DE102011016579A1

DE102011016579A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen

Info

Publication number: DE102011016579A1
Application number: DE201110016579
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. L'Armée Patrick Talmon
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2011-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen metallischer Werkstücke (10), welche mittels zweier Laserstrahlen (12, 24) behandelt werden, die entlang einer vorgegebenen Bahnkurve über einen Schweißnahtbereich (34) bewegt werden, wobei die beiden Laserstrahlen (12, 24) mit einem vorgegebenen Abstand zueinander über den Schweißnahtbereich (34) bewegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen metallischer Werkstücke nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen metallischer Werkstücke nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
Beim Laserstrahlschweißen metallischer Werkstücke wird üblicherweise der Schweißbereich der Werkstücke mittels eines leistungsstarken Lasers aufgeschmolzen, so dass das gewünschte Schweißergebnis erzielt wird. Auf Grund des hohen Leistungseintrages des Lasers beim Erzeugen eines hinreichend tiefen Schmelzbades, des dadurch verdampfenden Metalls und der daraus resultierenden hohen Prozessdynamik kann es dabei zur Ablösung von Spritzern aus der Oberfläche des Schmelzbades oder sogar aus der Tiefe des Keyholes kommen. Solche Spritzer können die Funktion des geschweißten Bauteils beeinträchtigen, beispielsweise durch Korrosion, durch Behinderung von Funktionen des Bauteils wie beispielsweise der Ölführung in entsprechenden Leitungen oder dergleichen. Spritzer verunreinigen ferner die Schweißvorrichtung, was zu regelmäßigem Wartungsaufwand und geringer Prozesssicherheit führt.
Aus der GB 2 175 737 A ist ein Laserschweißverfahren bekannt, welches zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Leistungsdichten einsetzt, um das Schweißergebnis zu verbessern. Über eine gemeinsame Optik werden die beiden Strahlen auf den gleichen Fokus geleitet, um die durch die Wellenlänge bedingte schlechtere Einkopplung des Lasers mit der höheren Leistungsdichte, eines CO₂-Lasers, zu verbessern. Auch hier tritt jedoch das oben genannte Problem des verspritzenden Schmelzbades auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 bereitzustellen, welche das Auftreten von Spritzern beim Laserstrahlschweißen metallischer Bauteile reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren zum Laserstrahlschweißen metallischer Werkstücke, welche mittels zweier Laserstrahlern behandelt werden, die entlang einer vorgegebenen Bahnkurve über einen Schweißnahtbereich bewegt werden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die beiden Laserstrahlen mit einem vorgegebenen Abstand zueinander über den Schweißnahtbereich bewegt werden. Hierdurch kann die eingebrachte Leistung im Schweißnahtbereich zeitlich und räumlich entzerrt werden, wobei durch den zuerst über den Schweißnahtbereich bewegten Laser eine Vorwärmung und gegebenenfalls ein oberflächliches Anschmelzen (Wärmeleitungsschweißen) des Schweißnahtbereiches erzielt wird. Durch die räumlich und zeitlich besser verteilte Leistungseinbringung wird das Auftreten von Spritzern reduziert, so dass die damit einhergehende Beeinträchtigung einer Funktionsfähigkeit des so behandelten Bauteils vermieden wird. Auch die Verminderung der Prozesssicherheit des Schweißverfahrens, beispielsweise Schutzglas-Verschmutzung, durch sich auf Komponenten der Schweißanlage absetzende Spritzer wird hierdurch vermieden.
Vorzugsweise weist derjenige Laserstrahl, welcher zuerst über den Schweißnahtbereich bewegt wird, eine geringere Leistungsdichte auf als der andere Laserstrahl. Der später über den Schweißnahtbereich bewegte Strahl mit höherer Leistungsdichte wird für das eigentliche tiefe Durchschweißen der zu behandelnden Werkstücke verwendet und trifft auf das bereits zumindest teilweise erzeugte Schmelzbad, was das Auftreten von Spritzern besonders stark reduziert. Das durch den zweiten Laserstrahl durchgeführte Tiefschweißverfahren unterscheidet sich daher von dem durch den ersten Laserstrahl durchgeführte Wärmeleitungsschweißen.
Die beiden Laserstrahlen können in einer Ausführungsform der Erfindung von einer gemeinsamen Laserstrahlquelle bereitgestellt werden. Zur Erzeugung der beiden getrennten Strahlen wird dann eine entsprechende Strahlteileroptik verwendet, wobei durch den Winkel des Strahlteilers zum Ursprungstrahl sowie gegebenenfalls durch die Verwendung von Filterelementen das gewünschte Verhältnis der Leistungsdichten der beiden Laserstrahlen eingestellt werden kann. Alternativ hierzu ist auch die Verwendung zweier getrennter Laserstrahlquellen möglich. Dies ermöglicht nicht nur eine wesentlich freiere Einstellung der Leistungsdichten für die beiden Strahlen, sondern eröffnet auch die Option, gegebenenfalls Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu verwenden, um so beispielsweise dem veränderten Absorptionsverhalten des durch den ersten Lasers bereits vorgewärmten und gegebenenfalls oberflächlich aufgeschmolzenen Schweißnahtbereichs Rechnung zu tragen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen metallische Werkstücke, welche dazu ausgelegt ist, zwei Laserstrahlen bereitzustellen, die entlang einer vorgegebenen Bahnkurve über einen Schweißnahtbereich bewegbar sind. Diese Bahnkurve wird dabei in der Regel durch eine Relativbewegung des Werkstücks zu den Schweißoptiken erzeugt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die beiden Laserstrahlen mit einem vorgegebenen Abstand zueinander über den Schweißnahtbereich bewegbar sind. Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt, kann so eine räumliche und zeitliche Verteilung des Leistungseintrages in den Schweißnahtbereich erzielt werden, welche die Spritzerneigung des Schweißbades deutlich reduziert.
Vorzugsweise sind mittels der Vorrichtung zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Leistungsdichte bereitstellbar. Dies kann durch die Verwendung einer einzelnen Laserstrahlquelle mit einer entsprechenden Strahlteilungsoptik oder auch durch die Verwendung zweier getrennter Laserstrahlquellen realisiert werden. Die jeweiligen Vorteile der beiden Alternativen wurden ebenfalls bereits im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines metallischen Bauteils beim Schweißen mittels eines herkömmlichen Laserstrahlschweißverfahrens nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines metallischen Bauteils beim Schweißen mittels eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beim Schweißen eines metallischen Werkstücks 10 mittels eines Laserstrahls 12 wird üblicherweise, wie in 1 dargestellt, lediglich ein einzelner Strahl 12 verwendet, welcher in eine Richtung des Pfeils 14 über eine Oberfläche 16 des Werkstücks 10 geführt wird, welches gegebenenfalls noch in Richtung des Pfeils 18, also in Gegenrichtung vorgeschoben wird. Durch den Strahl 12, der eine hohe Leistungsdichte aufweist, ergibt sich ein Schmelzbad 20, welches schmal und tief ausgebildet ist – das so genannte Keyhole. Durch die hohe Leistungseinbringung im Bereich des Schmelzbades 20 kann es jedoch zur Ablösung von Spritzern von der Oberfläche 16 des Bauteils 10 im Schmelzbadbereich kommen, die üblicherweise bevorzugt entgegen der Vorschubrichtung, also in Richtung der Pfeile 22 von der Oberfläche 16 weg geschleudert werden. Diese Spritzer können sich somit auf der Oberfläche 16 des Bauteils 10, als auch auf Komponenten der Laserschweißanlage abscheiden, was zu einer Verschlechterung des Schweißergebnisses und zu einer Beeinträchtigung der Prozesssicherheit beim Schweißen führen kann.
Um das Schweißergebnis zu verbessern, werden, wie in 2 und 3 dargestellt, zwei Laserstrahlen 12, 24 zum Schweißen des Bauteils 10 verwendet, die ebenfalls in Richtung des Pfeils 14 über die Oberfläche 16 des Bauteils 10 geführt werden. Die Laserstrahlen 12, 24 sind dabei jedoch örtlich versetzt, so dass zunächst der Laserstrahl 12 den Schweißnahtbereich passiert und der Laserstrahl 24 darauf folgt. Durch den Laserstrahl 12, der eine geringere Leistungsdichte aufweist als der Laserstrahl 24, wird zunächst ein flaches Schmelzbad 26 erzeugt. Der zweite Laserstrahl 24 trifft im Bereich dieses Schmelzbades 26, also in einem bereits aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des Bauteils 10 auf und sorgt dann erst für die Ausbildung des eigentlichen Keyholes 20 und damit für die vollständige Durchschweißung. Hierdurch wird die gesamte für den Schweißprozess notwendige Leistung nicht mehr auf einem Punkt der Bauteiloberfläche 16 konzentriert, sondern vielmehr örtlich und zeitlich versetzt eingebracht. Dies reduziert die Spritzerneigung des Schmelzbades 20 beträchtlich.
Wie 3 zeigt, kann zur Erzeugung der Strahlen 12, 24 eine Vorrichtung 28 mit zwei Schweißoptiken 30, 32 zur Fokussierung des Laserstrahls auf den Schweißbereich 34 verwendet werden. Alternativ zur Verwendung separater Schweißoptiken ist auch die Verwendung einer kombinierten Schweißoptik mit Strahlteilerfunktion bzw. Aufnahme zweier Lichtleitkabel möglich.
Die Relativbewegung zwischen dem Bauteil 10 und den Schweißoptiken 30, 32 erfolgt hier lediglich durch Vorschub des Bauteils 10 in Richtung des Pfeils 18. Die Schweißoptik 30 stellt hierbei den Strahl 12 bereit, der für ein oberflächiges Aufschmelzen des Schweißnahtbereichs 34 sorgt (Wärmeleitungsschweißen), während die Schweißoptik 32 den Strahl 24 zum Tiefschweißen erzeugt. Hierdurch kann eine spritzerfreie und hochqualitative Schweißnaht 34 bereitgestellt werden. Alternativ zur gezeigten Verwendung zweier getrennter Schweißoptiken 30, 32 ist selbstverständlich auch die Verwendung eines einzelnen Lasers mit einer entsprechenden Strahlteileroptik möglich.
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

GB 2175737 A [0003]

Claims

Verfahren zum Laserstrahlschweißen metallischer Werkstücke (10), welche mittels zweier Laserstrahlen (12, 24) behandelt werden, die entlang einer vorgegebenen Bahnkurve über einen Schweißnahtbereich (34) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserstrahlen (12, 24) mit einem vorgegebenen Abstand zueinander über den Schweißnahtbereich (34) bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Laserstrahl (12), welcher zuerst über den Schweißnahtbereich (34) bewegt wird, eine geringere Leistungsdichte aufweist als der andere Laserstrahl (24).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserstrahlen (12, 24) von einer gemeinsamen Laserstrahlquelle sowie einer Strahlteileroptik bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserstrahlen (12, 24) von zwei getrennten Schweißoptiken (30, 32) bereitgestellt werden.
Vorrichtung (28) zum Laserstrahlschweißen metallischer Werkstücke (10), welche dazu ausgelegt ist, zwei Laserstrahlen (12, 24) bereitzustellen, die entlang einer vorgegebenen Bahnkurve über einen Schweißnahtbereich (34) bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserstrahlen (12, 24) mit einem vorgegebenen Abstand zueinander über den Schweißnahtbereich (34) bewegbar sind.
Vorrichtung (28) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vorrichtung (28) zwei Laserstrahlen (12, 24) unterschiedlicher Leistungsdichte bereitstellbar sind.
Vorrichtung (28) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (28) eine Laserstrahlquelle und eine Strahlteilungsoptik aufweist.
Vorrichtung (28) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (28) zwei Schweißoptiken (30, 32) aufweist.