DE102012008940A1

DE102012008940A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von mindestens zwei Werkstücken

Info

Publication number: DE102012008940A1
Application number: DE102012008940A
Authority: DE
Inventors: Felix Schmitt; Benjamin Mehlmann; Arnold Gillner; Dr. Olowinsky Alexander; Dirk Havermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: DE102012008940B4; WO2013167240A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von mindestens zwei Werkstücken aus gleichartigen oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen zu einem Bauteil mittels eines kontinuierlich emittierenden Laserstrahls durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Fügefläche, indem der Laserstrahl in einer Wechselwirkungszone im Bereich der Fügefläche teilweise absorbiert wird und ein Schmelzbad ausbildet, wobei ein Teil der Fügefläche von dem Schmelzbad erfasst wird und dieser Teil nach dem Erstarren der Schmelze einen tragenden Querschnitt bildet, wobei der Laserstrahl entlang der Fügefläche auf einen kleinen Strahlquerschnitt, mit einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse in Richtung der Flächennormalen der Oberfläche der Werkstücke, auf die der Laserstahl auftrifft, fokussiert wird und der Laserstrahl entlang der Fügefläche der Werkstücke geführt wird, indem der Vorschubrichtung des Laserstrahls eine zweite Bewegung mit einer oszillierenden Bewegungskomponenten sowohl in Vorschubrichtung als auch senkrecht dazu überlagert wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit einer eine Dampfkapillare in den Werkstücken ausbildenden Intensität eingesetzt wird und dass der Laserstrahl kontinuierlich in die Dampfkapillare eingekoppelt wird und von dieser Dampfkapillare ausgehend ein radialer Energietransport in die Werkstücke derart stattfindet, dass die Oszillation des Laserstrahls und damit der Dampfkapillare zumindest senkrecht zur Vorschubrichtung einen zum Mittelpunkt der oszillierenden Bewegung hin gerichteten Energietransport, und dadurch eine Schmelzzone erzeugend, bewirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Werkstücken aus gleichartigen oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen zu einem Bauteil mittels eines kontinuierlich emittierenden Laserstrahls durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Fügefläche, indem der Laserstrahl in einer Wechselwirkungszone im Bereich der Fügefläche teilweise absorbiert wird und ein Schmelzbad ausbildet, wobei ein Teil der Fügefläche von dem Schmelzbad erfasst wird und dieser Teil nach dem Erstarren der Schmelze einen tragenden Querschnitt bildet, wobei der Laserstrahl entlang der Fügefläche auf einen kleinen Strahlquerschnitt, mit einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse in Richtung der Flächennormalen der Oberfläche der Werkstücke, auf die der Laserstahl auftrifft, fokussiert wird und der Laserstrahl entlang der Fügefläche der Werkstücke geführt, indem der Vorschubrichtung des Laserstrahls eine zweite Bewegung mit einer oszillierenden Bewegungskomponenten sowohl in Vorschubrichtung als auch senkrecht dazu überlagert wird.
Beim Fügen mit Laserstrahlung, das heißt beim Schweißen und Löten, wird zur Zeit überwiegend ein singulärer fokussierter Laserstrahl verwendet, der entlang der Schweißkontur beziehungsweise Fügekontur bewegt wird. Aufheizdauer, Schmelzdauer, Schmelztemperatur und Abkühlzeit sind bei diesem Vorgehen lediglich durch die Geschwindigkeit des Laserstrahls, den Strahldurchmesser und die Laserleistung bestimmt. Diese drei Parameter bestimmen damit im Wesentlichen die Schmelztiefe, Schmelzbreite sowie die Erstarrungsstruktur. Mögliche Schweißfehler, wie Lunker, Anbindungsfehler und festigkeitsreduzierende, dendritische, intermetallische Phasen, können nur durch die Variation dieser drei Parameter unterdrückt werden.
In Einzelfällen wird über diese weit verbreitete Verfahrenstechnik hinaus auch das Simultan-Fügeverfahren angewendet, bei dem entlang der Fügekontur einzelne Diodenlaser bzw. Strahlfokussierelemente angebracht sind und bei dem Aufheizdauer, Schmelzzeit und Abkühlverhalten durch die Wahl der Anschaltzeit des Diodenlasers bzw. der Diodenlaser variiert werden können. Allerdings kann bei diesem Verfahren nicht auf lokale Änderungen im Prozess reagiert werden.
Beim Metallschweißen wird derzeit in Einzelfällen zur Einstellung eines definierten Temperaturheizprofils mit der Möglichkeit das Erstarrungsverhalten und damit zum Beispiel die Härte der Schweißnaht zu beeinflussen eine starre Doppelspot-Fokussieroptik verwendet, bei der der Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird; auf diese Weise kann man durch unterschiedliche Wahl der Leistungsverteilungen ein bestimmtes Temperaturprofil einstellen. Darüber hinaus werden zusätzliche Heiztechniken, wie Induktion oder auch ein zweiter Laser, für die Einstellung eines wählbaren Temperaturzyklus verwendet.
Alle bisher verwendeten Systeme zur zeitlichen Modifikation der Temperaturverteilung im Werkstück beim Fügen mit Laserstrahlung sind entweder auf eine starre örtliche Energieverteilung begrenzt bzw. erlauben nur, wie beim Quasi-Simultan-Verfahren, die Bearbeitung begrenzter Bauteilgrößen. Auch ist mit den bisherigen Methoden keine Reaktion auf sich verändernde Prozessgrößen und dementsprechend keine Steigerung der Prozessstabilität möglich. Darüber hinaus ist mit diesen Ansätzen bezogen auf die eingesetzte Laserleistung keine Steigerung von Einschweißtiefe und Schweißnahtbreite bzw. Schweißgeschwindigkeit zu erreichen. Lediglich eine gezielte Vorwärmung oder Nachwärmung der Fügezone, zum Beispiel zur Vermeidung von Aufhärtungen, ist mit diesen Techniken möglich. Eine variable Temperaturführung in der Fügezone in Abhängigkeit der jeweiligen Bauteilgeometrie ist mit diesen starren Hybridansätzen nicht möglich.
Grundsätzlich ergeben sich infolge der Strahleigenschaften brillanter Laserstrahlquellen, wie Fokusdurchmessern < 50 μm und Divergenzwinkeln < 3°, schlanke, schmale Schweißnähte mit einem Aspektverhältnis, das bedeutet einem Verhältnis von Schweißnahttiefe zu Schweißnahtbreite, von mehr als 10:1. Für die in der Mikrotechnik häufig angewendete Überlappstoßkonfiguration ist diese Eigenschaft jedoch nicht unbedingt vorteilhaft, da sie zu sehr geringen Anbindungsquerschnitten in der Stoßebene führt. Darüber hinaus besteht beim Überlappstoß die Problematik, dass eine Prozessschwankung oder Prozessinstabilität zu einer variierenden Einschweißtiefe und zu unterschiedlichen Anbindungsbreiten in der Stoßebene zwischen den beiden Fügepartnern führt.
Die funktionalen Größen der Schweißverbindung, wie Festigkeit oder elektrischer Übergangswiderstand, werden durch eine sich ausbildende v-förmige Schweißnahtgeometrie, deren Nahtbreite in starkem Maße von der Einschweißtiefe abhängig ist, verändert. Da die Instabilitäten im Schweißprozess bzw. die Toleranzen in der Produktion nicht zu unterbinden sind, ist für eine Stabilisierung des Schweißprozesses die Ausbildung einer rechteckigen Nahtgeometrie mit steilen Schmelzbadflanken wünschenswert.
Eine Verfahrensvariante der örtlichen Leistungsmodulation beim Laserstrahlschweißen stellt die starre Leistungsdichteverteilung mit mehreren angeordneten Foki dar. Zur Vermeidung von Prozessfehlern und zur Steigerung der Stabilität der Dampfkapillare ist die Mehrfokustechnik ein geeignetes Mittel. Durch die Anordnung zweier hinter- oder nebeneinander angeordneter Foki wird zum einen die Kapillare vergrößert und das Abströmen des Metalldampfs erleichtert. Bei einem größeren Abstand der beiden Foki von > 1,5 d₀, wobei d₀ den Fokusdurchmesser angibt, und der Ausbildung zweier getrennter Dampfkapillaren wird die Umströmungsgeschwindigkeit der Schmelze reduziert und die Grenze zur Entstehung von Nahtimperfektionen, wie Humping, kann zu größeren Vorschubgeschwindigkeiten verschoben werden.
In der US 4,369,348 wird eine Systemtechnik zur Ablenkung eines Strahls bei Frequenzen bis 1000 Hz für Laserschweißanwendungen beschrieben, bei der über einen durch elektromagnetische Antriebe angeregten Kupferspiegel eine Vergrößerung des Fokusdurchmessers erfolgt. Die Beschreibung konzentriert sich ausschließlich auf die notwendige Systemtechnik.
Das für Überlappschweißverbindungen vorteilhafte größere Schmelzbad durch Anwendung einer örtlichen Leistungsmodulation wird in der US 6,740,845 B2 beschrieben. Um bei einem Laserschweißprozess einen größeren Anbindungsquerschnitt zu erzielen, werden verschiedene Oszillationsgeometrien, wie Kreise, Ellipsen und beliebig angeordnete Linien, vorgeschlagen. Die dabei angewendeten Oszillationsfrequenzen liegen im niederfrequenten Bereich zwischen 5–120 Hz und die Vorschubgeschwindigkeiten sind, da eine Methodik beschrieben wird, die beim Makroschweißen Anwendung findet, auf weniger als 10 m/min limitiert.
Die WO 2006/027013 A1 beschreibt eine der Vorschubbewegung überlagerte, einachsige Pendelbewegung, um beim Laserschweißen härtbarer Stähle die Rissausbildung zu reduzieren. Die Anpassung der Oszillationsamplitude und -frequenz in Abhängigkeit geometrischer und schweißtechnisch relevanter Randbedingungen, wie z. B. größerer Wandstärken oder Werkstoffen mit veränderten thermophysikalischen Eigenschaften, wird beschrieben. Die angegebenen Oszillationsfrequenzen betragen einige 10 Hz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Werkstücken aus gleichartigen oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen zu einem Bauteil mittels eines kontinuierlich emittierenden Laserstrahls durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Fügefläche zu schaffen, das gegenüber herkömmlichen Verfahren eine höhere Prozesseffizienz bezogen auf die Einschweißtiefe bei gleicher Leistung, einen definierten Anbindungsquerschnitt, verbesserte Spaltüberbrückbarkeit und eine definierte Aufmischung der zwei Fügepartner ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Laserstrahl mit einer eine Dampfkapillare in den Werkstücken ausbildenden Intensität eingesetzt. Dieser Laserstrahl wird kontinuierlich in die Dampfkapillare eingekoppelt. Von dieser Dampfkapillare ausgehend findet ein radialer Energietransport in die Werkstücke statt. Die Oszillation des Laserstrahls und damit die Oszillation der Dampfkapillare bewirkt zumindest senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls einen zum Mittelpunkt der oszillierenden Bewegung hin gerichteten Energietransport und erzeugt dadurch eine Schmelzzone.
Durch den Energietransport kann eine einstellbare Temperaturverteilung in der Schmelzzone des Werkstücks vorgenommen werden, welche bezogen auf eine Volumenvergrößerung des Schweißguts zwischen der Bahn der Oszillationsbewegung in einem Wärmestau resultieren soll, und bezogen auf die Temperaturverteilung außerhalb der Bahnen der Oszillationsbewegung zu einem gesteuerten Abkühlverhalten führen kann.
Vorzugsweise wird der Laserstrahl in Vorschubrichtung mit 30 mm/s bis 2000 mm/s bewegt und dieser Vorschubbewegung wird eine oszillierende Bewegung überlagert, die bei einem Strahldurchmesser des Laserstrahls im Fokus kleiner 100 μm, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 μm, bei 300 Hertz bis 100 Kilohertz, vorzugsweise im Bereich von 1 Kilohertz, mit einer Oszillationsamplitude im Bereich von 0,02 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,05 mm bis 0,2 mm, abläuft. Mit diesen Verfahrensparametern wird erreicht, dass eine homogene Überlappung und dadurch eine reguläre Schweißnaht gebildet wird. Wenn der Strahldurchmesser im Fokus außerhalb des angegebenen Bereichs liegt, hat dies zur Folge, dass die zum Tiefschweißen erforderliche Schwellintensität nicht erreicht wird. Falls der angegebene Frequenzbereich nicht eingehalten wird, führt dies dazu, dass bei hohen Frequenzen die Wechselwirkungszeit nicht mehr zum Schmelzen des Materials ausreicht und bei zu geringen Frequenzen das Schmelzbad zu groß ist und keine definierte Nahtgeometrie gebildet werden kann. Bei Oszillationsamplituden außerhalb des Bereichs führen die radial nach innen gerichteten Wärmeleitungsverluste nicht mehr zum Aufschmelzen des eingeschlossenen Materialvolumens. Bei Amplituden kleiner als der Strahldurchmesser werden die beschriebenen Effekte nicht mehr erzielt.
Bevorzugt läuft die oszillierende Bewegung des Laserstrahls und damit die Bewegung der Dampfkapillare zweidimensional in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und senkrecht dazu ab, wobei der Bezugspunkt der oszillierenden Bewegung die Lage des Fokus des Laserstrahls ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, unter Einsatz von Hochleitungsfaserlasern und Scheibenlasern mit sehr guter Strahlqualität in Kombination mit einer schnellen örtlichen Laserstrahlablenkung und einer zeitlichen Leistungsmodulation, ist eine Prozess- und bauteilbezogene Anpassung des Temperatur-Zeit-Zyklus im Werkstück und in der Fügezone möglich. Wesentlich ist dabei die Erzeugung eines sehr kleinen Fokusdurchmessers kleiner 100 μm, bevorzugter im Bereich von 10 μm bis 50 μm, noch bevorzugter im Bereich von 10 μm bis 30 μm, je nach angebotener Leistung, bei gleichzeitig hoher Laserleistung im Bereich von 100 W bis 500 W, oder je nach Fokusdurchmesser, auch im Bereich von 500 W bis in den Multi-Kilowattbereich. Kennzeichnend für diese Art der Prozessführung ist, dass sich der Schweißprozess im Bereich des Tiefschweißens mit einer ausgeprägten Dampfkapillare befindet. Tiefschweißen bedeutet, dass ein erheblicher Anteil der Laserleistung innerhalb der gebildeten Dampfkapillare absorbiert wird und die in das Werkstück eingekoppelte Laserleistung nicht mehr hauptsächlich vom Reflexionsgrad des Materials abhängig ist.
Gegenüber dem bekannten Elektronenstrahlschweißen, bei dem der Strahl ebenfalls schnell moduliert wird, zeichnet das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass das Verhältnis von Durchmesser der Dampfkapillare und Vorschubgeschwindigkeit erheblich kleiner ist. Daraus resultiert, dass beim Laserschweißen die relativen Wärmeleitungsverluste zunehmen und einen größeren Einfluss haben.
Beim Schweißen artungleicher Metalle wird die Schmelzbadzusammensetzung und die Konzentrationszusammensetzung über die Wahl der Oszillationsparameter Frequenz und Amplitude eingestellt, wobei durch Erhöhung der Frequenz oder durch Vergrößerung der Amplitude eine größere Durchmischung der beiden Fügepartner erreicht wird.
Weiterhin kann gemäß der Erfindung über die Wahl der Oszillationsparameter eine Steigerung der Prozesseffizienz erzielt werden, indem die Oszillationsamplitude und Oszillationsfrequenz so eingestellt werden, dass bei gegebenen Wärmeleitungseigenschaften des Werkstoffs die Energie innerhalb der Oszillationsgeometrie ausreicht, eine Schmelze zu erzeugen. Durch diese Maßnahmen können entsprechend größere Vorschubgeschwindigkeiten des Laserstrahls bzw. ein größeres Schmelzevolumen eingestellt werden.
Wie bereits erwähnt, können über die Wahl der Oszillationsparameter die Oszillationsamplitude und die Oszillationsfrequenz so eingestellt werden, dass die Wärmeeindringtiefe d_W = sqrt(4Kappa·t) [Quadratwurzel aus 4 Kappa mal t] größer oder gleich der Oszillationsamplitude A ist, wobei Kappa die Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs ist und t die Wechselwirkungszeit des Laserstrahls, gegeben durch die Umlaufgeschwindigkeit der oszillierenden Bewegung und den Strahldurchmesser, ist. Durch diese Maßnahme erfolgt eine Steigerung der Prozesseffizienz.
Durch die Detektion von Prozesssignalen und die rekursive Prozessführung kann auf Schwankungen im Prozess reagiert werden. Außerdem können bei der wiederholten Bearbeitung eines bestimmten Materialvolumens die Laser- und Oszillationsparameter online angepasst werden.
Durch eine örtliche Modulation des Laserstrahls kann eine Stabilisierung des Schweißprozesses, insbesondere eine Stabilisierung der Dampfkapillare, vorgenommen werden. Diese äußert sich durch eine Stabilität der Dampfkapillare, was wiederum zu einer Reduktion der Rauheit der Schweißnahtoberfläche, zu einer Reduktion der Porenanzahl im Schweißbad sowie zu einer reduzierten Anzahl von Auswürfen führt. Dies gilt insbesondere für Werkstoffe, wie Aluminium und Kupfer, die im konventionellen Prozess zu Prozessinstabilitäten neigen.
Durch die örtliche Modulation der Laserstrahlung in Form einer Bewegung des Laserstrahls auf einer Kreisbahn oder einer anderen Bahnform, was als eine Art eines Wobbelns bezeichnet werden kann, kann im Vergleich zu einer linearen Vorschubbewegung des Lasers ohne eine solche Bewegung eine deutlich höhere Schweißtiefe und Schweißnahtbreite erzielt werden. Die senkrecht und gegenüber der Hauptvorschubrichtung rückwärts gerichtete Laserstrahlbewegung wird so gewählt, dass sich die Wärmeleitungsverluste an der Schweißkapillare bzw. an dem jeweiligen Laser-Wechselwirkungspunkt in dem Bereich, der durch die Bewegung des Laserstrahls eingeschlossen ist, derart kumulieren, dass sie zusammen mit dem repetierend wiederkehrenden Laserstrahl eine deutliche Erhöhung der zur Verfügung stehenden Energie zum Schweißen ergeben. Daraus resultiert eine signifikante Erhöhung des aufgeschmolzenen Volumens, ohne die zur Verfügung stehende Laserleistung erhöhen zu müssen. Die Energien von Laserstrahl (E_Laser) und Wärmeleitungsverlust (E_{Wärmeleitungsverlust}) addieren sich dabei zu einer gesamten zur Verfügung stehenden Schweißenergie (E_s) gemäß E_s = E_Laser + E_{Wärmeleitungsverlust}
Gemäß der Erfindung wird der Laserstrahl sowohl zeitlich als auch örtlich mit extrem hoher Frequenz moduliert, woraus sich entsprechende verfahrenstechnische Vorteile ergeben. Eine Einstellung eines definierten Temperaturprofils ist möglich. Diese Einstellung eines definierten Zeit-Temperatur-Profils kann durch ein schnelles Ablenken in Form der Oszillationsbewegungen mit Frequenzen im Multi-Kilohertz-Bereich des Laserstrahls senkrecht zur Vorschubrichtung sowie in geeigneter Weise über eine Verlängerung der Wechselwirkungszone in Bezug auf die eigentliche Schweißzone in Richtung der Fügekontur mit hoher Scanfrequenz je nach Oszillationskontur erreicht werden. Als Oszillationskonturen können dabei einfache Linien, Kreise, Ellipsen, Spiralen, achtförmige Geometrien sowie Mäander und beliebige 2D Geometrien eingesetzt werden. Eine bevorzugte Geometrie ist jedoch eine kreis- bzw. elliptischförmige Geometrie, da mit dieser Geometrie der radial nach innen gerichtete Wärmeleitungsverlust am besten ausgenutzt werden kann.
Durch eine zeitliche Wiederholung der gesamten Oszillationskontur bzw. einzelner Abschnitte der Oszillationskontur lässt sich bauteilbezogen ein bestimmtes prozessspezifisches Temperaturprofil einstellen, das derart gewählt wird, dass gewünschte Abkühlkurven zur Unterbindung von Spannungszuständen und daraus resultierenden Rissentstehungen vermieden werden. Mit diesem Verfahren lassen sich auch bei Konturfügeaufgaben definierte Aufheizprofile sowie Abkühlprofile erzeugen, indem durch die Scanbewegung das Temperaturprofil um den Hauptbestrahlungspunkt herum eingestellt wird.
Durch den schnell bewegten Laserstrahl mit sehr kurzer lokaler Einwirkzeit kann auch bei thermisch empfindlichen Bauteilen, wie z. B. metallisierten Keramiken, die Intensität der Laserstrahlung sehr hoch gewählt werden. Durch die hohen Intensitäten und die kurzen Einwirkzeiten kann dabei die zum Fügen notwendige Energie deutlich reduziert werden. Insofern eignet sich dieses Verfahren besonders auch für Mikrobauteile mit begrenzten Bauteilgeometrien.
Es hat sich gezeigt, dass durch die schnelle, örtliche Modulation in Form überlagerter Oszillationsbewegungen der Laserstrahlung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren die Qualität, Effektivität und Geschwindigkeit des Laserschweißens deutlich gesteigert werden können. Durch die schnelle, örtlich modulierte Laserleistung durch ein Scannen in kreisförmiger, achtförmiger oder anders gearteter, periodisch sich wiederholender Form wird bei der Erstbestrahlung der jeweiligen Bereiche der Werkstücke eine der Streckenenergie entsprechende Schmelzgeometrie hervorgerufen. Wird dann durch die geeignete Oszillationskontur unter Berücksichtigung von Vorschubgeschwindigkeit, Oszillationsfrequenzen und Oszillationsamplituden der noch schmelzflüssige oder der noch nahe der Schmelztemperatur liegende Bereich der Schweißnaht entlang der Fügefläche erneut durch den Laserstrahl beaufschlagt, wird eine deutlich höhere Energie für das Schmelzen genutzt, so dass die Einschweißtiefe und das Schweißgutvolumen steigen bzw. die Schweißgeschwindigkeit bei gleicher Laserleistung deutlich erhöht werden kann. Infolge der ausgebildeten Dampfkapillare wird ein erheblicher Energieanteil in das Werkstück eingekoppelt. Mit zunehmender Tiefe der Dampfkapillare wird dieser Prozess effizienter und es wird mehr Energie direkt zum Schmelzen des Materialvolumens aufgewendet. Wird eine entsprechend hohe Oszillationsfrequenz eingehalten, die bei üblicherweise verwendeten Amplituden von 0,1 mm bis 0,2 mm bei Frequenzen größer 2 kHz liegen sollte, und der Laserstrahl in den noch schmelzflüssigen Bereich zurückgeführt, muss die nötige Energie zur Überwindung der Schmelzenthalpie nicht mehr aufgebracht werden. Die Oszillationsbewegung, d. h. die Oszillationsfrequenz und -amplitude in Abhängigkeit zur Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls, muss dabei in Abhängigkeit der Wärmeleitung bzw. Energieableitung des jeweiligen Werkstoffes so gewählt werden, dass bei wiederholter Bestrahlung durch den bewegten Laserstrahl der Werkstoff noch aufgeschmolzen ist bzw. noch über eine entsprechend hohe Temperatur verfügt. Auf diese Weise können über die höhere Intensität größere Einschweißtiefen erreicht werden, ohne, wie beim cw-Schweißen, hohe Energien in den Werkstoff einbringen zu müssen.
Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hervorzuheben, dass durch die überlagerte Bewegung insbesondere beim Schweißen in Überlappkonfiguration die vertikalen Antriebsmechanismen der Durchmischung aufgrund reduzierter Wechselwirkungszeiten reduziert werden; hierdurch werden die beiden aufgeschmolzenen Werkstoffe der zu einem Bauteil zu fügenden Werkstücke weniger vermischt, was sich in einer reduzierten Ausbildung unerwünschter, spröder intermetallischer Phasen ausdrückt.
Auch wird durch die überlagerte Oszillationsbewegung beim Schweißen von Werkstoffen, die zu einem instabilen Prozessverhalten neigen, wie beispielsweise Aluminium- oder Kupferwerkstoffe, eine Beruhigung erzielt, die sich in weniger Prozessfehlern ausdrückt. Weiterhin können durch die variable Anpassung der Anbindungsbreiten zwischen den zu schweißenden Werkstoffen die funktionalen Größen einer Schweißverbindung eingestellt werden. Durch die örtliche und zeitliche Variabilität kann eine solche Anpassung auch während des Prozesses erfolgen und es kann, falls erforderlich, auf veränderte Bauteilbedingungen reagiert werden. Schließlich sind eine Verbesserung der Spaltüberbrückbarkeit und geringe Anforderungen an die Kantenvorbereitung beim Schweißen im Stumpfstoß anzuführen, da die Energieeinleitung auf einem größeren Flächenquerschnitt erfolgt.
Die örtliche Modulation der Laserleistung erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass der Laserstrahl mittels eines zweiachsigen Scanners innerhalb eines eng definierten Bereiches um die eigentliche Fügestelle herum derart bewegt wird, dass trotz einer schnellen Oszillationsbewegung im Fügebereich die Prozesstemperatur zum Schmelzen bzw. Schweißen erhalten bleibt und darüber hinaus mittels geeigneter Oszillationsbewegungen im Vorlauf (Bereich, in Bewegungsrichtung des Laserstrahls gesehen, vor dem Laserstrahl) des Schmelzprozesses eine Aufheizung erfolgen kann bzw. im Nachlauf (Bereich, in Bewegungsrichtung des Laserstrahls gesehen, hinter dem Laserstrahl) des Schmelzprozesses ein definiertes Abkühlen erreicht wird. Der Scanbereich senkrecht zur Schweißrichtung beträgt dabei typischerweise 20 μm bis 500 μm (Oszillationsamplitude). In Schweißrichtung kann dieser Scanbereich je nach gewünschter Vorheizung bzw. Nachheizung in Vorschubrichtung auf einige Millimeter ausgedehnt werden.
Die zur Optimierung der Vorheiz-, Schmelz- und Abkühlphase einzustellenden Oszillationsgeometrien können durch einfache Linien-, Kreis-, Ellipsen- und Spiralbewegungen, achtförmige Geometrien, sinusförmige Geometrien, mäanderförmige Geometrien und weitere Freiform-Geometrien gebildet werden, die ein dem Bearbeitungsprozess angepasstes zeitlich und örtlich moduliertes Temperaturprofil ergeben. Bei einer überlagerten Vorschub- und Oszillationsbewegung können prozessabhängig über Mehrfach-Scans bei gleichzeitiger Variation der Laserleistung definierte Temperaturprofile erzeugt werden. Die geometrischen Größen der überlagerten Bewegung können auch online während des Prozessablaufs variiert werden, wenn dies aufgrund des Prozesszustandes erforderlich wird.
Im einfachsten Fall kann die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer einzigen schnellen Strahlablenkeinheit erfolgen, die sowohl die örtliche Modulation als auch den Vorschub entlang der geforderten Kontur ermöglicht, zum Beispiel durch Galvanometerscanner. Alternativ wird für die Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahrenstechnik eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Bewegungssystemen eingesetzt. Dabei übernimmt ein erstes Bewegungssystem entweder als Lineartisch-Kombination oder in Form eines Galvanometerscanners die Bestrahlung entlang der eigentlichen Schweißbahn (Makrogeometrie).
Ein zweiter hochdynamischer Scanner, der entweder als Galvanometerscanner oder bei hohen Scanngeschwindigkeiten als elektrooptischer, akustooptischer oder phasenschiebender Scanner ausgeführt wird, übernimmt die schnelle Oszillation der Laserstrahlung um einen Bezugspunkt (Mikrogeometrie) und sorgt für die Einstellung eines zeitlich und örtlich variablen Temperaturfeldes. Alternativ kann diese zeitliche und örtliche Modulation der Laserstrahlung mittels eines Mikrospiegelarrays erfolgen. Zur Ablenkung der Laserstrahlung werden Galvanometer, akustooptische Deflektoren, Piezosysteme, Phasenschieber, elektrooptische Deflektoren, eingesetzt, wobei den beiden erstgenannten Einrichtungen der Vorzug zu geben ist.
Damit am eigentlichen Bearbeitungsort ein homogenes bzw. entsprechend dem Bearbeitungsprozess einstellbares Temperaturfeld erzeugt werden kann, muss der Mikroscanner Scanfrequenzen von einigen hundert Hertz bis Megahertz ermöglichen. Die Scanamplitude kann dabei von einigen zehn Mikrometern bis einige Millimetern betragen.
Die Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Systemtechnik decken Schweißprozesse von metallischen Werkstoffen mit Laserstrahlung ab.
Beim Schweißen mit Laserstrahlung kann durch das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren bei gleicher Streckenenergie eine deutlich höhere Einschweißtiefe oder ein vergrößertes Schweißgutvolumen erzielt werden, da die in der Oszillationsgeometrie radial nach innen gerichteten Wärmeleitungsverluste zum Schmelzen der eingeschlossenen Materialvolumina genutzt werden. Gleichzeitig werden durch das Verfahren Schweißfehler, wie Lunker und Poren, minimiert. Beim Schweißen von Überlappnähten lassen sich durch die exakte Steuerung des Energiehaushalts im Schweißnahtvolumen Spalte sicher überbrücken, ohne die Qualität der Schweißnaht zu verändern. Durch die variable Einstellung der Schmelzgeometrie und dementsprechend der Anbindungsbreite lassen sich ebenfalls die funktionalen Größen, wie Festigkeit und elektrischer Übergangswiderstand, der Fügeverbindung, beeinflussen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen Schnitt durch das Bauteil der 1 senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls,
3A und 3B zwei schematische Darstellungen in einem Schnitt senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls, wobei 3A den Stand der Technik wiedergibt, während sich 3B auf das erfindungsgemäße Verfahren bezieht, in denen jeweils die durch die Bewegung des Laserstrahls hervorgerufenen Schmelzzustände in den Werkstücken mit zusätzlichen Strömungspfeilen dargestellt sind,
4A und 4B jeweils Temperaturdiagramme, die den Darstellungen der 3A und 3B zugeordnet sind und den Temperaturverlauf an der Werkstückoberfläche in den in den 3A und 3B gezeigten Schnitten zeigen, und
5 eine Darstellung, die mit derjenigen der 1 vergleichbar ist, jedoch mit einer oszillierenden Bewegung des Laserstrahls in Form einer Acht.
Die schematische Darstellung der 1 zeigt eine Draufsicht auf das obere Werkstück 1 von zwei zu fügenden, übereinander liegenden Werkstücken 1, 2, die in der Schnittdarstellung der 2 zu sehen sind. Diese beiden Werkstücke 1, 2 werden durch einen kontinuierlich emittierenden Laserstrahl 3 durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Fügefläche 4, im Bereich derer die beiden Werkstücke 1, 2 aufeinander liegen, gefügt. Hierzu wird der Laserstrahl 3 auf die Oberfläche des oberen Werkstücks 1 gerichtet, wobei die Hauptrichtung der Laserstrahlachse, mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet, in Richtung der Flächennormalen der Oberfläche des Werkstücks 1 verläuft. Der Laserstrahl 3 wird entlang einer vorgegebenen Haupt- oder Vorschubrichtung 6 geführt. Dieser Hauptrichtung bzw. Vorschubrichtung 6 des Laserstrahls 3 wird eine zweite Bewegung überlagert, die in der 1 gezeigten Ausführungsform einen spiralförmigen Verlauf, angedeutet durch die spiralförmige Bewegungsbahn 7, zeigt.
Als Laserstrahl 3 wird, abhängig von dem Werkstoff der beiden zu fügenden Werkstücke 1, 2, bei denen es sich um solche aus gleichartigen oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen handeln kann, ein solcher gewählt, der aufgrund seiner Intensität in den Werkstücken 1, 2 eine Dampfkapillare 8 erzeugt. Der Laserstrahl 3 wird kontinuierlich in diese Dampfkapillare 8 eingekoppelt. Es ist anhand der 1 und 2 ersichtlich, dass diese Dampfkapillare 8 (siehe 2) entsprechend der Bewegungsbahn 7 (siehe 1) einen spiralförmigen Weg beschreibt. Von dieser Dampfkapillare 8 findet ein radialer Energietransport sowohl nach außen als auch zum Mittelpunkt der oszillierenden Bewegung statt. Der Energietransport nach außen, angedeutet durch die Pfeile 9, führt zu Wärmeleitungsverlusten. Dagegen stellt der zum Mittelpunkt der Oszillation gerichtete Energietransport, angedeutet durch die Pfeile 10, die für den Fügeprozess nutzbare Energie dar. Durch diesen zum Mittelpunkt der oszillierenden Bewegung 7 hin gerichteten Energietransport 10 wird ein aufgeschmolzener oder erwärmter Bereich 11 erzeugt. Wesentlich ist, dass die Dampfkapillare 8 ein großes Aspektverhältnis aufgrund der eingesetzten Strahlung aus Strahlquellen hoher Brillanz besitzt. Im unteren Bereich der Bewegungsbahn der Dampfkapillare 8 ergibt sich durch radial nach innen gerichtete Wärmeleitungsverluste ein zusätzlich aufgeschmolzener und nach Prozessende wieder erstarrter Bereich 12, mit dem Vorteil, dass die zum Schmelzen des gesamten Materialvolumens aufzubringende Energie kleiner ist als beim konventionellen linearen Bahnschweißen.
Durch die örtliche Modulation der Laserstrahlung erfolgt eine einstellbare Temperaturverteilung in der Schmelzzone in den Werkstücken 1, 2.
Die Schmelzzone und damit die Volumenvergrößerung des Schweißguts aufgrund des Wärmestaus liegen zwischen der Bahn der Oszillationsbewegung.
Die Bewegung des Laserstrahls 3 in der Vorschubrichtung 6, die der oszillierenden Bewegung 7 überlagert wird, liegt bei 30 mm/s bis 2000 mm/s. Der Strahldurchmesser des Laserstrahls 3 im Fokus (der Fokus liegt bei der Darstellung der 2 an der oberen Kante des oberen Werkstücks) beträgt weniger als 100 μm, vorzugsweise liegt er im Bereich von 10 bis 30 μm, bei 300 Hertz bis 100 Kilohertz, vorzugsweise im Bereich von 1 Kilohertz. Die Oszillationsamplitude, in 2 mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet, liegt im Bereich von 0,02 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,05 mm bis 0,2 mm.
Die in den Figuren dargestellte oszillierende Bewegung läuft zweidimensional in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 und senkrecht dazu ab, wobei der Bezugspunkt der oszillierenden Bewegung in jeder Richtung die Lage des Fokus des Laserstrahls 3 ist.
Die 3A und 3B zeigen zwei schematische Darstellungen in einem Schnitt senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls, wobei 3A den Stand der Technik wiedergibt während sich 3B auf das erfindungsgemäße Verfahren bezieht. Die Darstellung der 3B entspricht derjenigen Darstellung der 2, allerdings sind zusätzlich die Schmelzbadströmungen um die Dampfkapillare 8 herum durch entsprechende Strömungspfeile 13 angedeutet.
Ein Vergleich der 3A, die das Fügen der zwei Werkstücken 1, 2 mit einem nur in der Vorschubrichtung 7 fortschreitenden Laserstrahl 3 darstellt, mit der 3B, die das erfindungsgemäße Verfahren mit der zusätzlichen Oszillation des Laserstrahls 3 und damit der Dampfkapillare 8 erläutert, zeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Beeinflussung der Schmelzbaddynamik erzielt werden kann. Während bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik eine sehr ausgeprägte Aufwärtskomponente der Schmelzbadströmungen, angedeutet durch die Länge der Strömungspfeile 13, vorliegt, ist diese Aufwärtskomponente der Schmelzbadströmung aufgrund der reduzierten Wechselwirkungszeiten erheblich reduziert, angedeutet durch die geringere Länge der Strömungspfeile 13. Weiterhin ergibt sich anhand des Vergleichs der 3A und 3B, dass beim Schweißen artungleicher Werkstoffe weniger Material aus dem unteren Werkstück in das obere transportiert wird und die Durchmischung signifikant reduziert werden kann. Die 4A und 4B, die jeweils Temperaturdiagramme zeigen, die den Darstellungen der 3A und 3B zugeordnet sind, verdeutlichen den Temperaturverlauf in den Werkstücken 1, 2 während des Fügens. Während der Temperaturverlauf bei dem in 4A angewandten Verfahren eine gaußförmige, der Intensität der Laserstrahlung entsprechende, Verteilung zeigt, ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend 4B ein durch die Wahl der Oszillationsbewegung bestimmtes Temperaturprofil, welches nicht der ursprünglichen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung entspricht.
Die 5 zeigt die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren mit einer oszillierenden Bewegung des Laserstrahls, die in Form einer Acht in Vorschubrichtung 6 fortschreitet, durchzuführen. Hierbei können entsprechende Effekte erzielt werden, wie sie anhand der 1 und 2 beschrieben sind. Demzufolge sind in 5 die entsprechenden Bezugszeichen eingesetzt, die auch in 1 verwendet sind, so dass die Ausführungen zu der einen Figur entsprechend auf die andere Figur übertragbar sind. Die Art der oszillierenden Bewegung, wie sie in 5 dargestellt ist, hat gegenüber einer kreisförmigen, oszillierenden Bewegung den Vorteil, dass die Energieeinbringung in Bezug auf die senkrechte Komponente homogenisiert wird und keine Unterschiede in Bezug auf die Streckenenergie infolge der gegen- und mitläufigen Oszillationsbewegung in Bezug zur eigentlichen Schweißbahnrichtung existieren; nachteilig ist jedoch der höhere systemtechnische Aufwand.
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

US 4369348 [0009]
US 6740845 B2 [0010]
WO 2006/027013 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Werkstücken aus gleichartigere oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen zu einem Bauteil mittels eines kontinuierlich emittierenden Laserstrahls durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Fügefläche, indem der Laserstrahl in einer Wechselwirkungszone im Bereich der Fügefläche teilweise absorbiert wird und ein Schmelzbad ausbildet, wobei ein Teil der Fügefläche von dem Schmelzbad erfasst wird und dieser Teil nach dem Erstarren der Schmelze einen tragenden Querschnitt bildet, wobei der Laserstrahl entlang der Fügefläche auf einen kleinen Strahlquerschnitt, mit einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse in Richtung der Flächennormalen der Oberfläche der Werkstücke, auf die der Laserstahl auftrifft, fokussiert wird und der Laserstrahl entlang der Fügefläche der Werkstücke geführt wird, indem der Vorschubrichtung des Laserstrahls eine zweite Bewegung mit einer oszillierenden Bewegungskomponenten sowohl in Vorschubrichtung als auch senkrecht dazu überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit einer eine Dampfkapillare in den Werkstücken ausbildenden Intensität eingesetzt wird und dass der Laserstrahl kontinuierlich in die Dampfkapillare eingekoppelt wird und von dieser Dampfkapillare ausgehend ein radialer Energietransport in die Werkstücke derart stattfindet, dass die Oszillation des Laserstrahls und damit der Dampfkapillare zumindest senkrecht zur Vorschubrichtung einen zum Mittelpunkt der oszillierenden Bewegung hin gerichteten Energietransport, und dadurch eine Schmelzzone erzeugend, bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Energietransport eine einstellbare Temperaturverteilung in der Schmelzzone im Werkstück derart erfolgt, dass bezogen auf eine Volumenvergrößerung des Schweißguts zwischen der Bahn der Oszillationsbewegung ein Wärmestau resultiert, und bezogen auf die Temperaturverteilung außerhalb der Bahn der Oszillationsbewegung ein kontrolliertes Abkühlverhalten erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegung des Laserstrahls in Vorschubrichtung von 30 mm/s bis 2000 mm/s eine oszillierende Bewegung überlagert wird, die bei einem Strahldurchmesser des Laserstrahls im Fokus kleiner 100 μm, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 μm, bei 300 Hertz bis 100 Kilohertz, vorzugsweise im Bereich von 1 Kilohertz, mit einer Oszillationsamplitude im Bereich von 0,02 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,05 mm bis 0,2 mm, abläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Bewegung zweidimensional in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und senkrecht dazu abläuft, wobei der Bezugspunkt der oszillierenden Bewegung die Lage des Fokus des Laserstrahls ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzbadzusammensetzung und die Konzentrationszusammensetzung beim Schweißen artungleicher Metalle über die Wahl der Oszillationsparameter Frequenz und Amplitude eingestellt wird, wobei durch Erhöhung der Frequenz oder durch Vergrößerung der Amplitude eine größere Durchmischung der beiden Fügepartner erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die Wahl der Oszillationsparameter eine Steigerung der Prozesseffizienz erzielt wird, indem die Oszillationsamplitude und Oszillationsfrequenz so eingestellt werden, dass bei gegebenen Wärmeleitungseigenschaften des Werkstoffs die Energie innerhalb der Oszillationsgeometrie ausreicht, eine Schmelze zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Wahl der Oszillationsparameter die Oszillationsamplitude und die Oszillationsfrequenz so eingestellt werden, dass die Wärmeeindringtiefe d_W = sqrt(4Kappa·t) größer oder gleich der Oszillationsamplitude A ist, wobei Kappa die Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs ist und t die Wechselwirkungszeit des Laserstrahls, gegeben durch die Umlaufgeschwindigkeit der oszillierenden Bewegung und den Strahldurchmesser, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Detektion von Prozesssignalen und die rekursive Prozessführung auf Schwankungen im Prozess reagiert werden kann und bei der wiederholten Bearbeitung eines bestimmten Materialvolumens die Laser- und Oszillationsparameter online angepasst werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die örtliche Modulation der Laserstrahlung eine Stabilisierung des Schweißprozesses, insbesondere eine Stabilisierung der Dampfkapillare, vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der örtlichen Modulation der Laserstrahlung ortsabhängig eine zeitliche Leistungsmodulation erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillation des Laserstrahls mittels eines schnellen Scansystems, das bei Oszillationsfrequenzen von bis zu 100 kHz und Oszillationsamplituden im Bereich von 0,02 bis 0,5 mm arbeitet, erfolgt.