenbereich4 eingebracht. Das Werkstück1 und der Laserstrahl2 werden relativ zueinander bewegt. Im dargestellten Beispiel wird das Werkstück1 nach rechts verschoben, während der Laser ortsfest angeordnet ist. - Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nun, dass das aus der Düse
6 ausströmende Schutzgas7 zum Wegbefördern des Plasmas5 aus dem Schweißstellenbereich4 eine Strömungskomponente (in1 : im wesentlichen von rechts nach links) in Entstehungsrichtung (in1 : von rechts nach links) der Schweißnaht3 aufweist. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist somit wesentlich, dass das aus der Düse6 ausströmende Schutzgas7 zum Wegbefördern des Plasmas5 aus dem Schweißstellenbereich4 in Entstehungsrichtung der Schweißnaht3 gerichtet wird. - Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass das aus der so genannten Dampfkapillare (nicht-schraffierter Bereich direkt unterhalb des Laserstrahls
2 ) austretende Plasma5 direkt weggetragen wird. Das Plasma5 besitzt nämlich, wie erwähnt, einen hohen Absorptionskoeffizienten für die Wellenlänge des per Kohlendioxidlaser erzeugten Laserstrahls2 . Durch das direkte Wegblasen des herausströmenden Plasmas5 steht ein Höchstmaß an Intensität des fokusierten Laserstrahls2 in der Dampfkapillare zur Verfügung. Der sich einstellende Effekt ist das Verdampfen von Schlackeaufschwemmungen (in1 : kleine schwarze Punkte) aus dem Schmelzbad (in1 : Schraffur von links unten nach rechts oben) an den Innenwänden der Dampfkapillare. - Das in
1 dargestellte Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung dient bei der Anmelderin zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines so genannten Wendelrohrwärmetauschers, wie er zum Beispiel in derEP 1 562 006 B1 dargestellt ist. Bezogen auf die erfindungsgemäße Lösung ist dabei das Werkstück1 aus einem vom Coil gewickelten Stahlblech als Rohr mit Fügezone (durch Rollen) vorgeformt und die Schweißnaht3 in der Fügezone bildet eine Längsnaht entlang des fertigen Rohres, das vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei besonders gut geeignet, um ein Werkstück1 bzw. ein Rohr aus einem ferritisch-austenitischen Stahlwerkstoff (sogenannter Duplexwerkstoff), insbesondere dem Stahl 1.4162 (X2CrMnNiN 22-5-2), mit besagten Kohlendioxidlaser zu schweißen. - Weiterhin ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass dem Schweißstellenbereich
4 ein Element zur induktiven Vorwärmung8 des Werkstücks1 vorgeschaltet ist bzw. dass der Schweißstellenbereich4 vor Erzeugung der Schweißnaht3 induktiv vorgewärmt wird. - Der Zweck der induktiven Vorwärmung besteht darin, die Oberfläche des Werkstücks vor dem Schweißen zu reinigen und Wärme in das Werkstück einzubringen.
- Das Reinigen der Oberfläche von Schmiermittelrückständen und Spänen ist erforderlich, da diese Reste aus der Formung des Rohres ansonsten einen störenden Einfluss auf den Schweißprozess haben. Schmiermittelreste bewirken die Bildung von Poren und Rissen in der Schweißnaht. Unter Spänen kann es im Betrieb des (oben genannten) Wärmetauschers zur Spaltkorrosion kommen. Außerdem können Späne zur Absorption der Energie des Laserstrahls über der Fügezone führen. Diese Energie steht dann nicht mehr dem Schweißprozess zur Verfügung. Die Späne werden insbesondere durch das Magnetfeld an einer Spule der induktiven Vorwärmung entfernt.
- Ferner, und dies ist mindestens genauso wichtig, wird durch die Wärmeeinbringung durch induktive Vorwärmung die Abkühlgeschwindigkeit der erstarrenden Schweißnaht gesenkt. Dies steigert die Korrosionsbeständigkeit in diesem Bereich beim oben genannten Werkstoff 1.4162. Hintergrund dabei ist die Bildung von Austenit aus der ferritisch erstarrenden Schmelze im Temperaturbereich von etwa 1200°C bis 850°C. Durch die Vorwärmung steigt die Verweilzeit in diesem Temperaturbereich an und der erforderliche Anteil an Austenit in der Schweißnaht kann entstehen, so dass sich annähernd ein für einen guten Korrosionswiderstand optimales Verhältnis Ferrit zu Austenit von 1:1 ergibt.
- Außerdem ist besonders bevorzugt, und wie in
1 dargestellt, vorgesehen, dass bei einem laserstrahlabgewandt aus dem Werkstück1 heraustretenden Plasma5 ein Schutzgas10 , vorzugsweise Stickstoff, gegen den als werkstückdurchgreifende Schweißkapillare ausgebildeten Schweißstellenbereich4 gerichtet wird bzw. dass bei einem laserstrahlabgewandt aus dem Werkstück1 heraustretenden Plasma5 dem Werkstück1 laserstrahlabgewandt ein Element9 zur Abgabe eines Schutzgases10 in den als werkstückdurchgreifende Schweißkapillare (Plasmakapillare) ausgebildeten Schweißstellenbereich4 zugeordnet ist. Dieses Element9 zur Abgabe des Schutzgases10 ist dabei mindestens teilweise aus Wolfram gebildet, um den extrem hohen Temperatur unterhalb der Plasmakapillare standhalten zu können. - Zur weiteren Erläuterung der Untergasführung: Die Dampfkapillare erstreckt sich, wie
1 zeigt, bis zur Unterseite des zu fügenden Bleches. Hier wird die spätere Wurzel der Schweißnaht gebildet. Dort werden der Schweißprozess und die erstarrende Schweißnaht durch Stickstoff gegen sauerstoffhaltige Atmosphäre abgeschirmt. Durch die Öffnung der Dampfkapillare wird Stickstoff in das Plasma der Dampfkapillare aufgenommen. Stickstoff fördert die Bildung von Austenit. Die hohen Temperaturen des Plasmas bewirken eine Spaltung des molekularen Stickstoffs in atomaren Stickstoff. Die Stickstoffatome diffundieren in die Schmelze und erhöhen den Austenitgehalt in der Schweißnaht bei unveränderter Abkühlgeschwindigkeit. Die Aufnahme des Stickstoffs wird durch die Legierungszusammensetzung des Stahls 1.4162 begünstigt. Im Vergleich zu anderen Stählen mit Duplexgefüge ist der Mangangehalt hoch. Nickel und Mangan können zu ähnlichen Zwecken alternativ in Legierungen für Duplexstähle verwendet werden. Mangan besitzt aber eine deutlich höhere Löslichkeit für Stickstoff als Nickel. Somit kann der bereitgestellte Stickstoff zu höheren Anteilen aufgenommen werden. - Die Art der Führung des Stickstoffs im Bereich der Schweißnahtwurzel stellt dabei eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Der Stickstoff wird durch Stege an der Gasführung (Element zur Abgabe eines Schutzgases
9 ) vor und nach dem Schweißpunkt gestaut und verdrängt somit auf effektive Weise Sauerstoff von dort. Weiterhin wird durch die Schutzgasführung Laserlicht, das durch die Dampfkapillare durchstrahlt, aufgefangen. Außerdem werden Plasmadämpfe und Schweißspritzer von dem genannten Wolframmaterial aufgefangen. Das in1 schematisch dargestellte Element9 befindet sich in Realität aufgrund des kleinen Innenmaßes des zu fertigenden Rohres in Abstand von drei bis vier Millimetern zum Schweißprozess. Dabei ist Wolfram, wie erläutert, durch seinen hohen Schmelzpunkt geeignet, dem auch auf der Wurzelseite herausströmenden Plasma und der entsprechenden Strahlung standzuhalten. Die ansonsten bei hohen Temperaturen an Wolfram auftretende Auflösung des Werkstoffs unter Bildung von Wolframdioxid wird durch die Schutzgasatmosphäre verhindert. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Werkstück
- 2
- Laserstrahl
- 3
- Schweißnaht
- 4
- Schweißstellenbereich
- 5
- Plasma
- 6
- Düse
- 7
- Schutzgas
- 8
- Element zur induktiven Vorwärmung
- 9
- Element zur Abgabe eines Schutzgases
- 10
- Schutzgas
- 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
-
- DE 19645746 A1 [0002]
- EP 1562006 B1 [0015]
Claims (9)
- Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks, umfassend einen auf das Werkstück (
1 ) gerichteten Laserstrahl (2 ) zur Erzeugung einer Schweißnaht (3 ), ein mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich (4 ) aus dem Werkstück (1 ) heraustretendes Plasma (5 ) und eine Düse (6 ) zur Einbringung eines Schutzgases (7 ) in den Schweißstellenbereich (4 ), dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Düse (6 ) ausströmende Schutzgas (7 ) zum Wegbefördern des Plasmas (5 ) aus dem Schweißstellenbereich (4 ) eine Strömungskomponente in Entstehungsrichtung der Schweißnaht (3 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schweißstellenbereich (
4 ) ein Element zur induktiven Vorwärmung (8 ) des Werkstücks (1 ) vorgeschaltet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem laserstrahlabgewandt aus dem Werkstück (
1 ) heraustretenden Plasma (5 ) dem Werkstück (1 ) laserstrahlabgewandt eine Element (9 ) zur Abgabe eines Schutzgases (10 ) in den als werkstückdurchgreifende Schweißkapillare ausgebildeten Schweißstellenbereich (4 ) zugeordnet ist. - Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Element (
9 ) zur Abgabe des Schutzgases (10 ) mindestens teilweise aus Wolfram gebildet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (
1 ) aus einem ferritisch-austenitischen Stahlwerkstoff besteht. - Verfahren zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks, bei dem zur Erzeugung einer Schweißnaht (
3 ) ein Laserstrahl (2 ) auf ein Werkstück (1 ) gerichtet wird, bei dem mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich (4 ) ein Plasma (5 ) aus dem Werkstück (1 ) heraustritt und bei dem mit einer Düse (6 ) ein Schutzgas (7 ) in den Schweißstellenbereich (4 ) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Düse (6 ) ausströmende Schutzgas (7 ) zum Wegbefördern des Plasmas (5 ) aus dem Schweißstellenbereich (4 ) in Entstehungsrichtung der Schweißnaht (3 ) gerichtet wird. - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstellenbereich (
4 ) vor Erzeugung der Schweißnaht (3 ) induktiv vorgewärmt wird. - Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem laserstrahlabgewandt aus dem Werkstück (
1 ) heraustretenden Plasma (5 ) ein Schutzgas (10 ) gegen den als werkstückdurchgreifende Schweißkapillare ausgebildeten Schweißstellenbereich (4 ) gerichtet wird. - Verfahren einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (
2 ) mit einem Kohlendioxidlaser erzeugt wird.
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