DE19616844A1 - Verfahren zum Laserbeschichten sowie zum Laserschweißen von metallischen Werkstücken - Google Patents
Verfahren zum Laserbeschichten sowie zum Laserschweißen von metallischen WerkstückenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von metallischen Werkstücken
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laserbeschichten
von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Laserschweißen ist aus offenkundiger Vorbenutzung bekannt. Dabei wird ein Laserstrahl
auf das zu schweißende Werkstück fokussiert. Häufig wird der Schweißstelle gleichzeitig
ein Prozeßgas zugeführt, das mehreren Anforderungen gerecht werden muß. Es soll
einerseits die verwendeten Laseroptiken vor Spritzern und Verunreinigungen schützen
und andererseits unerwünschte Reaktionen der Umgebungsatmosphäre mit dem
Schweißbereich verhindern oder begrenzen. In der Regel wird das Prozeßgas durch eine
Düse koaxial zum Laserstrahl gerichtet zugeführt, u. U. kann jedoch statt dessen oder
zusätzlich auch eine transversal zum Laserstrahl gerichtete zweite Düse Verwendung
finden.
Als Prozeßgas werden im Stand der Technik in der Regel Inertgase verwendet. Stickstoff
und Argon sind kostengünstig zur Verfügung stehende Gase, weisen allerdings den
Nachteil auf, daß der Laserstrahl mit den Stickstoffmolekülen bzw. den Argonatomen
wechselwirkt und so ein Prozeßgasplasma bildet, das unerwünscht ist, da es den Wir
kungsgrad des Schweißens verringert. Es werden daher häufig Prozeßgase verwendet,
die etwa 30% Helium in Argon enthalten. Helium unterdrückt die unerwünschte Plasma
bildung im Prozeßgas, ist allerdings sehr kostspielig.
Das Beschichten von Werkstücken unter Zuhilfenahme von Laserstrahlen ist aus US-A-
4,958,058 und US-A-5,043,548 in der Form des sogenannten Laserplasmabeschichtens
bekannt. In der erstgenannten Schrift ist der Laserstrahl transversal zur Auftragsrichtung
des Beschichtungsmedium gerichtet, die zweite Druckschrift offenbart einen kollinear zur
Auftragsrichtung gerichteten Laserstrahl. Gemeinsam ist den beiden Druckschriften, daß
das Beschichtungsmedium (i.d.R. ein metallisches Pulver) mit dem Laserstrahl in dessen
Fokuspunkt wechselwirkt. Die hohe Energiedichte im Fokuspunkt ionisiert das Be
schichtungsmedium und bildet so ein Metallplasma, das anschließend auf das zu be
schichtende Werkstück aufgebracht wird. Dieses Laserplasmabeschichten erfordert ei
nen hohen Energieaufwand.
US-A-5,418,350 offenbart eine Düse und ein Verfahren zum Laserbeschichten, bei dem
eine Wechselwirkung zwischen dem Beschichtungsmedium und dem Laserstrahl erst im
Defokusbereich des Lasers, also beabstandet vom Fokuspunkt des Laserstrahls, statt
findet. Im Fokuspunkt des Laserstrahls befindet sich hier lediglich das zum Auftragen
des Beschichtungsmediums auf das Werkstück verwendete Prozeßgas. Auch hier taucht
wieder das Problem auf, daß eine unerwünschte Plasmabildung des Prozeßgases (also
nicht des metallischen Beschichtungsmediums) den Wirkungsgrad des Beschichtens
vermindert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Laserschweißen
bzw. Laserbeschichten der eingangs genannten Art zu schaffen, die kostengünstig und
mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß als Prozeßgas beim Laserschweißen
bzw. Laserbeschichten eine Mischung aus wenigstens einem Inertgas und Wasserstoff
verwendet wird.
Im Rahmen der Erfindung bezeichnet der Begriff "Inertgas" jedes Gas und jede Gasmi
schung, das bzw. die unter den beim Schneiden bzw. Beschichten auftretenden Bedin
gungen keine oder nur geringfügige chemische Reaktionen mit dem zu bearbeitenden
Werkstück, den beim Bearbeiten entstehenden Reaktionsprodukten und/oder der Um
gebungsatmosphäre eingeht. Verwendbare Inertgase sind bspw. Edelgase, Stickstoff
sowie Mischungen daraus. Unter den Edelgasen ist Argon besonders bevorzugt.
Der Begriff "Prozeßgas" bezeichnet jede Gasmischung, die beim Laserschweißen den
Bereich der Schweißstelle zugeführt wird bzw. die beim Laserbeschichten entweder als
Transportmedium für die aufzubringenden Stoffe (i.d.R. ein Metallpulver) dient oder aber
separat dem Beschichtungsbereich zugeführt wird, bspw. um diesen Bereich vor der
Umgebungsatmosphäre zu schützen. Beim Laserbeschichten kann das Prozeßgas
gleichzeitig Transportfluid zum Heranführen des Beschichtungsmediums sein, es kann
aber auch statt dessen oder aber zusätzlich separat dem Beschichtungsbereich zuge
führt werden.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß schon ein verhältnismäßig
geringer Volumenanteil Wasserstoff in einem Inertgas die Ionisationsneigung dieser
Gasmischung insgesamt so stark herabsetzt, daß eine im Rahmen der Erfindung sowohl
beim Schweißen als auch beim Beschichten unerwünschte Gasplasmabildung weitge
hend vermieden wird. Diese Wirkung beruht unter anderem darauf, daß die hohe Wär
meleitfähigkeit des Wasserstoffs und sein geringer Atomdurchmesser eine erhöhte Re
kombinationsrate bereits ionisierter Atome bewirkt und somit die Plasmabildung unter
drückt. In US-A-4,959,058 und US-A-5,043,548 werden wasserstoffhaltige Prozeßgase
beim Laserplasmabeschichten zwar schon offenbart. Jedoch handelt es sich bei diesen
Beschichtungsverfahren um Plasmabeschichtungsverfahren, bei denen eine Plasmabil
dung nicht etwa unterdrückt werden soll, sondern im Gegenteil Voraussetzung für das
Funktionieren des Verfahrens ist. Die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und den
Beschichtungsmedien findet bei diesen US-Schriften im Fokuspunkt des Laserstrahls
statt. Es war daher für den Fachmann völlig überraschend, daß erfindungsgemäß eine
Plasmabildung durch ein wasserstoffhaltiges Prozeßgas unterdrückt wird. In diesem Zu
sammenhang sei angemerkt, daß die beiden genannten US-Schriften ausdrücklich eine
Plasmabildung auch des Prozeßgases für wünschenswert halten, die von dem
Gasplasma abgestrahlte Wärme soll dann das als Beschichtungsmedium vorgesehene
Metallpulver verdampfen.
Im Unterschied zu diesem Stand der Technik schlägt der Aspekt der Erfindung, der sich
mit dem Laserbeschichten beschäftigt, vor, den Laserstrahl erst im Defokusbereich un
mittelbar mit dem Beschichtungsmedium wechselwirken zu lassen und dieses dadurch in
die zum Auftragen gewünschte Form (i.d.R. in eine flüssige oder Gasform) zu bringen.
Die Erfindung vermeidet somit den energieaufwendigen Umweg über ein Plasma, den
der Stand der Technik benutzt.
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Prozeßgasmischung beim Laserschweißen war für
den Fachmann ebenfalls überraschend, da der Stand der Technik einen Heliumzusatz
zur Vermeidung der unerwünschten Plasmafackelbildung (eine Plasmabildung im Pro
zeßgas bereits vor dem Auftreffen des Laserstrahls auf die Metalloberfläche) für erfor
derlich hielt. Zwar ist es beim Lichtbogenschweißen bereits aus offenkundiger Vorbenut
zung bekannt, der Schweißstelle von hinten ein Schutzgas zuzuführen, das Wasserstoff
in Argon enthält. Der technische Effekt des Wasserstoffs ist hier jedoch lediglich die Bin
dung von ggf. trotz Schutzgasspülung zur Schweißstelle gelangendem Luftsauerstoff.
Der Fachmann konnte nicht erwarten, daß der Wasserstoffzusatz beim Laserschweißen
die Plasmafackelbildung verhindert oder verringert, im Gegenteil ist beim Lichtbogen
schweißen gerade die Entstehung eines Plasmas zur Lichtbogenbildung erforderlich.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen können vorteilhaft bei
spielsweise metallische Werkstücke aus austenitischem Stahl, austenitisch-ferritischem
Stahl, oder einer Nickel-Basis-Legierung geschweißt werden.
Beim Laserbeschichten wird das Beschichtungsmedium vorzugsweise als Pulver
(bevorzugt ein Metallpulver) zugeführt. Die zu beschichtenden Werkstücke werden in der
Regel metallische Werkstücke sein, es kann sich jedoch auch um andere Materialien
(bspw. keramische Materialien) handeln. Das Beschichtungsmedium kann ggf. auch in
Form bspw. einer Stange zugeführt werden, von der mittels des Laserstrahls Beschich
tungsmedium abgeschmolzen wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Laserbeschichtens ist der Laserstrahl im
wesentlichen kollinear zu der Hauptauftragsrichtung des Beschichtungsmediums. Wenn
das Beschichtungsmedium bspw. kegelförmig aus der Beschichtungsdüse austritt, ist die
Hauptauftragsrichtung die Achse dieses Kegels.
Bevorzugte Wasserstoffanteile des zum erfindungsgemäßen Laserschweißen bzw.
-beschichten verwendeten Prozeßgases liegen bei 1-30, vorzugsweise 3-25, weiter
vorzugsweise 5-15, besonders bevorzugt etwa 10 Vol.-% Wasserstoff.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläu
tert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch wesentliche Elemente einer Schweißvorrichtung zur Durchfüh
rung des erfindungsgemäßen Laserschweißens;
Fig. 2 schematisch wesentliche Elemente einer Beschichtungsanlage zur Durchfüh
rung des erfindungsgemäßen Laserbeschichtens.
Zunächst wird das Laserschweißen anhand Fig. 1 beschrieben. Ein Laserstrahl 1 wird
mittels einer Fokussierlinse 2 auf das zu schweißende Werkstück 6 gerichtet. Dabei tritt
er durch eine Düse 3 und deren Mundstück 11 hindurch. Der Laser selbst ist in der
Zeichnung nicht dargestellt, geeignete Laser sind dem Fachmann geläufig. Bspw. kann
ein CO₂-Laser oder Feststofflaser wie z. B. ein Nd-YAG-Laser verwendet werden. Ge
eignete Strahlleistungen liegen bspw. im Bereich 1-3 kW. Größere Laserleistungen sind
ggf. ebenfalls anwendbar, jedoch werden dann bevorzugt Spiegeloptiken zur Fokussie
rung des Laserstrahls verwendet. Die Fokussierlinse 2 fokussiert den Laserstrahl auf die
Oberseite des zu schweißenden Werkstücks 6. Der Durchmesser der Öffnung des Dü
senmundstücks 11 kann im Bereich 3-15 mm, vorzugsweise 7-10 mm liegen. Der Ab
stand des Düsenmundstücks 11 von der Oberfläche des Werkstücks 6 liegt bevorzugt im
Bereich 10-15 mm.
Die Düse 3 weist eine Zufuhrleitung 5 auf, durch die Prozeßgas in eine Kammer 4 ge
führt wird. Als Prozeßgas wird eine Ar-H₂-Mischung mit einem Wasserstoffanteil von 10
Vol.-% verwendet. Die zugeführte Prozeßgasmenge beträgt vorzugsweise 30 l/min
(gemessen unter Normbedingungen).
Das zu schweißende Blech 6 stützt sich auf einer Tragvorrichtung 9 ab. Die Düse 3 kann
zur Konstanthaltung bzw. Regelung des Arbeitsabstandes mit einem Abstandssensor 7
(bspw. einer induktiven Abstandssensorik) ausgerüstet sein.
Bei dem Schweißvorgang wird das Blech 6 mit einer Geschwindigkeit von z. B. 6 m/min
in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Pfeils durch die Schweißvorrichtung geführt. Der
Wasserstoffanteil im Prozeßgas bewirkt, daß der größte Teil der Energie des Laser
strahls 1 unmittelbar mit dem Material des Blechs 6 im Bereich der Schweißstelle wech
selwirkt. Eine Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Prozeßgas durch Ionisation des
Prozeßgases und daraus resultierende Plasmabildung wird vermieden bzw. verringert.
Es geht also keine oder nur wenig Energie des Laserstrahls 1 bei der Bildung einer un
erwünschten Plasmafackel im Prozeßgas verloren. Besonders bemerkbar macht sich
diese vorteilhafte Wirkung der Erfindung, wenn mit hohen Laserleistungen über 3 kW
(und dementsprechend Spiegeloptiken zur Fokussierung) und einer dementsprechend
hohen Leistungsdichte im Bereich der Schweißstelle gearbeitet wird.
Im Rahmen der Erfindung kann das Prozeßgas auch anders zugeführt werden, bspw.
über eine in der Zeichnung nicht dargestellte, seitlich angeordnete Düse. Eine solche
Düse kann entweder zusätzlich oder anstelle der Düse 3 vorgesehen sein.
Eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Schweißen
von austenitischem Edelstahl (AISI 304) mit einer Materialstärke von 2 mm. Ein anderer
vorteilhaft zu schweißender Werkstoff ist bspw. eine Nickel-Basis-Legierung.
Das erfindungsgemäße Laserbeschichten wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 be
schrieben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen hier gleiche oder ähnliche Bauteile. Ein
Laserstrahl 1 wird mittels einer Fokussierlinse 2 in der Düse 3 fokussiert, der Fokuspunkt
liegt bei 12. Der Laser zur Erzeugung des Laserstrahls 1 ist in der Zeichnung nicht dar
gestellt, geeignete Laser sind dem Fachmann geläufig. Es können die gleichen Laser,
wie oben im Zusammenhang mit dem Laserschweißen erläutert, verwendet werden. Ge
eignete Strahlleistungen liegen bspw. im Bereich 1-3 kW, bevorzugt etwa 2 kW bei Fo
kussierung mittels Fokussierlinse 2. Ggf. können höhere Strahlleistungen, bevorzugt
unter Verwendung von Spiegeloptiken zur Fokussierung, verwendet werden. Der Ab
stand der Unterkante der Düse 3 zum Werkstück liegt bspw. im Bereich 3-30 mm, be
vorzugt 20-25 mm.
Die Düse 3 kann erforderlichenfalls durch in der Zeichnung nicht dargestellte Kühlein
richtungen (bspw. mittels Kühlwasser) gekühlt werden.
Die Düse 3 weist einen Einlaß 10 auf, der der Zufuhr des Beschichtungsmediums dient.
In der Regel handelt es sich dabei um ein metallisches Pulver, das durch einen Träger
gasstrom gefördert wird. Als Trägergas wird bevorzugt das erfindungsgemäße Prozeß
gas eingesetzt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Ar-H₂-Mischung mit einem H₂-
Gehalt von 10 Vol.-%. Das Beschichtungsmedium tritt bei 13 aus der Düse 3 und wird in
Richtung auf das Werkstück 6 zu gefördert. Über eine weitere Zufuhreinrichtung 8 der
Düse 3 wird erfindungsgemäßes Prozeßgas als sogenanntes Fokussiergas zugeführt.
Es tritt bei 14 aus der Düse aus und fokussiert aufgrund der Injektorwirkung den bei 13
austretenden Strom des Beschichtungsmediums auf das Werkstück 6 zu. Man erkennt,
daß eine Wechselwirkung zwischen Beschichtungsmedium und Laserstrahl 1 erst au
ßerhalb des Körpers der Düse 3 und unterhalb des Fokuspunkts 12, also im Defokusbe
reich des Laserstrahls stattfindet. Die Energiedichte des Laserstrahls in diesem Defo
kusbereich ist ausreichend, um das zur Beschichtung vorgesehene Metallpulver in eine
für das Beschichten geeignete Form (Flüssig- oder Gasphase) zu bringen. Eine Bildung
von Metallplasma findet jedoch nicht statt. Gleichfalls vermieden wird eine unerwünschte
Bildung von Plasma des Prozeßgases, obwohl dieses Prozeßgas im Bereich des Fokus
punkts 12 zugegen ist und damit prinzipiell mit dem Laserstrahl 1 auch in diesem Bereich
hoher Energiedichte wechselwirken kann. Der erfindungsgemäße Wasserstoffzusatz
vermeidet bzw. verringert jedoch die unerwünschte Plasmabildung.
Das zu beschichtende Werkstück 6 stützt sich auf einer Tragvorrichtung 9 ab. Der über
die Zufuhreinrichtung 10 zugeführte Pulvermassenstrom liegt bevorzugt im Bereich von
etwa 10-30 g/min. Der über die Einrichtung 8 zugeführte Fokussiergasstrom liegt be
vorzugt bei etwa 10-20 l/min. Da in der Regel der Volumenstrom des Fokussiergases
den des Trägergases deutlich überwiegt, ist es nicht unbedingt erforderlich, daß es sich
auch bei dem Trägergas um ein erfindungsgemäßes Prozeßgas handelt. Ggf. können
hier auch andere Trägergase verwendet werden. Entscheidend ist, daß das durch Mi
schung von Fokussier- und Trägergas insgesamt entstehende Prozeßgas wasserstoff
haltig ist.
Eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Beschichten
von Baustahl mit Stellit-6-Pulver.
Claims (10)
1. Verfahren zum Laserschweißen von metallischen Werkstücken, bei dem die
Schweißstelle von einem Prozeßgas umspült wird, dadurch gekennzeichnet, daß
als Prozeßgas eine Mischung aus wenigstens einem Inertgas und Wasserstoff
verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Werk
stück aus austenitischem Stahl besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Werk
stück aus austenitisch-ferritischem Stahl besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Werk
stück aus einer Nickel-Basis-Legierung besteht.
5. Verfahren zum Laserbeschichten von Werkstücken mit einem Beschichtungsmedi
um, bei dem eine Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Beschichtungsmedi
um im Defokusbereich des Laserstrahls stattfindet und bei dem der Wechselwir
kungsbereich Laserstrahl/Beschichtungsmedium und/oder der zu beschichtende
Werkstückbereich von einem Prozeßgas umspült wird, dadurch gekennzeichnet,
daß als Prozeßgas eine Mischung aus wenigstens einem Inertgas und Wasserstoff
verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsme
dium als Pulver zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl
im wesentlichen kollinear zu der Hauptauftragsrichtung des Beschichtungsmedi
ums ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Prozeßgas als Inertgas wenigstens ein Edelgas und/oder Stickstoff enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas Argon
und/oder Stickstoff enthält.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Prozeßgas 1-30, vorzugsweise 3-25, weiter vorzugsweise 5-15, besonders be
vorzugt etwa 10 Vol.-% Wasserstoff enthält.
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