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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zwei
Metallteilen, von denen einer ein hohes Reflektionsvermögen
hat, indem ein Laserstrahl nur auf einen Teil gerichtet wird, und
zwar den Teil mit dem geringsten Reflektionsvermögen. In
diesem Verfahren sind Laserschweißparameter wie z. B. Strahlspaltung,
Leistung, Geschwindigkeit und Schweißgeometrie wichtig.
Wenn die richtigen Parameter verwendet werden, können hohe
Schweißgeschwindigkeiten und tiefes Eindringen erzielt
werden, wobei der YAG Laser eine vorteilhafte Alternative zu konventionellen
Verfahren wie z. B. Löten wird.
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Laserschweißen
von rostfreiem Stahl wurde in den späten 1980ern eingeführt
und Widerstandsschweißen (Buckelschweißen) von
komplexen Metallkombinationen wurde in den 1990ern eingeführt.
Jahrzehntelang war das traditionelle Fügeverfahren für
Kupfer, Messing und Zinnbronze Löten. Das Verfahren ist wohl
erprobt und robust, hat aber den Nachteil einer Aufheizung des gesamten
Produkts und die Verwendung eines Lötmaterials und eines
Schutzgases. Logistikmäßig ist die Freiheit gering,
da das Verfahren oft am Anfang der Herstellung liegen muss und das
Produkt früh bestimmt. Kritische Toleranzen müssen
auf Grund einer Wärmeverformung nach dem Löten
oft justiert werden und die nachfolgende Montage von inneren zusätzlichen
Teilen muss spät im Herstellungsprozeß folgen.
Die potentiellen Vorteile bei einem Wechsel von Löten (Ofen
oder Induktion) auf Laserschweißen können wie
folgt zusammengefasst werden:
Qualität: Die Festigkeit
der Kupfer- und Messingmaterialen wird beibehalten.
Umwelt:
Der Energiebedarf ist niedriger und dadurch wird die Umweltbelastung
niedriger.
Logistik: Das Fügen kann überall
während des Herstellungsverfahrens erfolgen.
Kosten:
Schnelleres Verfahren, niedrigere Energie, kein Waschen, keine Glanzbrenne,
kein Lötmaterial (Silber) und kein Flussmittel.
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In
den 1990ern hat man mehrere Versuche gemacht, um ein robustes Laserschweißen
der Kupfer- und Messingteile zu erzielen, war aber im industriellen
Bereich nie erfolgreich auf Grund einer niedrigen Robustheit.
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Die
Danfoss Patentanmeldung
WO
2006/069576 A1 beschreibt ein Laserschweißverfahren,
in dem zwei Teile zusammengeschweißt werden, und der Laserstrahl
wird aus einer Richtung von einer Laserquelle und zumindest teilweise
in ein Schlitz zwischen den beiden Teilen gerichtet. Der Schlitz
fängt den Strahl auf, so dass er nicht wegreflektiert wird
und durch den Schlitz können auch Schweißdämpfe
entweichen.
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Das
Verfahren der Danfoss Patentanmeldung
WO 2006/069576 A1 arbeitet
nicht gut, wenn einer der Teile sehr hochreflektierend ist, z. B.
wenn einer der Teile aus Kupfer gebildet ist. Wenn der Laserstrahl
nicht außerordentlich gut gesteuert wird, kann der Strahl
vom hochreflektierenden Teil reflektiert werden und dadurch wird
zu wenig Energie in die Schweißzone übertragen,
um eine stabile Schweißung zu erzielen.
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DE 103 46 264 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Teilen durch Laserschweißen,
in dem der erste Teil den zweiten Teil abdeckt und es eine Vertiefung
gibt, in der das Schweißen stattfindet. Der Zweck der Vertiefung
ist das Zusammenbringen der beiden Teile.
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Laserschweißen
kann normalerweise nicht in Verbindung mit sehr hochreflektierenden
Metallen verwendet werden. Hochreflektierende Materialien werden
in herkömmlichen Verfahren durch Löten zusammengefügt,
weil das hohe Reflektionsvermögen das Schweißen
ineffektiv macht.
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In
dieser Erfindung wird das Problem des Laserschweißens von
hochreflektierenden Materialien dadurch gelöst, dass ein
erster Teil und ein zweiter Teil durch Laserschweißen zusammengefügt
werden, indem der erste Teil und der zweite Teil aus Metallen oder
Metalllegierungen gebildet sind und das Reflektionsvermögen
des ersten Teils niedriger oder gleich dem Reflektionsvermögen
des zweiten Teils ist. Der erste Teil wird so angeordnet, dass er
zum Teil den zweiten Teil abdeckt und eine Überlappungszone
bildet, wobei ein Laserstrahl auf die Oberfläche des ersten
Teils gerichtet wird und der erste Teil und der zweite Teil durch
die Bildung einer gemeinsamen Schweißzone zusammengefügt
werden. Der erste Teil weist eine Vertiefung auf, und während
des Schweißens wird der Laserstrahl hauptsächlich
in die Vertiefung geleitet und der Laserstrahl wird zumindest teilweise
in der Vertiefung gefangen.
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Der
erste Teil wird so angeordnet, dass er den zweiten Teil überlappt
und ein Laser wird gegen die Oberfläche des ersten Teil
gerichtet und bildet eine gemeinsame Schweißzone, in der
der Laserstrahl durch den ersten Teil in den zweiten Teil hineinschmilzt.
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Der
weniger reflektierende Teil deckt den stärker reflektierenden
Teil ab, so dass der Laserstrahl auf den weniger reflektierenden
Teil gerichtet wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der
Laserstrahl keinen direkten Kontakt zum hoch reflektierenden Teil
hat, so dass weniger Energie von der Schweißzone wegreflektiert
wird. Der weniger reflektierende Teil kann aus Messing gebildet
sein, und der zweite Teil kann aus Kupfer sein. Wenn Messing als
Abdeckung verwendet wird, bekommt der Strahl den notwendigen, guten
Start. Wenn das Verfahren angefangen hat, schmilzt das Messing und überträgt
Wärme in den zweiten Teil, so dass dieser auch in der Schweißzone
schmilzt und der erste Teil schmilzt in den zweiten Teil hinein
und bildet eine qualitativ hochwertige Schweißung.
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Eine
weitere Verbesserung erfolgt durch die Vertiefung. Die Vertiefung
ist im weniger reflektierenden Teil ausgebildet, um den Strahl aufzufangen,
so dass er nicht wegreflektiert wird. Dadurch wird die Energie des Strahls
in der Vertiefung gehalten und beheizt das Metall wirkungsvoller.
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In
DE 103 46 264 A1 ist
die Vertiefung breit und fängt den Laserstrahl nicht auf.
Die Vertiefung in dieser Erfindung ist schmal und fängt
deshalb den Strahl auf, wobei die Reflektionen des Strahls hauptsächlich
in der Vertiefung bleiben und zur Beheizung der Schweißzone
beitragen.
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Die
Vertiefung verjüngt sich in Richtung des Bodens in eine
Konusform. Der Konus weist eine Spitze auf, so dass es keinen flachen
Boden gibt, der Konus kann aber ein abgerundetes Ende haben. Die
Konusform ist ein Vorteil, um die Reflektionen in der Vertiefung
heraus zu halten, wogegen es bei einem flachen Boden einfacher für
die Reflektionen wäre aus der Vertiefung heraus zu gelangen.
Wenn es keinen flachen Boden gibt, wird der reflektierte Strahl
umgelenkt und die Seitenwand der Nut treffen, wobei weitere Energie
zur Beheizung der Schweißzone verteilt wird.
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Die
Vertiefung ist weniger als 1 mm breit; die enge Vertiefung macht
es möglich den größten Teil des Strahls
in der Vertiefung aufzufangen.
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Die
Verwendung eines Infrarot-Lasers zum Schweißen von kupferbasierten
Legierungen bedeutet eine Überwindung des hohen Reflektionsvermögens
des Materials. Es ist klar, dass ein normales Oberflächenschweißen
mit einem Einfallswinkel von 0 Grad auf Grund des mehr als 95% betragenden
Reflektionsvermögens schwierig ist. Es ist ein großer
Vorteil eine Vertiefung auszubilden, die den Strahl bei mehrfachen
Reflektionen und entsprechender Dampf-/Plasmaaufnahme auffängt.
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Ein
Schlitz kann zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil ausgebildet
werden, damit Dämpfe, die durch das Schweißverfahren
erzeugt werden, durch den Schlitz aus der Schweißzone heraus
entweichen können. Typischerweise ist der erste Teil aus
einer Messinglegierung gebildet, die ein Metall enthält,
normalerweise Zink, das einen niedrigen Siedepunkt als der Durchschnittssiedepunkt
der Legierung hat. Dies erzeugt Dampf während des Schweißens
wenn das Zink zu sieden beginnt, und der Schlitz lässt
die Dämpfe aus der Schweißzone entweichen. Der
Vorteil ist, dass die Dämpfe die Schweißzone nicht
stören oder verschmutzen, so dass eine homogenere Schweißung
erzielt wird.
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Messing
besteht aus mehreren Legierungen mit niedrigem Siedepunkt, von denen
Zink in Bezug auf Schweißen die wichtigste ist. Der Zinkdampf
absorbiert das Licht und erzeugt eine gute Ankopplung an das Material – andererseits
stört er auch die Stabilität des Verfahrens auf
Grund der Rückstosskräfte während der Verdampfung.
Das Schweißverfahren wird durch den in den beiden zu schweißenden
Teilen eingebrachten „Entweichungsschlitz” stabilisiert,
weil dadurch die Dämpfe entweichen können.
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Der
erste Teil ist typischerweise aus einer Messinglegierung mit einem
niedrigeren Reflektionsvermögen, wie z. B. Kupfer, gebildet
und der zweite Teil ist typischerweise aus Kupfer oder einer kupferreichen
Legierung gebildet. Normalerweise ist es nicht möglich
ein hochreflektierendes Material wie Kupfer zu schweißen,
aber wenn der Kupferteil mit dem Messingteil abgedeckt wird, und
der Laserstrahl nur mit dem Messingteil in Verbindung kommt, wird
das Schweißen eines hochreflektierenden Materials wie Kupfer
möglich.
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Der
erste Teil ist typischerweise 0,7–1,5 mm dick. Während
des Schweißverfahrens wird der erste Teil durch und durch
geschmolzen und schmilzt in den zweiten Teil hinein. Wenn der erste
Teil zu dick ist, wird es länger dauern den ersten Teil
durchzuschmelzen und in den zweiten Teil hinein zu schmelzen und
die Eindringtiefe in den zweiten Teil wird kleiner, wobei die Schweißung
weniger stabil wird. Wenn aber der erste Teil zu dünn ist,
wird der Zink aus dem Messing brennen, wobei der Messingteil zu
schwach wird. Das Schweißen gibt das beste Ergebnis in
der Mitte des erwähnten Dickeintervalls, insbesondere in
dem Intervall 0,9–1,2 mm.
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Das
beste Ergebnis erreicht man mit einer Schweißgeschwindigkeit
von 10–40 mm/s und eine Laserleistung von 2–3
kW oder mit einer Schweißgeschwindigkeit von 40–70
mm/s und einer Laserleistung von 3–4 kW. Diese Parameter
wurden bei Tests gefunden und ergeben die optimale Schweißqualität.
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Die
Verwendung der optimalen Schweißparameter, wie Strahlspaltung,
Leistung und Schweißgeometrie verbessern das Schweißverfahren
weiter.
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Beschreibung von Zeichnungen
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1 zeigt
eine Ansicht des Schweißverfahrens dieser Erfindung.
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2 zeigt
ein Beispiel zum Einschweißen eines Kupferrohres in einen
Messingteil.
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3a–e
zeigen vier verschiedene Geometrien für 1 für
die Anwendung dieser Erfindung.
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4 zeigt
ein Diagramm über Tiefe und Breite der Schweißung
bei verschiedenen Schweißgeschwindigkeiten.
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5 ist
ein Diagramm über die Schweißtiefe und -breite
als eine Funktion der Messingdicke.
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6 ist
ein Diagramm über das Verhältnis zwischen Leistung
und Schweißgeschwindigkeit.
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Nähere Beschreibung
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1 zeigt
das Prinzip dieses Schweißverfahrens mit einem Laserstrahl 3,
der auf den ersten Teil 1 mit dem niedrigsten Reflektionsvermögen
gerichtet ist, typischerweise gebildet aus Messing, der den zweiten Teil 2 mit
dem höchsten Reflektionsvermögen und typischerweise
aus Kupfer gebildet, abdeckt. Der erste Teil 1 und der
zweite Teil 2 sind mit einer Überlappungszone
angeordnet, so dass der erste Teil 1 den zweiten Teil 2 abdeckt.
Die Schweißung erfolgt in einer gemeinsamen Schweißzone 4,
gegen die der Laserstrahl 3 gerichtet wird und den ersten
Teil 1 mit dem zweiten Teil 2 verschweißt.
Schweißdämpfe entweichen durch einen Schlitz 6.
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2 zeigt
den zweiten Teil 2, ein Kupferrohr, verschweißt
mit einem ersten Teil 1, einem Messingteil. Eine Vertiefung 5 im
ersten Teil 1 fängt den Laserstrahl 17 auf
den ganzen 360 Grad Umfang des ersten Teils 1 auf. Wenn
das Schweißverfahren beginnt, gibt es einen Auffahrzeitraum 8 und
wenn das Schweißverfahren endet gibt es einen Abfahrzeitraum 9.
Während des Abfahrzeitraums 9 gibt es eine Überlappung 10.
Beim Abfahren 9 kann der Laserstrahl 17 aus der
Nut 5 in den Teil des ersten Teils 1 bewegt werden,
der den zweiten Teil 2 abdeckt, weil der Laserstrahl 17 beim
Abfahren 9 Löcher im ersten Teil 1 erzeugen
kann, so dass das Abfahren 9 in Material stattfindet, das
den zweiten Teil 2 abdeckt, so dass Löcher im
ersten Teil 1 nicht stören.
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Die 3a–e
zeigen fünf verschiedene Ausführungen des Verfahrens.
Die 3a–e zeigen einen Messingteil 11 und
einen Kupferteil 12, wobei der Messingteil 11 eine
Vertiefung 15 aufweist, die den Laserstrahl 13 auffängt.
Die Vertiefung 15 ist in der Schweißzone angeordnet.
Es gibt einen Schlitz 16 zwischen dem Messingteil 11 und
dem Kupferteil 12, wo die durch das Schweißverfahren
erzeugten Dämpfe aus dem Schweißbereich entweichen
können. 3b–e zeigen verschiedene
Ausführungen der 3a mit
einigen wenigen Änderungen. 3b hat
keinen Schlitz 16, und 3d hat
einen zusätzlichen Schlitz 18 in den geschmolzenes
Material vom Schweißen eindringen kann. In 3c–e
ist der Schweißwinkel schiefer.
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4 zeigt
das Verhältnis zwischen der Schweißtiefe, der
Schweißbreite und der Schweißgeschwindigkeit in
einem Test mit einem 2 kW Laser. Es ist offensichtlich, dass sich
die Schweißtiefe mit ansteigender Schweißgeschwindigkeit
vermindert. Es gibt keine eindeutige Änderung der Schweißbreite.
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In
einem Test mit einem 2 kW Laser wird die Geschwindigkeit optimiert,
um eine optimale lineare Energie (Energie/mm) zu erzielen. Wenn
die Geschwindigkeit 10 mm/s ist, ist die lineare Energie zu hoch
um eine glatte Oberfläche zu erzielen, und zwar auf Grund
von Instabilitäten im Schweißbereich. Die Stabilität
der Schweißnaht wird besser, wenn die Geschwindigkeit auf
15 mm/s und 20 mm/s erhöht wird. Bei 25 mm/s werden weiße
Stoffe in der Schweißnahtoberfläche festgestellt,
die Zinkablagerungen sind.
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Bei
4 kW Laserleistung liegt der verfügbare Geschwindigkeitsbereich
in dem Intervall zwischen 40 und 70 mm/s. Qualitativ ergeben sich
die gleichen Ergebnisse wie bei 2 kW, d. h. niedrige Geschwindigkeiten
führen zu einem Verbrennen des Messings und die obere Geschwindigkeitsgrenze
wird durch ein geringes Eindringen in das Kupfer bestimmt.
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5 zeigt
das Verhältnis zwischen dem Schweißnahtparameter
und der Dicke. Bei 4 kW Laserleistung wurden 0,5, 1 und 1,5 mm Messing
getestet. Die Dicke des Messingteils, der das Kupferrohr abdeckt
ist ein wichtiger, zu beachtender Parameter. Das Aussehen aller
Schweißnähte ist ähnlich, da die Schweißbreite mit
der ansteigenden Messingdicke nur ein wenig ansteigt. Aus den Schliffen
geht hervor, wie die Schweißtiefe von der Dicke des Messings
beeinflusst wird. Je dünner das Messing, umso tiefer die
Schweißtiefe. Tabelle 1: Die Druckbeständigkeit
für jeden Test
| 2 kW | 4 kW |
| Dicke von
Messing (mm) Geschwindigkeit = 20 mm/s | Schweißgeschwindigkeit
(mm/s) Dicke = 1.1 mm | Dicke
von Mesing (mm) Geschwindigkeit = 40 mm/s | Schweißgeschwindigkeit (mm/s)
Dicke = 1 mm/s |
| Tk
| 0.9 | 1 | 1.1 | 1.2 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 1 | 1.5 | 40 | 50 |
| Pb
| 211 | 247 | 258 | 225 | 220 | 245 | 255 | 220 | 185 | 300 | 255 | 300 | 290 |
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Tabelle
1 zeigt die Druckbeständigkeit für jeden Test.
Um die Schweißqualität zu beurteilen wird ein Druckbeständigkeitstest
vorgenommen. 10 Stück von jedem Schweißparameter
werden gewählt, um einen Durchschnittswert der Druckbeständigkeitstestergebnisse
zu erzielen.
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Aus
Tabelle 1, 2 kW Laserleistung: Die höchste Druckbeständigkeit
ist bis zu 255 bar für 20 mm/s, 180 bar für 30
mm/s und 220 bar für 10 mm/s. Die hohe Schweißgeschwindigkeit
kann keine befriedigende Schweißstärke erreichen,
weil die Schweißtiefe zu niedrig ist. Eine niedrige Schweißgeschwindigkeit
führt zu einer zu hohen linearen Energie, die das Zink
in der Schweißnaht ausbrennt, wobei der Messingteil zu schwach
wird. Die Dicke des Messings hat auch einen Einfluss auf den Druckbeständigkeitstest.
Die mittlere Größe (1.1 mm) hat die höchste
Druckbeständigkeit bei 258 bar. Das 0,9 mm Messing zerspringt
bei 211 bar (zu wenig Material übrig) und das 1.2 mm Messing
zerspringt bei 225 bar (zu wenig Kraft übrig für
den Kupferteil).
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Aus
Tabelle 1, 4 kW Laserleistung: 1 mm Dicke ergibt die höchste
Druckbeständigkeit. Eine Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit
ergibt eine Druckbeständigkeit von 300 bar – weit über
der notwendigen Grenze. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeit
erhöht werden kann, um die Produktivität zu steigern.
Der Laserstrahl ist ein Zweipunktstrahl, was zu einer breiteren
Schweißnaht führt. Dies vergrößert
definitiv den Befestigungsbereich in der Schweißnaht. Mit
einer 2 kW Leistung wäre kein geteilter Strahl erreichbar
auf Grund der unzureichenden Leistungsdichte.
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6 zeigt
das in einem Test gefundene Verhältnis zwischen Laserleistung
und Schweißgeschwindigkeit. Die x-Achse 20 zeigt
die Schweißgeschwindigkeit [mm/s] und die y-Achse zeigt
die Laserleistung [kW]. Unter 2 kW gibt es keine Daten. In dem Diagramm
in 6 ist ein stabiler Verfahrensbereich 22 markiert,
in diesem Bereich ist das Schweißverfahren stabil. Auf
der rechten Seite des Bereiches 22, wo die Schweißgeschwindigkeit
ansteigt, gibt es eine niedrige Eindringtiefe und die Vertiefung
kann zusammenbrechen und die Schweißung ist deshalb nicht
stabil genug. Auf der linken Seite des Bereiches 22, wo
die Schweißgeschwindigkeit niedrig ist, wird die Schmelze
unstabil und das Zink im Messing kann verbrennen und die Stärke
des Messings verringern. Die Experimente zeigen, dass eine Optimierung
des Verfahrens eine Frage des Abgleichs der Wärmeabgabe
im Verhältnis zur Schweißgeschwindigkeit und Materialdimensionen
ist. Der Messingteil muss eine gewisse Dicke haben, um ausreichend
zu bleiben, wenn der Strahl passiert hat, jedoch wird eine zu dicke
Messingüberlappung lediglich die maximale Geschwindigkeit
verringern. Die Bögen 23 in 6 zeigen,
dass die besten Ergebnisse mit der optimalen Schweißstärke
in der Mitte des Bereiches 22 erzielt werden.
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Eine
hohe Geschwindigkeit ist gut für die Schweißstabilität,
aber nur bis zu einem gewissen Punkt, wo der Wärmeabgleich
zur Beibehaltung der Vertiefung nicht mehr eingehalten werden kann.
Die Anforderungen in Bezug auf die Stärke der Schweißung
(225 bar Druckbeständigkeit) bedeuten, dass ein gewisses
Eindringen (plus Breite) in das Kupfer erforderlich ist. In diesem
Fall ist die Leistung der begrenzende Faktor. Mehr würde vermutlich
höhere Geschwindigkeit bedeuten.
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Die
Laserleistung bestimmt die Schweißgeschwindigkeit, die
zur Erzielung einer guten Schweißnahtqualität
verwendbar ist. In 6 wird das Verhältnis
zwischen der besten Schweißgeschwindigkeit und der besten
Leistung als eine lineare Abhängigkeit gezeigt. Es wird
Schweißfehler geben, wie z. B. nicht-geschweißte
Bereiche oder Risse, wenn die Schweißgeschwindigkeit nicht
der Laserleistung angepasst ist.
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Die
Schlussfolgerungen sind
- 1. Die optimalen Schweißnahtparameter
mit guten Testergebnissen in Bezug auf Leckage- und Druckfestigkeit
werden in der folgenden Tabelle gezeigt.
Tabelle 2 Schweißnahtgeometrien | Schweißtiefe
(mm) | Schweißbreite
(mm) |
| 1.7 | 1 |
- 2. Es gibt ein annähernd
lineares Verhältnis zwi schen der Laserleistung und der
besten Schweißgeschwindigkeit. Das Aussehen der Schweißung
bei niedriger Leistung und Geschwindigkeit ist jedoch verschieden von
der Schweißung bei hoher Leistung und Geschwindigkeit.
Tabelle 3 Schweißgeschwindigkeit
und Laserkraft | Laserkraft | 2
KW | 3
KW | 4
KW |
| Schweißgeschwindigkeit
(mm/s) | 15 | 30 | 45 |
- 3. Mit einer Laserleistung
von 4 kW kann ein Rohrdurchmesser von 28 mm einen Druck bis zu 300
bar widerstehen.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zwei
Metallteilen (1, 2). Der erste Teil (1) und
der zweite Teil (2) sind aus Metall oder Metalllegierungen
hergestellt, und das Reflektionsvermögen des ersten Teils
ist niedriger oder gleich dem Reflektionsvermögen des zweiten
Teils. Typischerweise sind der erste Teil (1) aus Messing
und der zweite Teil (2) aus Kupfer gebildet. In der Schweißzone
deckt der weniger reflektierende Teil den stärker reflektierenden
Teil ab, so dass der Laserstrahl auf den weniger reflektierenden
Teil gerichtet ist. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der
Laserstrahl nicht mit dem hochreflektierenden Teil direkt in Verbindung
kommt, wobei weniger Energie von der Schweißzone wegreflektiert
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/069576
A1 [0004, 0005]
- - DE 10346264 A1 [0006, 0012]
