DE112006001196B4 - Method and device for thermal joining of materials with refractory oxide surfaces - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum thermischen Fügen von Werkstoffen (7, 8) in einem Fügespalt (5), wobei mindestens ein erster Werkstoff (7) an einer Fügestelle eine Oxidschicht an seiner Oberfläche aufweist, die folgenden Schritte umfassend: – Bereitstellung eines gepulsten Laserstrahls (4); – oberflächennahes Erwärmen des ersten Werkstoffs (7) an der Fügestelle durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl (4), wobei der durch den Laserstrahl bewirkte Wärmeeintrag so gesteuert wird, dass es nicht zur Bildung eines Stichloches im ersten Werkstoff (7) kommt, und wobei der Laserstrahl (4) so in den Fügespalt (5) zwischen den zu fügenden Werkstoffen gerichtet wird, dass er auf den ersten Werkstoff (7) seitlich verschoben auftrifft, wodurch an den Seitenwänden des Fügespalts (5) eine teilweise Reflexion (9) des Laserstrahls (4) erfolgt, wodurch der Laserstrahl (4) weitergeleitet wird, um die an den Seitenwänden des Fügespalts (5) festhaftende Oxidschicht thermisch zu zerstören; – Bereitstellung eines geregelten Lichtbogens (6); – Aufschmelzen der zu...A method for the thermal joining of materials (7, 8) in a joint gap (5), at least one first material (7) having an oxide layer on its surface at a joint, comprising the following steps: - providing a pulsed laser beam (4); - near the surface heating of the first material (7) at the joint by irradiation with the laser beam (4), whereby the heat input caused by the laser beam is controlled so that there is no formation of a needle hole in the first material (7), and the Laser beam (4) is directed into the joint gap (5) between the materials to be joined in such a way that it strikes the first material (7) in a laterally displaced manner, as a result of which a partial reflection (9) of the laser beam (9) on the side walls of the joint gap (5) 4) takes place, whereby the laser beam (4) is passed on in order to thermally destroy the oxide layer adhering to the side walls of the joint gap (5); - Provision of a regulated arc (6); - Melting the to ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von Werkstoffen mit mindestens einer hochschmelzenden oxidbehafteten Oberfläche unter Verwendung eines geregelten Kurzlichtbogens.The invention relates to a method and a device for the thermal joining of materials with at least one refractory oxide surface using a controlled short arc.

Verfahren zum thermischen Fügen von gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Um jedoch den gestiegenen Anforderungen an die Qualität und Quantität der thermischen Fügeverfahren, die aus den stetig wachsenden Anwendungsbedürfnissen resultieren, zu genügen, werden einzelne technologische Prozesse dieser Fügeverfahren miteinander kombiniert, wobei konventionelle Lichtbogen- und innovative Laserstrahlverfahren immer häufiger eingesetzt und weiterentwickelt werden. Dieser Trend ist darin begründet, dass seit wenigen Jahren Hochleistungslaserquellen für einen industriellen Einsatz zur Verfügung stehen. Bis dahin waren ihre Sicherheit, Kontinuität und Lebensdauer nicht immer gewährleistet.Methods for thermal joining of the same or different materials are well known in the art. However, in order to meet the increased demands on the quality and quantity of the thermal joining processes resulting from the ever increasing application needs, individual technological processes of these joining methods are combined with each other, whereby conventional arc and innovative laser beam methods are used and developed more and more frequently. This trend is due to the fact that high-power laser sources have been available for industrial use for a few years now. Until then, their safety, continuity and lifetime were not always guaranteed.

Die bekannten Verfahren werden miteinander kombiniert, um ihre jeweiligen Vorteile prozessgerecht ausnutzen zu können. Der Laserstrahl bietet einerseits die Möglichkeit ein hohes Tiefe-zu-Breite-Verhältnis zu erzielen und somit auch dickere Blechstärken in kurzer Zeit miteinander zu verschweißen. Andererseits ist die Toleranz beim Laserstrahlschweißen gegenüber geometrischen Schwankungen der Blechanordnungen und Versatz sehr gering. Große Spalte können beispielsweise mit dem Laserstrahl nur bedingt überbrückt werden.The known methods are combined with one another in order to be able to exploit their respective advantages in a process-oriented manner. On the one hand, the laser beam offers the possibility of achieving a high depth-to-width ratio and thus also of welding thicker sheet metal thicknesses in a short time. On the other hand, the tolerance in laser beam welding compared to geometric variations of the plate assemblies and offset is very low. Large gaps can be bridged only to a limited extent, for example, with the laser beam.

Der Lichtbogen dagegen zeichnet sich durch breitere Schmelzbäder aus, auch wenn die erzielbare Schweißgeschwindigkeit sehr gering ist.In contrast, the arc is characterized by wider melt baths, even if the achievable welding speed is very low.

Das Zusammenführen beider Verfahren vereinigt die Vorteile und minimiert die Nachteile. Praktisch gesehen werden sowohl Lichtbogen (oder Plasma) und Laserstrahl auf den gleichen Bearbeitungspunkt gerichtet. Der Laserstrahl (der in Schweißrichtung vor dem Lichtbogen angeordnet ist) erzeugt das notwendige Stichloch, während der Lichtbogen (oder Plasma) für ein breites Schmelzbad und somit für die Spaltüberbrückbarkeit sorgt.Merging both methods combines the advantages and minimizes the disadvantages. In practice, both arc (or plasma) and laser beam are directed to the same processing point. The laser beam (which is positioned in the welding direction in front of the arc) creates the necessary stitch hole, while the arc (or plasma) provides for a wide melt pool and thus gap bridgeability.

Auch für die Oberflächenbeschichtung ist die Kombination dieser Verfahren bereits bekannt, wobei hier im Vordergrund das Ziel eines verbesserten Energiemanagement durch Vorwärmen des Grundwerkstoffes und des Zusatzwerkstoffes liegt.For the surface coating, the combination of these methods is already known, with the focus here is the goal of improved energy management by preheating the base material and the filler material.

Aus der JP 2004298903 ist eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen bekannt, welche zum Verschweißen von galvanisierten Stählen mit nichtgalvanisierten Stählen dient. Stähle können beispielsweise aus Korrosionsgründen mit einem niedrigschmelzenden metallischen Überzug versehen werden. In der Regel wird Zink eingesetzt, das eine Schmelztemperatur von 420°C und eine Verdampfungstemperatur von 907°C aufweist. Beim Schweißen führt die Zinkverdampfung zu Prozessunregelmäßigkeiten, die störend für das Ergebnis sind. Um einen störungsfreien Schweißprozess durchführen zu können, wird vor dem eigentlichen Lichtbogenschweißprozess die Zinkbeschichtung mit einer stark defokussierten Laserstrahlung mit niedriger Leistung beseitigt. Ein kurzzeitiges Einwirken des Laserstrahls ist bei dieser Lösung nicht erforderlich, da die Zinkschicht weit vor dem Grundwerkstoff aufschmilzt.From the JP 2004298903 For example, a device for arc welding is known, which is used for welding galvanized steels with non-galvanized steels. For example, steels can be provided with a low-melting metallic coating for reasons of corrosion. As a rule, zinc is used, which has a melting temperature of 420 ° C and an evaporation temperature of 907 ° C. During welding, zinc evaporation leads to process irregularities that are detrimental to the result. In order to carry out a trouble-free welding process, the zinc coating is removed before the actual arc welding process with a strongly defocused laser radiation with low power. A brief action of the laser beam is not required in this solution, since the zinc layer melts far in front of the base material.

Die JP 2002 331373 A beschreibt ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen von Aluminium, das ein stabiles Schweißen auch erlaubt, wenn die Aluminiumlegierung mit einer Oxidschicht überzogen ist. Dem Schweißbrenner wird ein CO2-Laser mit hoher Spitzenleistung zum Zerstören der Oxidschicht vorgeordnet. Dieser ist durch eine Isolationswand vom Schweißdraht getrennt, um eine gegenseitige Beeinflussung zu verhindern.The JP 2002 331373 A describes a method of arc welding aluminum, which also allows stable welding when the aluminum alloy is coated with an oxide layer. The torch is preceded by a high power CO 2 laser to destroy the oxide layer. This is separated from the welding wire by an insulating wall to prevent mutual interference.

Die JP 10225770 betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen eines eloxierten Bauteils, bei der ein vorlaufender Laser die Eloxalschicht entfernt. Das Entfernen der Eloxalschicht, die eine deutlich höhere Dicke als eine Oxidschicht aufweist, wird mit dem Ziel der Erhöhung der Stabilität eines Lichtbogenverfahrens durchgeführt. Der Druckschrift können keine Einzelheiten zu dem verwendeten Lichtbogenverfahren entnommen werden. Außerdem sind keine Hinweise dazu enthalten, ob bei dem vorbekannten Verfahren Oberflächenbereiche aufgeschmolzen werden, was für einen nachträglichen Schweißvorgang auch nicht zwingend erforderlich ist.The JP 10225770 relates to a device for welding an anodized component, in which a leading laser removes the anodized layer. The removal of the anodized layer, which has a significantly greater thickness than an oxide layer, is carried out with the aim of increasing the stability of an arc process. The document can not be found details of the arc method used. In addition, there are no indications as to whether surface areas are melted in the previously known method, which is not absolutely necessary for a subsequent welding operation.

Das thermische Fügen von Mischverbindungen aus Stahl und Aluminium sowie das Auftragschweißen auf Materialien mit einer festhaftenden Oxidschicht ist zur Zeit jedoch nur mit großem Aufwand oder gar nicht möglich, da Stahl und Aluminium beim Abkühlen aus der Schmelze intermetallische Phasen bilden, die zur Rissbildung und Unbrauchbarkeit des Bauteils führen.The thermal joining of mixed compounds made of steel and aluminum as well as cladding on materials with a firmly adhering oxide layer is currently only with great effort or not possible because steel and aluminum form on cooling from the melt intermetallic phases, which contribute to the cracking and unusability of Lead component.

Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Stahl zur Laserstrahlseite positioniert und soweit erwärmt wird, bis das unterliegende Aluminium durch Wärmeleitung schmilzt und mittels geeigneter Flussmittel eine Verbindung beider Werkstoffe hergestellt werden kann.From the prior art, a method is known in which the steel is positioned to the laser beam side and heated until the underlying aluminum melts by heat conduction and a suitable combination of both materials can be produced by means of suitable flux.

Daneben sind auch Verfahren zum thermischen Fügen von Aluminium und Stahl bekannt, bei denen ein für beide Werkstoffe kompatibler Zusatzwerkstoff verwendet wird. Insbesondere eignen sich hierfür Legierungen auf der Basis von Zink, da sie keine intermetallischen Phasen mit Aluminium und Stahl bilden. Jedoch wirkt sich bei diesem Verfahren die niedrige Schmelz- und Siedetemperatur dieser Zinklegierungen nachteilig aus. Es kommt schnell zu einer Überhitzung der Schmelze, verbunden mit einer starken Oxidation (Nahtaussehen), und zu ihrem Verdampfen.In addition, methods for thermal joining of aluminum and steel are known in which a compatible filler material for both materials is used. In particular, are suitable zinc based alloys because they do not form intermetallic phases with aluminum and steel. However, in this process, the low melting and boiling temperature of these zinc alloys is detrimental. It quickly comes to an overheating of the melt, combined with a strong oxidation (seam appearance), and their evaporation.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurden Verfahren entwickelt, bei denen der Lichtbogen nur kurzzeitig brennt und somit der Energieeintrag in die zu verbindenden Werkstoffe deutlich minimiert wird. Hierbei ist jedoch problematisch, dass der sogenannte „kalte Lichtbogen” zwar ein Schmelzbad erzeugt, aber das Fliessen der Schmelze in den Spalt zwischen den zu verbindenden Werkstoffen auf Grund der bestehenden Oxidschicht auf dem nicht angeschmolzenen Aluminium erschwert ist. Darüber hinaus besitzt die so erzeugte Lötnaht eine Überwölbung, die eine nachträgliche Bearbeitung (Finishing im Sichtbereich) erfordert.To avoid this disadvantage, methods have been developed in which the arc burns only for a short time and thus the energy input into the materials to be joined is significantly minimized. However, it is problematic here that although the so-called "cold arc" produces a molten bath, the flow of the melt into the gap between the materials to be joined due to the existing oxide layer on the aluminum which has not been molten is made more difficult. In addition, the solder seam thus produced has an overhang, which requires a subsequent processing (finishing in the field of view).

Zur Vermeidung dieser Nachteile werden beispielsweise Flussmittel eingesetzt, die die Oxidhaut zerstören, ein Fliessen der Schmelze begünstigen und somit eine ansprechende Naht entstehen lassen. Der Einsatz von Flussmitteln ist jedoch in der Großserienfertigung nicht immer erwünscht.To avoid these disadvantages, fluxes are used, for example, which destroy the oxide skin, favor a flow of the melt and thus give rise to an attractive seam. However, the use of flux is not always desirable in mass production.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung der Eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, mit denen es gelingt, die aufgeführten Nachteile zu überwinden und ein kostengünstiges Verfahren zum thermischen Fügen von Materialien, von denen mindestens eines eine hochschmelzende oxidbehaftete Oberfläche besitzt, bereitzustellen, welches den Anforderungen in Qualität und Quantität der modernen Großserienfertigung entspricht.The object of the present invention is therefore to propose a method and a device of the type described at the outset, with which it is possible to overcome the listed disadvantages and to provide a cost-effective method for thermal joining of materials, of which at least one has a refractory oxide-bearing surface , which meets the requirements in quality and quantity of modern mass production.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten bzw. vierten Patentanspruches.According to the invention, the solution of this problem succeeds with the features of the first and fourth claims.

Zum thermischen Fügen von Werkstoffen mit mindestens einer hochschmelzenden oxidbehafteten Oberfläche wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung somit ein geregelter Kurzlichtbogen verwendet. Im Bereich der Fügestelle bzw. Schweißnaht wird vor dem Aufschmelzen der zu fügenden Werkstoffe die festhaftende Oxiddeckschicht mit einem gepulsten Laser zerstört, Dazu wird ein Laser mit mittlerer Leistung (100–500 W) verwendet, der die oxidbehaftete Oberfläche nur kurzzeitig erwärmt, so dass es nicht zur Bildung eines Stichloches kommt.For thermal joining of materials with at least one refractory surface covered with oxide, a controlled short arc is thus used by the device according to the invention. In the region of the joint or weld, the adhering oxide topcoat is destroyed with a pulsed laser prior to melting the materials to be joined. For this purpose, a laser with average power (100-500 W) is used, which heats the oxidized surface only briefly, so that it does not come to the formation of a stitch hole.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Um Werkstoffe mit einer festhaftenden Oxiddeckschicht (z. B. Aluminium) mit Hilfe thermischer Fügeverfahren zu verbinden oder anderweitig thermisch zu bearbeiten (z. B. Auftragschweißen oder Beschichtung) muss diese festhaftende Oxiddeckschicht zerstört werden. Erst danach kann eine metallurgische Verbindung dieser Werkstoffe erfolgen. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass die thermische Belastung so gering wie möglich ist, damit eine geringe Aufmischung dieser Werkstoffe gewährleistet werden kann.In order to bond materials with a firmly adhering oxide covering layer (eg aluminum) by means of thermal joining processes or otherwise to thermally process them (eg build-up welding or coating), this firmly adhering oxide covering layer must be destroyed. Only then can a metallurgical connection of these materials take place. However, it must be taken into account that the thermal load is as low as possible, so that a low mixing of these materials can be ensured.

Daher wird erfindungsgemäß ein geregelter Kurzlichtbogen (z. B. ColdArc) mit einem gepulsten Laser kombiniert. Der vorlaufend angeordnete Laser zerstört thermisch die Oxidschicht durch einen geringen oberflächlichen Wärmeeintrag, während der nachlaufende wärmearme Kurzlichtbogen das Schmelzbad oder die Schmelzschicht erzeugt. Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist die Laserleistung so auszuwählen, dass es nicht zur Bildung eines Stichloches kommt, sondern nur zur kurzzeitigen Erwärmung der Oberfläche (Mittlerer Leistungsbereich 100–500 W). Aufgrund der Multireflektion des Laserstrahls im Spalt zwischen den zu verbindenden Oberflächen wird die Oxidschicht bis in die Tiefe zerstört, so dass eine durchgängige Anbindung ermöglicht wird.Therefore, according to the invention, a controlled short arc (eg ColdArc) is combined with a pulsed laser. The leading laser thermally destroys the oxide layer by a small surface heat input, while the trailing low-heat short arc creates the molten bath or melt layer. In contrast to the known from the prior art method, the laser power is to be selected so that it does not come to the formation of a stitch hole, but only for short-term heating of the surface (average power range 100-500 W). Due to the multi-reflection of the laser beam in the gap between the surfaces to be joined, the oxide layer is destroyed to the depth, so that a continuous connection is made possible.

Der Versatz zwischen Laser und Lichtbogen beträgt mindestens die Hälfte des Düsendurchmessers, so dass eine aktive Beeinflussung des Lichtbogens durch den Laser nicht auftritt. Die Neigung des Laserstrahls zum Lichtbogen oder Spalt ist im Bereich zwischen 0° und 80° variierbar, wobei er auf den Werkstoff mit der festhaftenden hochschmelzenden Oxiddeckschicht seitlich verschoben auftreffen soll.The offset between laser and arc is at least half of the nozzle diameter, so that an active influence of the arc by the laser does not occur. The inclination of the laser beam to the arc or gap is variable in the range between 0 ° and 80 °, wherein it should impinge laterally displaced on the material with the adherent high-melting oxide topcoat.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:Further advantages, details and developments will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention, with reference to the drawings. Show it:

1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht; 1 a schematic diagram of a device according to the invention in a side view;

2 eine Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht. 2 a detailed view of the device according to the invention in a perspective view.

Anhand der 1 und 2, in denen eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von Werkstoffen mit hochschmelzenden oxidbehafteten Oberflächen prinzipiell dargestellt ist, werden nachfolgend die wichtigsten Merkmale dieser Vorrichtung erläutert. Gleichzeitig werden die Verfahrensschritte angegeben, die beim Betrieb dieser Vorrichtung ausgeführt werden, um das thermische Fügen von Werkstoffen durchzuführen.Based on 1 and 2 , in which a device for the thermal joining of materials with high-melting surface oxide surfaces is shown in principle, the most important features of this device are explained below. At the same time, the process steps that are performed during the operation of this device to perform the thermal joining of materials.

Die Vorrichtung umfasst ein Laserstrahlerzeugungsmittel 1 und ein Lichtbogenerzeugungsmittel 2. Zur Ausbildung einer Schweißnaht oder einer flächigen Verbindungsschicht werden diese beiden Mittel gemeinsam bewegt, wie dies durch einen Bewegungspfeil 3 symbolisiert ist. Während des Schweißvorgangs muss der Abstand des Laserstrahlerzeugungsmittels 1 zum Lichtbogenerzeugungsmittel 2 normalerweise nicht verändert werden, es sei denn, dass dies aufgrund baulicher Bedingungen am zu schweißenden Werkstück oder zur Veränderung des Auftreffwinkels des Laserstrahls erforderlich ist, um die gewünschten Bearbeitungspunkte zu erreichen. Die Vorteile einer Winkelveränderung werden weiter unten beschrieben.The device comprises a laser beam generating means 1 and an arc generating means 2 , To form a weld or a flat bonding layer, these two means are moved together, as by a movement arrow 3 is symbolized. During the welding process, the distance of the laser beam generating means 1 to the arc generating means 2 are not normally changed unless this is required due to structural conditions on the workpiece to be welded or to change the angle of incidence of the laser beam in order to achieve the desired processing points. The advantages of an angular change are described below.

Das Laserstrahlerzeugungsmittel 1 wirft einen Laserstrahl 4 auf einen Schweißnahtspalt 5. Dabei wird ein gepulster Laserstrahl verwendet, der hinsichtlich seiner Leistung so dimensioniert ist, dass die auf der Materialoberfläche anhaftende Oxidschicht thermisch zerstört wird, ohne dass es zu einer vollständigen Materialverflüssigung in der gesamten Materialdicke kommt. Der Laserstrahl dringt nur in einen oberflächlichen Bereich des Materials ein und erzeugt dort einen gezielten Wärmeeintrag. Ein Stichloch soll im Werkstück durch den Laserstrahl gerade nicht ausgebildet werden.The laser beam generating means 1 throws a laser beam 4 on a weld gap 5 , In this case, a pulsed laser beam is used, which is dimensioned in terms of its performance so that the oxide layer adhering to the material surface is thermally destroyed, without resulting in a complete material liquefaction in the entire material thickness. The laser beam penetrates only in a superficial region of the material and generates there a targeted heat input. A stitch hole should just not be formed in the workpiece by the laser beam.

Der Laserstrahl 4 bzw. dessen Brennfleck eilt beim Schweißvorgang einem Lichtbogen 6 voraus, welcher durch das Lichtbogenerzeugungsmittel 2 entlang des Schweißnahtspalts 5 erzeugt wird. Vorzugsweise wird ein geregelter Kurzlichtbogen ausgebildet. Der Laserstrahl 4 ist so positioniert, dass nur ein geringer Abstand zum Lichtbogen 6 besteht, jedoch keine Laserstrahlung in den Lichtbogen 6 einfällt. Auf diese Weise wird der eigentliche Schweißvorgang durch den Kurzlichtbogen vollzogen, ohne dass Laserleistung den Schweißvorgang beeinflusst.The laser beam 4 or its focal spot rushes during the welding process an arc 6 preceded by the arc generating means 2 along the weld gap 5 is produced. Preferably, a controlled short arc is formed. The laser beam 4 is positioned so that only a small distance to the arc 6 but no laser radiation into the arc 6 incident. In this way, the actual welding process is performed by the short arc, without laser power affects the welding process.

In 2 ist zur Vereinfachung nur der vom Laserstrahlerzeugungsmittel 1 kommende Laserstrahl 4 gezeigt, wie er auf den Schweißnahtspalt 5 auftrifft. Die Schweißnaht kann zwischen einem ersten Material 7 und einem zweiten Material 8 ausgebildet werden, wobei zumindest das erste Material 7 ein metallischer Werkstoff ist, an welchem eine hochschmelzende oxidbehaftete Oberfläche anhaftet. Das zweite Material 8 kann ebenfalls eine oxidbehaftete Oberfläche aufweisen oder ein anderes Material sein, beispielsweise Stahl. Durch das winklige Auftreffen des Laserstrahls auf die oxidbehaftete Oberfläche kommt es im Schweißnahtspalt 5 zu einer Reflektion des Laserstrahls, die zwischen den beiden Materialien 7, 8 mehrfach erfolgt und durch einen Reflexionspfeil 9 symbolisiert ist. Auf diese Weise wird der Laserstrahl tief in den Schweißnahtspalt 5 hineingeleitet, so dass auch in den tiefer liegenden Bereichen die thermische Zerstörung der Oxidschicht erfolgt.In 2 For simplicity, only the laser beam generating means is used 1 upcoming laser beam 4 shown as he on the weld gap 5 incident. The weld can be between a first material 7 and a second material 8th be formed, wherein at least the first material 7 a metallic material to which adheres a refractory oxide-bearing surface. The second material 8th may also have an oxide surface or another material, such as steel. Due to the angled impact of the laser beam on the oxide surface, it occurs in the weld gap 5 to a reflection of the laser beam between the two materials 7 . 8th done several times and by a reflection arrow 9 is symbolized. In this way, the laser beam is deep in the weld gap 5 led in, so that even in the deeper areas, the thermal destruction of the oxide layer takes place.

Der in 1 eingezeichnete Winkel α zwischen der Strahlrichtung des Laserstrahlerzeugungsmittels 1 und der Strahlrichtung des Lichtbogenerzeugungsmittels 2 ist vorzugsweise variabel, um an die Bearbeitungsbedingungen verschiedener Materialien und Oberflächenformen angepasst zu werden. Der Winkel α beträgt zwischen 0° und 80°.The in 1 drawn angles α between the beam direction of the laser beam generating means 1 and the beam direction of the arc generating means 2 is preferably variable to suit the machining conditions of different materials and surface shapes. The angle α is between 0 ° and 80 °.

Durch die Winkelveränderung der Laserstrahlrichtung kann außerdem eine Anpassung an die Reflexionsfähigkeit der oxidbehafteten Oberfläche vorgenommen werden. Insbesondere wenn ein tieferes Eindringen in den Schweißnahtspalt gewünscht ist, muss der Auftreffwinkel so gewählt werden, dass ein Teil der Laserstrahlung die Oxidschicht am Auftreffpunkt thermisch zerstört und ein ausreichend großer Teil der Laserstrahlung für die Weiterleitung zu tiefer liegenden Spaltabschnitten reflektiert wird.By the change in the angle of the laser beam direction can also be made to adapt to the reflectivity of the oxide surface. In particular, if a deeper penetration into the weld gap is desired, the angle of incidence must be chosen so that a part of the laser radiation thermally destroyed the oxide layer at the point of impact and a sufficiently large part of the laser radiation is reflected for forwarding to deeper gap sections.

Die Neigung des Laserstrahls ist also im doppelten Sinne variierbar, einerseits relativ zum Lichtbogen zwischen 0° und 80° und andererseits zum Fügespalt zwischen 0° und 80°.The inclination of the laser beam is thus variable in the double sense, on the one hand relative to the arc between 0 ° and 80 ° and on the other hand to the joint gap between 0 ° and 80 °.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LaserstrahlerzeugungsmittelLaser beam generation means
22
LichtbogenerzeugungsmittelArc generating means
33
Bewegungspfeilmovement arrow
44
Laserstrahllaser beam
55
Schweißnahtspaltweld gap
66
LichtbogenElectric arc
77
erstes Materialfirst material
88th
zweites Materialsecond material
99
Reflexionspfeilreflection arrow

Claims (7)

Verfahren zum thermischen Fügen von Werkstoffen (7, 8) in einem Fügespalt (5), wobei mindestens ein erster Werkstoff (7) an einer Fügestelle eine Oxidschicht an seiner Oberfläche aufweist, die folgenden Schritte umfassend: – Bereitstellung eines gepulsten Laserstrahls (4); – oberflächennahes Erwärmen des ersten Werkstoffs (7) an der Fügestelle durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl (4), wobei der durch den Laserstrahl bewirkte Wärmeeintrag so gesteuert wird, dass es nicht zur Bildung eines Stichloches im ersten Werkstoff (7) kommt, und wobei der Laserstrahl (4) so in den Fügespalt (5) zwischen den zu fügenden Werkstoffen gerichtet wird, dass er auf den ersten Werkstoff (7) seitlich verschoben auftrifft, wodurch an den Seitenwänden des Fügespalts (5) eine teilweise Reflexion (9) des Laserstrahls (4) erfolgt, wodurch der Laserstrahl (4) weitergeleitet wird, um die an den Seitenwänden des Fügespalts (5) festhaftende Oxidschicht thermisch zu zerstören; – Bereitstellung eines geregelten Lichtbogens (6); – Aufschmelzen der zu fügenden Werkstoffe (7, 8) an der Fügestelle mithilfe des Lichtbogens (6), nachdem die Bestrahlung mit dem Laserstrahl (4) beendet ist, um die Werkstoffe zu fügen.Method for thermal joining of materials ( 7 . 8th ) in a joint gap ( 5 ), wherein at least one first material ( 7 ) has an oxide layer on its surface at a joint, comprising the following steps: - providing a pulsed laser beam ( 4 ); - near-surface heating of the first material ( 7 ) at the joint by irradiation with the laser beam ( 4 ), wherein the heat input caused by the laser beam is controlled such that it does not lead to the formation of a puncture hole in the first material ( 7 ), and wherein the laser beam ( 4 ) so in the joint gap ( 5 ) is directed between the materials to be joined, that it is based on the first material ( 7 ) laterally displaced, causing the Side walls of the joining gap ( 5 ) a partial reflection ( 9 ) of the laser beam ( 4 ), whereby the laser beam ( 4 ) is passed on to the side walls of the joining gap ( 5 ) thermally destroy adherent oxide layer; - provision of a controlled arc ( 6 ); - Melting of the materials to be joined ( 7 . 8th ) at the joint using the arc ( 6 ) after irradiation with the laser beam ( 4 ) is finished to add the materials. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4) in einem Winkel α auf die Oberfläche der Fügestelle gestrahlt wird, der zwischen 0° und 80° von der Lotrechten abweicht.Method according to claim 1, characterized in that the laser beam ( 4 ) is irradiated at an angle α on the surface of the joint, which deviates from 0 ° and 80 ° from the perpendicular. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α an die Bearbeitungsbedingungen im Hinblick auf Material und Oberflächenformen angepasst wird.A method according to claim 2, characterized in that the angle α is adapted to the machining conditions with respect to material and surface shapes. Vorrichtung zum thermischen Fügen von Werkstoffen (7, 8) in einem Fügespalt (5), von denen mindestens ein erster Werkstoff (7) eine hochschmelzende oxidbehafteten Oberfläche aufweist, mit einem Lichtbogenerzeugungsmittel (2) für die Bereitstellung eines geregelten Lichtbogens (6) an einer Fügestelle, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Laserstrahlerzeugungsmittel (1) angeordnet ist, welches einen gepulsten Laserstrahl (4) bereitstellt zum oberflächennahen Erwärmen des ersten Werkstoffs (7) an der Fügestelle durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl (4), wobei der durch den Laserstrahl bewirkte Wärmeeintrag so gesteuert wird, dass es nicht zur Bildung eines Stichloches im ersten Werkstoff (7) kommt, und wobei der Laserstrahl (4) so in den Fügespalt (5) zwischen den zu fügenden Werkstoffen gerichtet wird, dass er auf den ersten Werkstoff (7) seitlich verschoben auftrifft, wodurch an den Seitenwänden des Fügespalts (5) eine teilweise Reflexion (9) des Laserstrahls (4) erfolgt, wodurch der Laserstrahl (4) weitergeleitet wird, um die an den Seitenwänden des Fügespalts (5) festhaftende Oxidschicht thermisch zu zerstören; und dass die zu fügenden Werkstoffe (7, 8) an der Fügestelle durch den Lichtbogen (6) des Lichtbogenerzeugungsmittel (2) aufgeschmolzen werden, nachdem die Bestrahlung mit dem Laserstrahl (4) beendet ist, um die Werkstoffe zu fügen.Device for thermal joining of materials ( 7 . 8th ) in a joint gap ( 5 ), of which at least one first material ( 7 ) has a refractory oxide surface, with an arc generating means ( 2 ) for the provision of a controlled arc ( 6 ) at a joint, characterized in that further comprises a laser beam generating means ( 1 ), which is a pulsed laser beam ( 4 ) provides for near-surface heating of the first material ( 7 ) at the joint by irradiation with the laser beam ( 4 ), wherein the heat input caused by the laser beam is controlled such that it does not lead to the formation of a puncture hole in the first material ( 7 ), and wherein the laser beam ( 4 ) so in the joint gap ( 5 ) is directed between the materials to be joined, that it is based on the first material ( 7 ) laterally displaced, whereby on the side walls of the joint gap ( 5 ) a partial reflection ( 9 ) of the laser beam ( 4 ), whereby the laser beam ( 4 ) is passed on to the side walls of the joining gap ( 5 ) thermally destroy adherent oxide layer; and that the materials to be joined ( 7 . 8th ) at the joint by the arc ( 6 ) of the arc generating means ( 2 ) are melted after the irradiation with the laser beam ( 4 ) is finished to add the materials. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahlerzeugungsmittel (1) einen gepulsten Laserstrahl (4) mit einer Leistung von 100 bis 500 W bereitstellt.Apparatus according to claim 4, characterized in that the laser beam generating means ( 1 ) a pulsed laser beam ( 4 ) with a power of 100 to 500 W. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Laserstrahls (4) zum Lichtbogen (6) zwischen 0° und 80° variierbar ist.Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the inclination of the laser beam ( 4 ) to the arc ( 6 ) is variable between 0 ° and 80 °. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Laserstrahls (4) zum Fügespalt (5) zwischen 0° und 80° variierbar ist.Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the inclination of the laser beam ( 4 ) to the joint gap ( 5 ) is variable between 0 ° and 80 °.
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