DE19600627C1

DE19600627C1 - Laser beam welding

Info

Publication number: DE19600627C1
Application number: DE19600627A
Authority: DE
Inventors: Jan Christoph Neuenhahn; Joerg Beersiek
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-01-10
Filing date: 1996-01-10
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2016-01-11
Also published as: WO1997025176A2; WO1997025176A3

Abstract

To weld and work workpieces (10) with a laser beam (11), with a protective gas, an arc is struck in addition to the laser beam near the working zone (12) before starting work with a shrouded laser-induced plasma (14). The shrouded plasma (14) is generated together with an inert gas fed to the working zone (12), with an ionisation energy below that of the inert gas and/or induced by a power increase from the initial pulse. The gas feed and/or pulse parameter is controlled until the following strike.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Be arbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung unter Schutzgas, bei dem außer der Laserstrahlung ein Lichtbogen in den werk stücknahen Prozeßbereich geführt wird, und bei dem eine Zün dung des Lichtbogens vor dem Beginn des Bearbeitens mit einem laserinduzierten Plasma erfolgt, das im Prozeßbereich unter Verdampfung von Werkstoff erzeugt wird, wobei diese Zündung von einer Steuereinrichtung gesteuert wird, die das Plasma nach der Zündung des Lichtbogens zum Erlöschen bringt.The invention relates to a method for loading work of workpieces with laser radiation under protective gas, in addition to the laser radiation, an arc in the factory piece-near process area is performed, and in which a Zün arc before starting machining with a Laser-induced plasma takes place in the process area under Evaporation of material is generated, this ignition is controlled by a control device that the plasma after the arc has ignited.

State of the art

Es ist allgemein bekannt, Laserstrahlung zum Bearbeiten von Werkstücken einzusetzen. Die damit beim Schweißen erzeug ten Nähte sind schlank und haben ein großes Aspektverhältnis. Lichtbogenschweißverfahren, wie das Wolfram-Inert-Gas-Verfah ren werden bekannterweise mit Laserstrahlschweißverfahren kombiniert. Die Einschweißtiefen und die erzielbaren Schweiß geschwindigkeiten werden verbessert und es ergeben sich wei tere positive Effekte dieses Kombinationsverfahrens, vergli chen mit den jeweiligen Einzelverfahren. Die bekannten Kombi nationsverfahren betreffen jedoch nicht nur das Schweißen von Werkstücken, sondern auch das Schneiden, Bohren und Bearbei ten von Oberflächen usw., wobei die Ausbildung und Anordnung des Laserstrahls und der Lichtbogenelektrode werkstückspezi fisch sein können. Ebenso werden die unterschiedlichen be kannten Laserstrahlquellen entsprechend der jeweils geforder ten Zweckmäßigkeit eingesetzt, beispielsweise CO₂-Laser. Bei dem Bearbeiten der Werkstücke können die bekannten Handha bungssysteme, wie NC-gesteuerte Handhabungsmaschinen, Porta le, Roboter usw., den jeweiligen Anforderungen entsprechend eingesetzt werden.It is well known to edit laser radiation of workpieces. The so generated during welding The seams are slim and have a large aspect ratio. Arc welding processes, such as the tungsten inert gas process Ren are known to be using laser beam welding processes combined. The welding depths and the achievable sweat speeds are improved and there are white more positive effects of this combination process, see with the respective individual processes. The well-known station wagon nation processes do not only concern the welding of Workpieces, but also cutting, drilling and machining th of surfaces, etc., the formation and arrangement of the laser beam and the arc electrode workpiece-spec can be fish. Likewise, the different be knew laser beam sources according to the respective requirements ten practicality used, for example CO₂ laser. At the processing of the workpieces can the known Handha training systems, such as NC-controlled handling machines, Porta le, robots etc., according to the respective requirements be used.

Es ist allgemein bekannt, Zündeinrichtungen zum Ioni sieren der Lichtbogenstrecke zwischen der Lichtbogenelektrode und dem Werkstück zu verwenden. Zum Einsatz kommt eine Hoch frequenzzündeinrichtung, welche der Spannung der Schweiß stromquelle hochfrequenzmodulierte Hochspannungsimpulse so lange überlagert, bis der Lichtbogen gezündet ist und der voreingestellte Schweißstrom fließt. In aller Regel kommt es jedoch durch die bekannte Hochfrequenzzündeinrichtung zu Im pulsrückkopplungen in die Steuerung der Handhabungsmaschine, beispielsweise in die NC-Steuerung oder in die SPS-Steuerung. Das kann zu deren Ausfall führen. Für den Ausfall sind Hard ware-Schäden ebenso ursächlich, wie unkontrollierte Bewegun gen der einzelnen NC-Achsen. Gerade die NC- und SPS-Steuerun gen von Handhabungsmaschinen zur Lasermaterialbearbeitung sind gegen Hochspannungszündimpulse von WIG-Stromquellen nur unzureichend abgeschirmt, so daß in diese Maschinen Lichtbo genschweißeinrichtungen nicht ohne weiteres eingebaut und ge fahrlos in Betrieb genommen werden können. Soweit entspre chende Nachrüstungen und HF-dichte Abschirmungen eingesetzt werden können, ist deren Einsatz zeitaufwendig und teuer.It is well known to igniters to ioni the arc gap between the arc electrode and to use the workpiece. A high is used Frequency ignition device, which is the tension of the sweat power source high frequency modulated high voltage pulses so long overlaid until the arc is ignited and the preset welding current flows. Usually it comes however, by the known high-frequency ignition device to Im pulse feedback in the control of the handling machine, for example in the NC control or in the PLC control. This can lead to their failure. For the failure are hard damage to goods as much as uncontrolled movement against the individual NC axes. Especially the NC and PLC control handling machines for laser material processing are only against high voltage ignition pulses from TIG power sources insufficiently shielded, so that Lichtbo gene welding equipment not easily installed and ge can be put into operation without a driver. As far as correspond appropriate retrofits and RF-tight shields are used their use is time consuming and expensive.

Aus der US 5,006,588 ist ein Verfahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten bekannt. Der Laser induziert ein Plasma. Das bekannte laserinduzierte Plasma ist nicht ab schirmend, weil sonst der Bearbeitungsprozeß durch den Laser unterbrochen ist. Andererseits bedeutet das, daß die Ionisa tionsengergie entsprechend gering ist und demgemäß die Leit fähigkeit, die für das sichere Zünden des Lichtbogens ursäch lich ist. Darüber hinaus wird das bekannte Verfahren so be trieben, daß die Steuereinrichtung zwischen zwei Laserpulsen hinreichend Zeit verstreichen läßt, bis sich ein Energie speicher für den Lichtbogen entladen hat. Das bedeutet eine Verfahrenseinschränkung, die mit verringerter Produktionsge schwindigkeit verbunden ist.From US 5,006,588 is a method with the above known process steps known. The laser induces a plasma. The well-known laser-induced plasma is not gone shielding, because otherwise the machining process is done by the laser is interrupted. On the other hand, this means that the Ionisa tion energy is correspondingly low and accordingly the guide ability that is responsible for the safe ignition of the arc is. In addition, the known method is so be drove that the control device between two laser pulses sufficient time can pass until there is energy has discharged the memory for the arc. That means one Process restriction, which with reduced production area speed is connected.

Presentation of the invention

Dem Stand der Technik gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten zu verbessern, nämlich ein berührungslo ses Zündverfahren zu schaffen, das zusätzliche Bewegungen einzelner NC-Achsen vermeidet und das genaue Synchronisisati onsmöglichkeiten der Lichtbogenzündung, der Laserstrahlwir kung und der Werkstückbewegungen aufweist, wobei im Falle des Einsatzes von Maschinensteuerungen schädliche Rückkopplungen in letztere vermieden werden.The invention lies opposite the prior art Task based on a method with the aforementioned To improve process steps, namely a contactless this ignition process to create additional movements avoids individual NC axes and the exact synchronization Possibilities of arc ignition, the laser beam kung and the workpiece movements, wherein in the case of Use of machine controls harmful feedback to be avoided in the latter.

Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein ab schirmendes Plasma zur Anwendung kommt, daß das abschirmende Plasma mit Hilfe eines in den Prozeßbereich eingebrachten inerten Gases mit einer die Ionisationsenergie des Schutz gases unterschreitenden Ionisationsenergie erzeugt und/oder mit Hilfe eines eine Leistungsüberhöhung bewirkenden Anfangs pulses induziert wird und daß die Gaszufuhr und/oder die Pulsparameter bis zur erfolgten Zündung gesteuert werden.The above object is achieved in that a shielding plasma is used that the shielding Plasma brought into the process area with the help of a inert gas with an ionization energy of protection gases below the ionization energy generated and / or with the help of a beginning causing an increase in performance pulses is induced and that the gas supply and / or the Pulse parameters can be controlled until the ignition.

Bevor also das Verfahren mit Laserstrahlung und Lichtbo gen bei voreingestellten Laser- und Lichtbogenleistungen ab läuft, wird mit der Laserstrahlung ein laserinduziertes Plas ma erzeugt, das sich im Prozeßbereich zwischen Werkstück und Lichtbogenelektrode entwickelt. Infolgedessen wird die zwi schen dieser Lichtbogenelektrode und dem Werkstück vorgese hene Lichtbogenstrecke sicher ionisiert. Dabei kann das Elek trodenende stark aufgeheizt werden, so daß die Elektrodenaus trittsarbeit gesenkt wird und der Lichtbogen zündet. Der Lichtbogen breitet sich in der Wolke des laserinduzierten Plasmas aus. So before the procedure with laser radiation and light bo with preset laser and arc powers runs, the laser radiation becomes a laser-induced plasma ma which is located in the process area between the workpiece and Arc electrode developed. As a result, the interim this arc electrode and the workpiece This arc path is safely ionized. The Elek Trodenende be heated up strongly, so that the electrodes step work is lowered and the arc ignites. Of the Arc spreads in the cloud of laser induced Plasma.

Als laserinduziertes Plasma wird ein sogenanntes "ab schirmendes Plasma" erzeugt, z. B. durch gezielte Beeinflus sung der Prozeßparameter mit einem CO₂-Laser. Dieses abschir mende Plasma absorbiert den überwiegenden Teil der Laser leistung oberhalb der Werkstückoberfläche, so daß sich eine für das Zünden des Lichtbogens erwünschte schnelle Aufheizung ergibt. Andererseits ist aber die abschirmende Wirkung des Plasmas in der Regel unerwünscht. Infolgedessen wird es nach der Zündung des Lichtbogens mit der Steuereinrichtung zum Er löschen gebracht, wobei die Steuereinrichtung plasmabeein flussende Parameter im Sinne des Erlöschens beeinflussen kann.A so-called "ab" is used as the laser-induced plasma shielding plasma ", for example by targeted influencing solution of the process parameters with a CO₂ laser. Shield this Most of the lasers are absorbed by plasma performance above the workpiece surface, so that a rapid heating required for igniting the arc results. On the other hand, the shielding effect of Plasma is usually undesirable. As a result, it becomes after the ignition of the arc with the control device for Er delete brought, the control device plasma leg influence flowing parameters in terms of extinction can.

Durch das vorbeschriebene Verfahren, welches vorzugswei se für das kombinierte CO₂-Laserstrahl/WIG-Schweißen geeignet ist, kann auf eine Hochfrequenzzündeinrichtung verzichtet werden. Infolgedessen ist beim Zünden eine Rückkopplung von hochfrequenzmodulierten Hochspannungsimpulsen in eine Steue rung von Handhabungsmaschinen ausgeschlossen. In bestehende Laserstrahlschweißanlagen kann eine zusätzliche Lichtbogen schweißeinrichtung ohne weitere Modifikation einer NC- oder einer SPS-Steuerung der Laserstrahlschweißanlage eingebaut werden. Mit einem vergleichsweise geringen Investitionsvolu men wird eine erhöhte Wirtschaftlichkeit durch gesteigerte Schweißgeschwindigkeit erreicht und der Einsatzbereich der kombinierten Schweißmaschine wird erweitert.By the above-described method, which is preferably two Suitable for combined CO₂ laser beam / TIG welding a high-frequency ignition device can be dispensed with will. As a result, there is a feedback of high frequency modulated high voltage pulses in a control tion of handling machines excluded. In existing Laser beam welding equipment can provide an additional arc welding device without further modification of an NC or a PLC control of the laser beam welding system will. With a comparatively low investment volume increased economy through increased Welding speed reached and the area of application of the combined welding machine is expanded.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß das laserinduzierte Plasma mit Hilfe eines in den Prozeß bereich eingebrachten inerten Gases mit einer die Ionisati onsenergie des Schutzgases unterschreitenden Ionisations energie erzeugt wird. Ein derartiges Verfahren kommt insbesondere in Betracht, wenn das Verfahren in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, beispielsweise in ei ner He- bzw. Schutzgas-Atmosphäre. In diesem Fall verunreinigt das eingebrachte Gas, beispielsweise Argon, die He- bzw. Schutzgas-Atmosphäre und bei ausreichender Laserintensität wird der Zündvorgang eingeleitet.The procedure is carried out that the laser-induced plasma using one in the process inert gas introduced into the area with a ionization onenergy of the inert gas below the ionization energy is generated. Such a process is particularly suitable if the process is carried out in a Protective gas atmosphere is carried out, for example in egg ner He or protective gas atmosphere. In this case contaminated the gas introduced, for example argon, the He or Shielding gas atmosphere and with sufficient laser intensity the ignition process is initiated.

Das Verfahren ist so gestaltet, daß die Gas zufuhr und/oder die Pulsparameter bis zur erfolgten Zündung gesteuert werden. Beide Größen werden vorzugsweise im Sinne eines Verringerns der Zündzeit angewendet, um den durch die Laserstrahlung bereits begonnenen Bearbeitungsprozeß so wenig wie möglich zu beeinflussen und ergänzende Hilfsmittel für die Zündphase zu vermeiden.The process is designed so that the gas supply and / or the pulse parameters until the ignition being controlled. Both sizes are preferred in the sense a decrease in the ignition timing applied by the Laser processing already started so little to influence as possible and complementary tools for to avoid the ignition phase.

Das Verfahren kann aber auch so durchgeführt werden, daß das Plasma mit Hilfe eines eine Leistungsüberhöhung bewirken den Anfangspulses induziert wird. Wenn die Leistungsüberhö hung durch den Anfangspuls genügend groß ist, also jeweils abgestimmt auf die im Prozeßbereich vorhandene Atmosphäre, kann das zum Zünden erforderliche laserinduzierte Plasma auch auf diese Weise erzeugt werden. Das für dieses Verfahren er forderliche Anheben der Laserleistung setzt voraus, daß der Laser, insbesondere ein CO₂-Laser, pulsbar ist oder sogar über eine sogenannte Super-Puls-Einrichtung verfügt. Das vor beschriebene Verfahren mit einem Anfangspuls kann mit dem Verfahren mittels eines Gases niedriger Tonisationsenergie kombiniert werden, um den Zündvorgang für den Lichtbogen ein zuleiten.The method can also be carried out so that the plasma with the help of a power increase the initial pulse is induced. If the excess performance hung by the initial pulse is sufficiently large, that is, each time matched to the atmosphere in the process area, can also use the laser-induced plasma required for ignition generated in this way. That for this procedure he required increase in laser power requires that the Laser, especially a CO₂ laser, is pulsable or even has a so-called super pulse device. That before described procedure with an initial pulse can with the Process using a gas of low tonification energy can be combined to ignite the arc forward.

Um Synchronisationsschwierigkeiten bei der Durchführung der Zündung zu vermeiden, wird die Lichtbogenzündspannung zu Beginn der Zündphase angelegt. Es ist dies auch das schnell ste Zündverfahren.To carry out synchronization difficulties To avoid ignition, the arc ignition voltage will increase Start of the ignition phase. It is also that fast most ignition methods.

Um die Zündphase möglichst kurz zu halten, was im Inter esse einer einwandfreien Anfangsbearbeitung des Werkstücks von Interesse ist, wird das Verfahren so durchgeführt, daß die Zündphase in Abhängigkeit von der Erkennung eines Licht bogenstroms beendet wird.In order to keep the ignition phase as short as possible, what happens in the Inter eat a flawless initial machining of the workpiece is of interest, the process is carried out in such a way that the ignition phase depending on the detection of a light arc current is terminated.

Die Erkennung des Lichtbogenstroms kann in unterschied licher Weise durchgeführt sein. Zweckmäßig ist eine meßtech nische Erkennung. Das Verfahren wird also derart durchge führt, daß die Erkennung des Lichtbogenstroms mittels Detek tors erfolgt. Andererseits ist aber auch eine Erkennung auf grund von Erfahrungswerten möglich. Es werden Vorversuche durchgeführt, die statistisch sicher ergeben, wie lange die Zündzeitphase dauert. Ein solches Verfahren setzt hinreichend konstante Zündbedingungen im Prozeßbereich voraus. Es erspart besondere Maßnahmen zur Beendigung der Zündung.The detection of the arc current can differ be carried out. A measuring technology is expedient African detection. The procedure is thus carried out in this way leads that the detection of the arc current by means of Detek tors takes place. On the other hand, there is also a detection possible based on experience. There will be preliminary tests carried out, which statistically shows how long the Ignition time phase lasts. Such a procedure is sufficient constant ignition conditions in the process area ahead. It saves special measures to stop the ignition.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß eine Pro zeßregelung zur Unterdrückung des laserinduzierten Plasmas verwendet wird. Damit kann das Ende der Zündphase zu einem vorbestimmten Zeitpunkt herbeigeführt werden. Die bestim mungsgemäße Bearbeitung mit den voreingestellten Laser- und Lichtbogenleistungen kann im Sinne einer Optimierung der Be arbeitungsqualität zeitlich unmittelbar nach dem Ende der Zündphase beginnen. Es erfolgt keine Unterbrechung des Schweißprozesses.The process can be carried out so that a pro time control to suppress the laser-induced plasma is used. This can lead to the end of the ignition phase predetermined time can be brought about. The certain processing according to the preset laser and Arc performance can be in the sense of optimizing the loading quality of work immediately after the end of the Start the ignition phase. There is no interruption of the Welding process.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren so durchgeführt, daß die Prozeßregelung in Abhängigkeit von der Erkennung ei nes Stickstoffplasmas jegliche Plasmabildung unterdrückt. Das Stickstoffplasma wird anhand einer charakteristischen Stick stofflinie z. B. mit Hilfe eines Spektrographens erkannt und für die Prozeßregelung können die bekannten geeigneten Stell größen herangezogen werden, wie Laserleistung, Veränderung der Fokuslage od. dgl. Bei Einsatz eines Gases niedriger Ioni sationsenergie kann auch die Gaszufuhr zum Prozeßbereich schnell unterbrochen werden, so daß das Plasma erlischt.The method is advantageously carried out in such a way that that the process control depending on the detection egg Any plasma formation is suppressed by the nitrogen plasma. The Nitrogen plasma is made using a characteristic stick fabric line z. B. detected with the aid of a spectrograph and the known suitable position for process control sizes are used, such as laser power, change the focus position or the like. When using a gas of lower ioni Station energy can also be the gas supply to the process area be interrupted quickly so that the plasma goes out.

Brief description of the drawings

Die Erfindung wird anhand einer zur Durchführung der Verfahren geeigneten Vorrichtung näher erläutert. Es zeigt:The invention is based on a for carrying out the Method suitable device explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prozeß bereichs, blockbildartig ergänzt durch wichtige Funktionseinheiten zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und Fig. 1 is a schematic representation of the process area, block-like supplemented by important functional units for performing the inventive method, and

Fig. 2a bis 2h diagrammatische Darstellungen von für das Verfahren bedeutsamen Parametern in Abhängigkeit von der Zeit zur Erläuterung eines Verfahrens bzw. mehrerer Verfahrens kombinationen. FIGS. 2a to 2h combinations diagrammatic representations of importance for the process parameters in function of time for explaining a method or several method.

Best way to carry out the invention

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Werkstück 10, das im gestrichelten Bereich bereits geschweißt ist. Die Schweißung ist gemeinsam von der Laserstrahlung 11 eines CO₂-Lasers 16 und einem nicht dargestellten Lichtbogen eines WIG-Brenners 17 bewirkt worden, dessen Elektrode 18 im Prozeßbe reich 12 angeordnet ist. Die über die Laserstrahlung 11 und den nicht dargestellten Lichtbogen in das Werkstück 10 einge koppelten Energien bewirken die Ausbildung einer Dampfkapil laren 19, so daß das Werkstück 10 über seine gesamte Dicke durchgeschweißt wird. Fig. 1 shows a schematic representation of a workpiece 10 which is already welded in the dashed area. The welding has been effected jointly by the laser radiation 11 of a CO₂ laser 16 and an arc, not shown, of a TIG torch 17 , the electrode 18 of which is arranged in the process area 12 . The energies coupled via the laser radiation 11 and the arc, not shown, into the workpiece 10 cause the formation of a steam capillary 19 , so that the workpiece 10 is welded through its entire thickness.

Zur Ausbildung des Lichtbogens ist die Elektrode 18 an eine Schweißstromquelle 20 angeschlossen, die andererseits in elektrisch leitender Verbindung mit dem Werkstück 10 steht. Dem Prozeßbereich wird das Inertgas durch die Düse des WIG-Brenners 17 zugeführt, das dem Schutz des Lichtbogens und der Plasmakontrolle dient.To form the arc, the electrode 18 is connected to a welding current source 20 which, on the other hand, is in electrically conductive connection with the workpiece 10 . The inert gas is fed to the process area through the nozzle of the TIG torch 17 , which serves to protect the arc and the plasma control.

Es ist eine Steuereinrichtung 13 zur Zündsteuerung vor handen. Diese veranlaßt das Einschalten der Schweißstromquel le und überwacht den Stromfluß in der Zuleitung 21 zwischen der Schweißstromquelle 20 und der Elektrode 18 für den Schweißstrom. Die Steuereinrichtung 13 beeinflußt außerdem den CO₂-Laser 16 über die Steuerleitung 22.There is a control device 13 for ignition control before hand. This causes the welding current source to be switched on and monitors the current flow in the supply line 21 between the welding current source 20 and the electrode 18 for the welding current. The control device 13 also influences the CO₂ laser 16 via the control line 22nd

Darüber hinaus ist die Vorrichtung mit einem Magnetven til 23 versehen, über das dem Prozeßbereich 12 mit einer Gas düse 24 ein Gas niedriger Ionisationsenergie zugeführt wird, beispielsweise Argon. Die Steuereinrichtung 13 steuert die Gasfreigabe und die Gassperrung über das Magnetventil 23.In addition, the device is provided with a Magnetven valve 23 , via which the process area 12 with a gas nozzle 24, a gas of low ionization energy is supplied, for example argon. The control device 13 controls the gas release and the gas blocking via the solenoid valve 23 .

Des weiteren ist die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung mit einer Prozeßregelung 25 versehen, nämlich mit einer soge nannten PSC zur Unterdrückung abschirmender Plasmen beim CO₂- Laserschweißen. Die Prozeßregelung 25 vermag den Prozeßbe reich optisch zu beobachten, nämlich mit einer Lichtleitfaser 26, über die aus dem Prozeßbereich stammende Lichtsignale zwecks Analyse zu einem nicht dargestellten Analysator wei tergeleitet werden. Ein solcher Analysator ist beispielsweise ein Spektrograph, der das Vorhandenseins von Stickstoff im Plasma schnell festzustellen vermag. Diese Prozeßregelung ist in einer weiter unten beschriebenen Wirkverbindung 27 mit dem CO₂-Laser 16 und steht über eine Steuerleitung 28 mit der Steuereinrichtung 13 in Verbindung.Furthermore, the device shown in Fig. 1 is provided with a process control 25 , namely with a so-called PSC for suppressing shielding plasmas during CO₂ laser welding. The process control 25 is able to visually observe the process area, namely with an optical fiber 26 , via which light signals originating from the process area are passed on for analysis to an analyzer (not shown). Such an analyzer is, for example, a spectrograph that can quickly determine the presence of nitrogen in the plasma. This process control is in an active connection 27 described below with the CO₂ laser 16 and is connected via a control line 28 to the control device 13 .

Die Fig. 2a bis 2h zeigen zeitliche Verläufe im Bereich einer Zündphase eines Schweißverfahrens. Fig. 2a betrifft die Zufuhr von Helium über einen WIG-Brenner 17, Fig. 2b zeigt die Lichtbogenspannung U_S, Fig. 2c zeigt den Lichtbogenstrom 15, Fig. 2d zeigt die Argonzufuhr über ein Magnetventil 23, Fig. 2e zeigt die Laserleistung P_L, Fig. 2f zeigt die Intensität einer Stickstofflinie, Fig. 2g zeigt die Wirkungszeit einer Prozeß regelung zur Unterdrückung eines laserinduzierten Plasmas, und Fig. 2h zeigt die Beaufschlagung der Prozeßregelung zur Unterdrückung des laserinduzierten Plasmas. FIGS. 2a to 2h show time courses in the region of an ignition phase of a welding process. FIG. 2a, the supply of helium relates to a TIG torch 17, Fig. 2b shows the arc voltage U _S, Fig. 2c shows the arc current 15, Fig. 2d shows the argon supply via a solenoid valve 23, Fig. 2e shows the laser power P _L , Fig. 2f shows the intensity of a nitrogen line, Fig. 2g shows the action time of a process control to suppress a laser-induced plasma, and Fig. 2h shows the application of the process control to suppress the laser-induced plasma.

Die in Fig. 1 dargestellte relative Zuordnung der Laser strahlung 11 und des WIG-Brenners 17 ist rein beispielhaft. Der Brenner 17 bzw. seine Elektrode 18 könnte der Laserstrah lung 11 auch nachgeordnet sein. Auch andere relative Zuord nungen sind möglich. Die Elektrode 18 und die Laserstrahlung 11 können einander auch gleichachsig zugeordnet sein, indem die Elektrode 18 als Zentralelektrode mit konzentrisch hohlem Laserstrahl ausgebildet wird oder umgekehrt.The relative assignment of the laser radiation 11 and the TIG torch 17 shown in FIG. 1 is purely exemplary. The burner 17 or its electrode 18 could be arranged downstream of the laser beam 11 . Other relative assignments are also possible. The electrode 18 and the laser radiation 11 can also be assigned to one another coaxially, in that the electrode 18 is designed as a central electrode with a concentrically hollow laser beam or vice versa.

Die Steuereinrichtung muß zu einer ausreichenden Ioni sierung des Prozeßbereichs zwischen der Elektrode 18 und dem Werkstück 10 beitragen. Zur Ionisierung wird durch gezielte Beeinflussung der Prozeßparameter des CO₂-Lasers und/oder der Ionisierungsbedingungen im Prozeßbereich 12 mit der Laser strahlung ein Plasma 14 induziert, welches als ionisierte Plasmawolke über der Werkstückoberfläche den überwiegenden Teil der Laserleistung absorbiert. Dieses abschirmende Plasma 14 befindet sich innerhalb des Prozeßbereichs 12 unmittelbar vor der Spitie der Elektrode 18 bzw. zentral innerhalb der Elektrode, wenn diese ringförmig ausgebildet ist. Die Plasma wolke besitzt eine Temperatur von ca. 12.000°K bis 14.000°K. Derartige Temperaturen entsprechen den Temperaturen am Rand eines Schweißlichtbogens. Die Leitfähigkeit ist bei einem vollionisierten Plasma proportional zu T_e ^3/2, wobei Te die Elektronentemperatur ist. Daraus ergibt sich eine elektrische Leitfähigkeit, die in etwa der eines Lichtbogens unter Argon entspricht. Infolgedessen sind für die Zündung eines Lichtbo gens zwei wesentliche Voraussetzungen erfüllt. Durch die hohe Temperatur wird die Elektrodenspitze bzw. die Ringelektrode lokal stark aufgeheizt und damit die Elektrodenaustrittsar beit gesenkt. Infolgedessen ist die Lichtbogenansatzstelle auf der Elektrode festgelegt. Des weiteren ist die erforder liche Ionisation der Lichtbogenstrecke durch die Wolke des abschirmenden Plasmas sichergestellt. Die Lage der Plasmawol ke entspricht bei den beschriebenen Anordnungen der Elektro den und der Laserstrahlung dem Strompfad des Lichtbogens. Un ter den vorbeschriebenen Voraussetzungen zündet der Lichtbo gen zwischen der Elektrode und dem Werkstück, sofern die Lichtbogenzündspannung anliegt.The control device must contribute to sufficient ionization of the process area between the electrode 18 and the workpiece 10 . For ionization, a plasma 14 is induced by specifically influencing the process parameters of the CO₂ laser and / or the ionization conditions in the process area 12 with the laser radiation, which absorbs the major part of the laser power as an ionized plasma cloud over the workpiece surface. This shielding plasma 14 is located within the process area 12 directly in front of the spit of the electrode 18 or centrally within the electrode if it is annular. The plasma cloud has a temperature of approx. 12,000 ° K to 14,000 ° K. Such temperatures correspond to the temperatures at the edge of a welding arc. The conductivity is proportional to T _e ^3/2 in a fully ionized plasma, where Te is the electron temperature. This results in an electrical conductivity that corresponds approximately to that of an arc under argon. As a result, two essential conditions are met for the ignition of an arc. Due to the high temperature, the electrode tip or the ring electrode is locally strongly heated and thus the electrode outlet work is reduced. As a result, the arc location is fixed on the electrode. Furthermore, the ionization of the arc gap required by the cloud of the shielding plasma is ensured. The location of the plasma cloud corresponds in the described arrangements of the electrodes and the laser radiation to the current path of the arc. Under the conditions described above, the arc ignites between the electrode and the workpiece, provided the arc ignition voltage is present.

Damit der Schweißprozeß mit den voreingestellten Laser- und Lichtbogenleistungen ablaufen kann, ist eine vorbestimmte Arbeitsatmosphäre im Prozeßbereich erforderlich, nämlich eine Inertgasatmosphäre insbesondere für das WIG-Schweißen und zur Plasmakontrolle für das Laserstrahlweißen. Diese wird hier mit Helium erzeugt, welches dem Prozeßbereich 12 mit der Düse des Brenners 17 gemäß dem Pfeil He zugeleitet wird. Fig. 2a zeigt auf die Zeit bezogen, daß die Zuleitung von Null auf die relative Einheit 1 erfolgt, bevor in irgendeiner anderen Weise auf den Zündprozeß Einfluß genommen wird.So that the welding process can run with the preset laser and arc powers, a predetermined working atmosphere in the process area is required, namely an inert gas atmosphere, in particular for TIG welding and for plasma control for laser beam welding. This is generated here with helium, which is fed to the process area 12 with the nozzle of the burner 17 according to the arrow He. Fig. 2a shows in relation to time that the supply from zero to the relative unit 1 takes place before the ignition process is influenced in any other way.

Zur Erzeugung abschirmenden Plasmas kann ein Gas niedri ger Ionisationsenergie in den Prozeßbereich 12 gegeben werden und/oder es wird Einfluß auf die Laserprozeßparameter genom men. Zum Zeitpunkt t_Z wird gemäß Fig. 2d das inerte Gas Argon in den Prozeßbereich 12 entsprechend einer relativen Einheit 1 eingeblasen. Die Gasmenge ist so bemessen, daß die He-Atmo sphäre hinreichend verunreinigt wird, damit die Laserleistung P_L1 ausreicht, um das abschirmende Plasma zu erzeugen. Die La serleistung P_L1 ist gleich P_Lb, der Bearbeitungsleistung. Sie wird frühestens zum Beginn der Zündphase eingeschaltet, dem Zündzeitpunkt t_Z, kann aber auch noch zum Zeitpunkt t₀ einge schaltet werden, der später liegt, als der Beginn des Einbla sens von Argon. Des weiteren ist es erforderlich, daß die Lichtbogenspannung U_S zum Zeitpunkt t_Z eingeschaltet wird, spätestens aber zum Beginn des Einschaltens des Lasers bzw. zum Zeitpunkt des Auftretens der Laserleistung P_L1.To generate shielding plasma, a gas with low ionization energy can be added to the process area 12 and / or it has an influence on the laser process parameters. At time t _Z , the inert gas argon is blown into the process area 12 according to a relative unit 1 according to FIG. 2d. The amount of gas is dimensioned such that the He atmosphere is contaminated sufficiently so that the laser power P _{L1 is} sufficient to generate the shielding plasma. The laser power P _L1 is equal to P _Lb , the machining power. It is switched on at the earliest at the beginning of the ignition phase, the ignition point t _Z , but can also be switched on at the point in time t₀, which is later than the start of the blowing in of argon. Furthermore, it is necessary for the arc voltage U _S to be switched on at the time t _Z , but at the latest when the laser is switched on or at the time when the laser power P _{L1 occurs} .

Die Zündung eines Plasmas kann aber auch dadurch erfol gen, insbesondere bei geringen Laserleistungen, daß ein kurz zeitiges Anheben der Laserleistung erfolgt. Ein Anfangspuls 15 stellt eine ausreichend große Leistungsüberhöhung sicher. In diesem Fall muß der Laser pulsbar sein bzw. sogar über eine sogenannte Super-Puls-Einrichtung verfügen. Fig. 2e zeigt einen solchen Anfangs- bzw. Super-Puls 15, der zum Zeitpunkt to aufgeschaltet wird und der zum Zündzeitende t_ZE abgeschal tet wird. Auch die Zufuhr von Argon wird gemäß Fig. 2d zum Zündzeitende t_ZE unterbrochen, so daß der Argonanteil gemäß Fig. 2d rapide zurückgeht. Dies ist auf die kontinuierliche oder evtl. auch einsetzende Zufuhr von Helium in den Prozeß bereich 12 zurückzuführen. Werden Argon und Anfangspuls 15 gleichzeitig zum Zünden eines abschirmenden Plasmas verwen det, so ist das Ende ihrer Einwirkungszeit gleichermaßen das Zündzeitende t_ZE. The ignition of a plasma can, however, also be successful, in particular with low laser powers, in that the laser power is briefly increased. An initial pulse 15 ensures a sufficiently large increase in output. In this case, the laser must be pulsable or even have a so-called super pulse device. Fig. 2e shows such initial or super-pulse 15, which will be activated at time to and the _ZE is tet abgeschal to Zündzeitende t. The supply of argon is also interrupted according to FIG. 2d at the end of the ignition time t _ZE , so that the argon component decreases rapidly according to FIG. 2d. This is due to the continuous or possibly also beginning supply of helium in the process area 12 . If argon and initial pulse 15 are used simultaneously to ignite a shielding plasma, the end of their exposure time is also the end of the ignition time t _ZE .

Geht man davon aus, daß die Anwendung von Argon und/oder eines Anfangspulses 15 zu einem abschirmenden Plasma geführt haben, so ist für dieses die Anwesenheit von Stickstoff kenn zeichnend. Fig. 2f zeigt infolgedessen im Zeitintervall t_ZE-t₀, das Anwachsen der Intensität einer Stickstofflinie von 0 auf einen relativen Wert 1 entsprechend der Anzeige z. B. eines Spektrographen, wobei in Fig. 2f entsprechend dem Übergang von einer zumindest teilweisen Argonatmosphäre im Prozeßbereich 12 in eine reine He-Atmospähre gemäß Fig. 2d eine entspre chende Übergangsfunktion dargestellt wurde.Assuming that the use of argon and / or an initial pulse 15 has led to a shielding plasma, the presence of nitrogen is characteristic of this. Fig. 2f consequently in the time interval t _ZE -t₀, the increase of the intensity of a nitrogen line from 0 to 1 corresponding to a relative value for the display. B. a spectrograph, in FIG. 2f corresponding to the transition from an at least partial argon atmosphere in the process area 12 into a pure He atmosphere according to FIG. 2d, a corresponding transition function was shown.

Falls ein Plasma gezündet wurde, kann man davon ausge hen, daß auch der Lichtbogen zwischen der Elektrode 18 und dem Werkstück 10 gezündet wurde. Dementsprechend sinkt in Fig. 2b die Lichtbogenspannung U_S von dem Zündspannungswert U_ZÜND auf die Lichtbogenbrennspannung U_Sb. Zum gleichen Zeit punkt t_ZE steigt der Lichtbogenstrom auf den aus der Fig. 2c ersichtlichen Wert.If a plasma has been ignited, it can be assumed that the arc between the electrode 18 and the workpiece 10 has also been ignited. Accordingly, in FIG. 2b the arc voltage U _S drops from the ignition voltage _value U _IGNITION to the arc _burning voltage U _Sb . At the same time point t _ZE , the arc _current rises to the value shown in FIG. 2c.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Zündphase t_ZE-t_Z bzw. t_ZE-t₀ zu beenden. Bei der Anwendung von Argon kann es ausreichend sein, die Argonzufuhr zum Prozeßbereich schnell zu unterbrechen, wenn das Magnetventil genügend nah am Pro zeßbereich 12 angeordnet ist, so daß die nach dem Abschalten noch in den Prozeßbereich 12 gelangende Argonrestmenge nur sehr gering ist. Wird ein Anfangspuls 15 zum Zündzeitende t_ZE und damit die durch ihn verursachte Leistungsüberhöhung zu rückgenommen, kann auch dies dazu beitragen, die Zündphase ohne weiteres zu beenden, also ohne meßtechnisch zu überprü fen, ob der Lichtbogen tatsächlich gezündet hat. Das ist je doch nur möglich, wenn entsprechende Erfahrungswerte vorher ermittelt wurden. Liegen solche Erfahrungswerte nicht vor bzw. ist es mit einem bloßen Abschalten der Argonzufuhr und/oder des Anfangspulses nicht getan, muß das Ende der Zündphase t_ZE-t_Z meßtechnisch erkannt werden. Hier bietet sich die Erkennung des Lichtbogenstroms an, dessen Vorhandensein von der Steuereinrichtung 13 entsprechend der Meßeinrichtung 29 erkannt wird. Bei Erkennung des Lichtbogenstroms sperrt die Steuereinrichtung 13 die Gaszufuhr, indem das Magnetven til 23 über die Steuerleitung 31 gesperrt wird und/oder die Super-Puls-Einrichtung des Lasers 16 über die Leitung 22 ab geschaltet wird.There are various ways of ending the ignition phase t _ZE -t _Z or t _ZE -t₀. When using argon, it may be sufficient to quickly interrupt the argon supply to the process area if the solenoid valve is arranged sufficiently close to the process area 12 , so that the amount of argon remaining in the process area 12 after switching off is only very small. If an initial pulse 15 to Zündzeitende t _ZE and thus redeemed the power increase caused by it, this can also help to stop the ignition phase easily, without fen measurement technology to überprü whether the arc has actually ignited. However, this is only possible if corresponding empirical values have been determined beforehand. If such empirical values are not available or if it is not enough to simply switch off the argon supply and / or the initial pulse, the end of the ignition phase t _ZE -t _Z must be detected by measurement. The detection of the arc current, the presence of which is recognized by the control device 13 in accordance with the measuring device 29 , is appropriate here. When the arc current is detected, the control device 13 blocks the gas supply by blocking the magnetic valve 23 via the control line 31 and / or the super-pulse device of the laser 16 is switched off via the line 22 .

Üblicherweise reagiert die Gasatmosphäre im Prozeßbe reich 12 träge. Es kann daher von Vorteil sein, eine Prozeß regelung 25 zum Unterdrücken abschirmender Plasmen einzuset zen, wie sie beim CO₂-Laserstrahlschweißen aus der DE 43 08 971 A1 bekannt ist. Bei dieser Prozeßregelung wird davon ausgegangen, daß sich nach dem Zünden eines Plasmas in einem He-Ar-Gasgemisch ein Stickstoffplasma in der Umgebungs atmosphäre ausbildet, welches im wesentlichen den Abschir mungseffekt verursacht. Das Vorhandensein von Stickstoff kann meßtechnisch ermittelt werden. Das Vorhandensein von Stick stoff wird über die Lichtleitfaser 26 von einem Spektrogra phen erkannt. Bei Vorliegen eines entsprechenden, auf Stick stoff hinweisenden Meßsignals wird Einfluß auf die Funktion des Lasers 16 genommen. Beispielsweise wird die Laserleistung kurzfristig abgeschaltet, so daß die Plasmaabschirmung zusam menbricht. Wird also das Vorhandensein von Stickstoff zum Zeitpunkt t_ZE gemäß Fig. 2f ermittelt, so wird die Prozeßrege lung 25 gemäß Fig. 2h von der Steuereinrichtung 13 aus freige schaltet.Usually, the gas atmosphere in the process area reacts slowly 12 . It can therefore be advantageous to use a process control 25 for suppressing shielding plasmas, as is known in CO₂ laser beam welding from DE 43 08 971 A1. In this process control it is assumed that after the ignition of a plasma in a He-Ar gas mixture, a nitrogen plasma forms in the surrounding atmosphere, which essentially causes the shielding effect. The presence of nitrogen can be determined by measurement. The presence of nitrogen is detected by a Spektrogra phen over the optical fiber 26 . In the presence of a corresponding measurement signal indicating nitrogen, the function of the laser 16 is influenced. For example, the laser power is switched off briefly, so that the plasma shield collapses. If the presence of nitrogen is determined at the time t _ZE according to FIG. 2f, the process control 25 according to FIG. 2h is activated by the control device 13 .

Kurzzeitig danach steuert die Prozeßregelung 25 über die Leitung 27 der Laser 16 gemäß Fig. 2g an. Fig. 2g zeigt die Ausgangsgröße A₂₅ zur Ansteuerung des Lasers 16. Mit der Zeitdifferenz t_d kann auf Abklingvorgänge in der Gasatmosphä re des Prozeßbereichs 12 Rücksicht genommen werden. Nach der Ansteuerung des Lasers 16 während der Zeit t₁ gemäß Fig. 2e, in der der Laser 16 also keine Leistung abgibt, die zur Auf richterhaltung des Plasmas ausreicht, bricht die Plasmaab schirmung zusammen. Dabei wird ausgenutzt, daß die Zeitkon stante der Plasmaabschirmung deutlich unter der der Dampfka pillaren 19 liegt. Infolgedessen wird eine negative Auswir kung auf das Schweißergebnis sicher vermieden.Shortly thereafter, the process control 25 controls the laser 16 according to FIG. 2g via the line 27 . Fig. 2g shows the output variable A₂₅ for driving the laser 16th With the time difference t _d , decay processes in the gas atmosphere of the process area 12 can be taken into account. After driving the laser 16 during the time t 1 according to FIG. 2 e, in which the laser 16 therefore does not emit any power which is sufficient to maintain the plasma, the plasma shield breaks down. This takes advantage of the fact that the time constant of the plasma shielding lies significantly below that of the Dampfka pillaren 19 . As a result, a negative impact on the welding result is safely avoided.

Die Positionsregelung 25 darf während der Zündphase t_ZE t_Z nicht eingesetzt werden, vermag jedoch nach Ablauf der Zündzeit den Prozeß ständig zu kontrollieren. Ggf. erfolgt eine mehrfache Abschaltung des Lasers 16 durch die Prozeßre gelung 25, so daß also in Fig. 2g bedarfsweise mehrfache An steuersignale 32 entsprechend den gestrichelten Darstellungen vorhanden sind. Dementsprechend würde die Bearbeitungslei stung P_Lb des Lasers 16 mehrfach abgeschaltet, um die negati ven Auswirkungen abschirmenden Plasmas zu vermeiden. In der Regel läuft der Schweißprozeß jedoch unter reiner Heliumatmo sphäre stabil, wobei die Plasmaabschirmung durch die Wahl des Prozeßgases wirkungsvoll unterdrückt werden kann.The position control 25 must not be used during the ignition phase t _ZE t _Z , but can control the process continuously after the ignition time. Possibly. there is a multiple shutdown of the laser 16 by the process control 25 , so that in Fig. 2g, if necessary, multiple control signals 32 are present in accordance with the dashed representations. Accordingly, the processing power P _{Lb of} the laser 16 would be switched off several times in order to avoid the negative effects of shielding plasma. In general, however, the welding process is stable under pure helium atmosphere, and the plasma shielding can be effectively suppressed by the choice of the process gas.

Da die Gasatmosphäre im Prozeßbereich 12 träge reagiert, kann als Folge davon am Schweißnahtanfang eine ungenügende Durchschweißung auftreten, was ein Nahtfehler ist. Um das zu vermeiden und um eine sichere Durchschweißung zu garantieren, kann ergänzend ein Sensor zur Kontrolle der Nahtdurchschwei ßung verwendet werden, der zweckmäßig vom Bearbeitungsbeginn t_Z bzw. t₀ eingeschaltet wird. Das Sensorsignal kann im Sinne der Einstellung ausreichender Laserleistung verwendet werden. Ausführungsbeispiele sind in der EP 0 573 474 B1 beschrieben.Since the gas atmosphere in the process area 12 reacts sluggishly, insufficient weld-through can occur as a result, which is a seam defect. In order to avoid this and to guarantee a reliable weld-through, a sensor can additionally be used to control the weld-through, which is expediently switched on from the start of machining t _Z or t₀. The sensor signal can be used in the sense of setting sufficient laser power. Exemplary embodiments are described in EP 0 573 474 B1.

Claims

1. Method for processing workpieces ( 10 ) with laser radiation ( 11 ) under protective gas, in which, in addition to the laser radiation ( 11 ), an arc is guided into the process area ( 12 ) close to the workpiece, and in which the arc is ignited before the start of the processing with a laser-induced plasma ( 14 ), which is generated in the process area ( 12 ) under evaporation of material, this ignition being controlled by a control device ( 13 ) which brings the plasma to extinguish after the ignition of the arc, characterized that a shielding plasma (14) is used, that the shielding plasma (14) generated by means of an introduced in the process area (12) of inert gas with a the ionization energy of the inert gas under border ionization energy and / or be Farming using a a power peaking kenden Initial pulse ( 15 ) is induced, and that the gas supply and / or the pulse parameters up to ignition can be controlled.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the laser-induced plasma with the help of argon he is fathered.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the arc ignition voltage is applied at the beginning (t _Z ) of the ignition phase (t _ZE -t _Z ).

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ignition phase (t _ZE -t _Z ) is ended depending on the detection of an arc current.

5. The method according to claim 4, characterized in that the detection of the arc current by means of a detector he follows.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a process control ( 25 ) for suppressing the laser-induced plasma ( 14 ) is used.

7. The method according to claim 6, characterized in that the process control ( 25 ) suppresses any plasma formation depending on the detection of a nitrogen plasma.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized ge indicates that from the start of processing a sensor is used to control the weld penetration.