DE19732008A1

DE19732008A1 - Operating on a workpiece using a laser beam

Info

Publication number: DE19732008A1
Application number: DE19732008A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl Ing Kern; Peter Dipl Ing Berger; Helmut Prof Dr Ing Huegel
Original assignee: Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Current assignee: Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-07-26
Also published as: DE19732008C2

Abstract

An operation on a workpiece using a laser beam (4) is performed by producing a melt due to relative motion between the laser beam and the workpiece which can flow in the workpiece. A magnetic field (B) is applied to the workpiece (2) during the laser operation. The apparatus includes a magnet (1) which produces a magnetic field (B) in the region of the melt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserstrahl, bei welchem unter einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück in letzterem eine Schmelze erzeugt wird, wel che bei der Relativbewegung zum Strömen kommt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit
The invention relates to a method for machining a workpiece with a laser beam, in which a melt is generated in the latter under a relative movement between the laser beam and the workpiece, which surface flows with the relative movement, and a device for carrying out this method with

a) a laser light source, which one on the work piece directed laser beam generated;
b) a feed device which has a relative movement generated between laser beam and workpiece.

Laserbearbeitungsverfahren dieser Art sind in unterschied lichster Ausgestaltung bekannt. Bei der "Bearbeitung" kann es sich beispielsweise um ein oberflächliches Um schmelzen, um eine Beschichtung, ein Schneiden oder um eine Verbindungsschweißung zweier Werkstücke handeln. All diesen Bearbeitungsverfahren ist gemeinsam, daß durch den Laserstrahl in dem bearbeiteten Werkstück eine Schmelze erzeugt wird, welche aufgrund der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück zum Fließen genötigt ist. Bei den bekannten Laserbearbeitungsverfahren gab es keine oder nur sehr wenige Möglichkeiten, die Schmelzeströmungen zu formen oder zu beeinflussen. Zum Beispiel muß überall dort, wo der Lasterstrahl in dem Werkstück eine Dampfka pillare erzeugt, also etwa beim Verbindungsschweißen, das an der Schmelzfront aufgeschmolzene Material die Dampfka pillare umströmen. Ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Laser und Werkstück zu hoch, wird die fragliche Strömung der Schmelze unruhig und turbulent. Als Folge davon er geben sich Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht, wie beispielsweise Höcker oder sonstige Unebenheiten. Beim Schweißen von Stahlsorten wird der unerwünschte "Humping-Ef fekt" beobachtet, bei welchem sich unter ungünstigen Umständen statt einer kontinuierlich glatten Schweißnaht eine Folge von diskreten Materialinseln ergibt. Generell kann es im Zusammenspiel verschiedener Prozeßparameter dazu kommen, daß Schmelztröpfchen aus der Schmelze heraus spritzen und sich auf der Oberfläche des Werkstückes ablagern.Laser processing methods of this type are different lightest design known. When "editing" can be a superficial order, for example melt to a coating, a cut or around a joint welding of two workpieces. All of these machining processes have in common that by melt the laser beam in the machined workpiece is generated, which due to the relative movement between Laser beam and workpiece are required to flow. At there were no known laser processing methods or very few ways the melt flows to shape or influence. For example, must be everywhere where the vice in the workpiece is a steam box pillare produces, for example in connection welding material melted on the melting front is the Dampfka flow around pillare. Is the relative speed between Laser and workpiece too high, the flow in question becomes the melt is restless and turbulent. As a result of it he there are irregularities in the weld, such as for example bumps or other bumps. At the Welding steel grades becomes the undesirable "humping ef fect "observed, in which among unfavorable Circumstances instead of a continuously smooth weld results in a sequence of discrete islands of material. As a general rule it can be in the interaction of various process parameters In addition, melt droplets come out of the melt inject and spread on the surface of the workpiece deposit.

Besonders bei der Bearbeitung von Aluminium treten häufig Instabilitäten auf, da die Viskosität der Aluminumschmelze sehr gering, ihre Wärmleitfähigkeit dagegen sehr hoch ist. Aus diesem Grunde beobachtete man bisher beim Aluminium schweißen im Vergleich zum Schweißen von Stählen eine stär kere Spritzertätigkeit und zeitweise sogar lokale Schmelz auswürfe. Die maximale Vorschubgeschwindigkeit beim Schmelzen von Werkstücken mit Hilfe eines Laserstrahles, insbesondere beim Schweißen von Stählen, wurde nicht durch die in das Werkstück einbringbare Energie sondern durch das Auftreten von Instabilitäten begrenzt.Especially when processing aluminum occur frequently Instabilities due to the viscosity of the aluminum melt very low, but their thermal conductivity is very high. For this reason, we have previously observed aluminum welding compared to the welding of steels No splashing and sometimes even local melting ejections. The maximum feed rate when melting of workpieces using a laser beam, in particular when welding steels, was not by the in that Workable energy but through the appearance limited by instabilities.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah ren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher die Möglichkeit besteht, die Strömung der Schmelze zu formen und zu stabilisieren. The object of the present invention is a method ren and a device of the type mentioned to create, with which there is the possibility, the To shape and stabilize the flow of the melt.

Diese Aufgabe wird, was das Verfahren angeht, dadurch gelöst, daß an das Werkstück während der Laserbearbei tung ein Magnetfeld angelegt wird.This task, as far as the procedure is concerned, is thereby solved that on the workpiece during laser machining a magnetic field is applied.

In der Literatur ist der sogenannte "magnetohydrodyna mische Effekt" bekannt. Hierunter wird die Beobachtung verstanden, daß die Strömung von Flüssigkeiten, insbeson dere von elektrisch leitenden Schmelzen, unter dem Einfluß eines an sie angelegten Magnetfeldes gedämpft werden kann. Wegen Einzelheiten des magnetohydrodynamischen Effektes (MHD) sei bespielsweise auf die Bücher von J. A. Schercliff "A Text Book of Magnetohydrodynamics", Pergamon Press, 1965, Oxford, und V. C. A. Ferraro und c. Plumpton "An Introduction to Magneto-Fluid Mechanics", Oxford Press, 1966, Oxford, verwiesen. Der magnetohydrodynamische Effekt galt bisher in der Fachliteratur ausschließlich als Mechanismus, mit welchem auf ein fließfähiges Medium dämpfend Einfluß genommen werden kann. Dieser Effekt sollte nach der allgemeinen Meinung und der Theorie unabhängig vom Vorzeichen des magnetischen Feldes sein. Aus diesem Grunde schien seine Verwendung bei Laserbear beitungsverfahren nicht angezeigt.In the literature the so-called "magnetohydrodyna mix effect "is known. This is the observation understood that the flow of liquids, in particular those of electrically conductive melts, under the influence of a magnetic field applied to them can be damped. Because of details of the magnetohydrodynamic effect (MHD) is, for example, the books by J. A. Schercliff "A Text Book of Magnetohydrodynamics", Pergamon Press, 1965, Oxford, and V. C.A. Ferraro and c. Plumpton "on Introduction to Magneto-Fluid Mechanics ", Oxford Press, 1966, Oxford. The magnetohydrodynamic effect was previously only considered in the specialist literature Mechanism with which on a flowable medium dampening influence can be exerted. This effect should according to general opinion and theory be independent of the sign of the magnetic field. For this reason, its use in Laserbear appeared processing method is not displayed.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde erstmals erkannt, daß anscheinend unter dem Einfluß der speziellen Geome trie, die sich bei den hier interessierenden Laserbe arbeitungsverfahren einstellt, eine zusätzliche Volumen kraft, die auf die Schmelze wirkt, durch das Magnet feld erzeugt wird, welche dazu ausgenutzt werden kann, die Schmelze zu stabilisieren und zu formen. Dieser Effekt hat offensichtlich weniger mit der Dämpfung der Strömung des aufgeschmolzenen Materials als damit zu tun, daß tatsächlich auf die Schmelze eine resultierende Volumen kraft ausgeübt wird. Diese Volumenkraft kann sowohl zur Stabilisierung des Schmelzflusses als auch zur Formung des Nahtquerschnittes als auch zur Beeinflussung des Energietransportes innerhalb der Schmelze eingesetzt werden, wie weiter unten deutlich wird. Diese Kraft kann außerdem glättend auf die Oberfläche der Schmelze wirken, so daß z. B. eine Schweißnaht hoher Güte gebildet wird. Es hat sich herausgestellt, daß sich so beispielsweise die Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstück um 20% oder mehr steigern läßt, ohne daß uner wünschte Instabilitäten oder Verschlechterungen der Schweißnaht auftreten.With the present invention it was recognized for the first time that apparently under the influence of special geomes trie, who are interested in the Laserbe process sets an additional volume force that acts on the melt through the magnet field is generated, which can be used to to stabilize and shape the melt. This effect obviously has less with the damping of the flow of the melted material than to do with that actually a resulting volume on the melt force is exercised. This volume force can be used both for Stabilization of the melt flow as well as for shaping the cross section of the seam as well as to influence the Energy transport used within the melt as will become clear below. This force can also have a smoothing effect on the surface of the melt, so that z. B. a high quality weld is formed. It has been found that, for example the relative speed between the laser beam and Workpiece can be increased by 20% or more, without that desired instabilities or worsening of the Weld seam occur.

Beispielsweise kann das Verfahren so geführt werden, daß die Magnetfeldlinien etwa parallel zur Werkstückober fläche gerichtet sind. Bei dieser Ausgestaltung ist die Volumenkraft senkrecht zur Werkstückoberfläche gerichtet. Dabei sind wiederum zwei Verfahrensvarianten zur unter scheiden, je nachdem, wie die Orientierung der Magnetfeld linien gegenüber der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück ist. Stehen die Magnetfeldlinien senkrecht zur Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück, so werden entsprechend den beiden in diesem Falle möglichen Orientierungen des Magnetfeldes auf die Schmelze Volumen kräfte ausgeübt, die nach oben oder unten, also vom Schmelznutgrund weg oder auf den Schmelznutgrund zu, wirken.For example, the method can be carried out that the magnetic field lines are approximately parallel to the workpiece top are directed. In this configuration, the Volume force directed perpendicular to the workpiece surface. There are again two process variants differ depending on how the orientation of the magnetic field lines against the relative movement between the laser beam and workpiece is. The magnetic field lines are vertical relative movement between laser beam and workpiece, so will be possible according to the two in this case Orientations of the magnetic field on the melt volume forces exerted upwards or downwards, i.e. from Bottom of the groove or towards the bottom of the groove, Act.

Wählt man diejenige Orientierung, bei welcher die Volumen kräfte "nach oben" wirken, hat dies zwar zur Folge, daß unter Umständen das Austreten von Tröpfchen aus der Schmelze gefördert wird; es besteht aber auf diese Weise die Möglichkeit, den Querschnitt der Naht (senkrecht zur Längserstreckung) in einer Weise zu variieren, bei welcher Formen, z. B. Einschnürungen oder Taillierungen, vermieden werden, die sonst zu Spannungen innerhalb des Werkstückes oder zu einem Verzug des Werkstückes führen könnten.If you choose the orientation at which the volume forces "upwards", this has the consequence that droplets may leak out the melt is conveyed; but insists on this Way the possibility of the cross section of the seam (vertical for longitudinal extension) to vary in a way which forms, e.g. B. constrictions or waists, avoided, which would otherwise lead to tensions within the Workpiece or lead to a distortion of the workpiece could.

Wird die Orientierung des Magnetfeldes bei paralleler Ausrichtung zur Oberfläche des Werkstückes und senkrecht zur Relativbewegung so eingestellt, daß die Volumenkräfte auf die Schmelze in Richtung auf den Schmelzuntergrund wirken, so werden die eingangs erwähnten schädlichen Instabilitäten unterdrückt. Insbesondere läßt sich eine bessere Oberfläche der Oberraupe erzielen; "Humping-Ef fekte" beim Schweißen von Stahl können vermieden und eine höhere Relativgeschwindigkeit erreicht werden. Diese Orientierung des Magnetfeldes hat im allgemeinen auch einen Einfluß auf den Querschnitt der Naht: da die Schmelze in Richtung auf den Schmelznutgrund gedrückt wird, tendiert der Nutquerschnitt dazu, sich nach unten hin zu verbreitern, was häufig mit einer Taillienbildung verbunden ist.The orientation of the magnetic field is parallel Alignment to the surface of the workpiece and perpendicular set to the relative movement so that the volume forces on the melt towards the melt substrate act, so the harmful mentioned above Instabilities suppressed. In particular, one achieve better surface of the caterpillar; "Humping Ef fect "when welding steel can be avoided and a higher relative speed can be achieved. This orientation of the magnetic field generally has also an influence on the cross section of the seam: since the Melt pressed in the direction of the bottom of the melt groove the groove cross section tends to go down to broaden what is often associated with waist formation connected is.

Unter günstigen Umständen läßt sich durch Anlegen eines geeigneten Magnetfeldes in der richtigen Orientierung eine Form des Schmelznutquerschnitts erzielen, die annä hernd rechteckig ist, also eine ebene untere Grenzfläche aufweist. Mit einer derartigen Form der Schmelznut läßt sich bei flächiger Bearbeitung eines Werkstückes eine Eindringtiefe hoher Konstanz erreichen. Dies ist insbeson dere für Umschmelzvorgänge von großer Bedeutung.In favorable circumstances, by creating a suitable magnetic field in the correct orientation achieve a shape of the melting groove cross-section that approx is rectangular, that is, a flat lower interface having. With such a shape the melting groove can itself when machining a workpiece Achieve a high level of penetration. This is in particular of great importance for remelting processes.

Werden die Magnetfeldlinien etwa senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes gerichtet, lassen sich Nähte erzielen, die im Querschnitt asymmetrisch sind.The magnetic field lines become approximately perpendicular to the surface of the workpiece, seams can be achieved, which are asymmetrical in cross section.

Eine zusätzliche Möglichkeit, auf die von dem Magnetfeld hervorgerufene Volumenkraft Einfluß zu nehmen, erschließt sich dann, wenn zusätzlich ein elektrischer Strom durch die Schmelze geleitet wird. Auf diese Weise läßt sich die effektive Lorentzkraft, die vom Magnetfeld erzeugt wird, verstärken und, je nach Verlauf des resultierenden elektrischen Stromes, in einer gewünschten Weise konzen trieren.An additional way on that from the magnetic field evoked volume power to influence, opens up itself when an additional electrical current flows through the melt is conducted. In this way the effective Lorentz force generated by the magnetic field will strengthen and, depending on the course of the resulting electrical current, in a desired manner wear.

Schließlich ist es auch möglich, die erfindungsgemäß eingesetzte, vom Magnetfeld herrührende Volumenkraft auf die Schmelze dazu zu nutzen, die Energie einer sekun dären Energiequelle, die oberflächlich in die Schmelze eingekoppelt wird, in die Tiefe der Schmelze abzutranspor tieren. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Energieein kopplung der sekundären Energiequelle, bei der es sich insbesondere auch um einen Plasmabrenner handeln kann, verbessert.Finally, it is also possible to use the invention used volume force originating from the magnetic field on the melt to use the energy of a second där energy source that superficially in the melt is coupled into the depth of the melt animals. This makes the energy efficiency coupling of the secondary energy source, which it is can in particular also be a plasma torch, improved.

Bevorzugt wird schließlich diejenige Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher sich der Magnet mit der Relativ geschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstück bewegt. In diesem Falle kann der Magnet besonders klein ausgebildet werden, da nicht das gesamte Werkstück im Magnetfeld gehalten werden muß.Finally, that embodiment of the Invention in which the magnet with the relative speed between the laser beam and workpiece. In this case, the magnet can be made particularly small because the entire workpiece is not in the magnetic field must be kept.

Die oben genannte Aufgabe wird, was die Vorrichtung angeht, dadurch gelöst, daß
The above object is achieved, as far as the device is concerned, in that

c) a magnet is provided, which in the area of Melt the workpiece processed by the laser beam creates a magnetic field.

Die Vorteile dieser Vorrichtung ergeben sich sinngemäß aus den oben geschilderten Vorteilen des erfindungsge mäßen Verfahrens. Gleiches gilt für die Ausgestaltung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 13, 17 und 18. The advantages of this device are analogous from the advantages of the fiction, described above procedure. The same applies to the design the device according to claims 9 to 13, 17 and 18.

Bei der in Anspruch 14 beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnet ein Elektromagnet. Dies hat den Vorteil, daß die Stärke des wirksamen Magnetfeldes einfach variiert werden kann.In the embodiment of the described in claim 14 Invention, the magnet is an electromagnet. this has the advantage that the strength of the effective magnetic field can be easily varied.

Umfaßt, wie in Anspruch 15 angegeben, der Elektromagnet einen U-förmigen Weicheisenkern mit zwei Schenkeln, deren Stirnseiten an die Unterseite des bearbeiteten Werkstückes anlegbar sind, so läßt sich der Magnetfluß leicht in der gewünschten Weise über das Werkstück schließen, bei welcher die Magnetfeldlinien etwa parallel zur Werkstück oberfläche verlaufen, wenn das Werkstück aus einem weich magnetschen Material besteht.Includes, as stated in claim 15, the electromagnet a U-shaped soft iron core with two legs, the End faces on the underside of the machined workpiece can be applied, so the magnetic flux can be easily in the close the desired way over the workpiece, at which the magnetic field lines roughly parallel to the workpiece surface run when the workpiece is made of a soft magnetic material.

In vielen praktischen Anwendungsfällen wird jedoch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 16 zum Zuge kommen, da die Integration eines Permanentmagneten in eine gattungsgemäße Einrichtung immer problemlos möglich ist.In many practical applications, however Embodiment of the invention according to claim 16 to train come because the integration of a permanent magnet in a generic facility always possible is.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigenEmbodiments of the invention are as follows explained in more detail with reference to the drawing; show it

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zum Verschweißen zweier Werkstücke; Fig. 1 shows schematically an arrangement of two for welding workpieces;

Fig. 2a bis 2c senkrechte Schnitte durch Werkstücke, die unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen mit der Anordnung von Fig. 1 verschweißt wurden; Fig. 2a to 2c vertical sections through workpieces that were welded under different external conditions with the arrangement of Fig. 1;

Fig. 3 schematisch einen senkrechten Schnitt durch eine zweite Anordnung zum Verschweißen zweier Werkstücke; Fig. 3 schematically illustrates a vertical section of two by a second arrangement for welding workpieces;

Fig. 4 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Verschweißen zweier Werk stücke. Fig. 4 schematically shows a third embodiment of an arrangement for welding two work pieces.

In Fig. 1 sind mit dem Bezugszeichen 2 und 7 zwei Werk stücke bezeichnet, die entlang einer Naht miteinander verschweißt werden sollen. Beispielsweise kann es sich bei diesen Werkstücken 2, 7 um zwei Aluminumbleche handeln, die - wie oben schon ausgeführt - bisher mit Lasern sehr schwer zu verschweißen waren. Die Laserlichtquelle selbst ist in der Figur nicht dargestellt; die Fokussiereinheit ist schematisch als Linse 10 dargestellt. Der fokussierte Laserstrahl 4 dringt in die beiden Werkstücke 2, 7 ein und erzeugt in diesen eine Dampfkapillare, die in der Figur das Bezugszeichen 6 trägt. Die Dampkapillare 6 ist von einer Schicht 3 aufgeschmolzenen Materials umgeben. Im Bereich des Schweißherdes entsteht in bekannter Weise eine Plasmafackel 5, von der Licht unterschiedlicher Wellenlänge ausgeht.In Fig. 1, the reference numerals 2 and 7 denote two work pieces that are to be welded together along a seam. For example, these workpieces 2 , 7 can be two aluminum sheets which - as already explained above - were previously very difficult to weld with lasers. The laser light source itself is not shown in the figure; the focusing unit is shown schematically as a lens 10 . The focused laser beam 4 penetrates into the two workpieces 2 , 7 and generates a vapor capillary in them, which has the reference number 6 in the figure. The vapor capillary 6 is surrounded by a layer 3 of melted material. In the area of the welding spot, a plasma torch 5 is produced in a known manner, from which light of different wavelengths originates.

Unterhalb des unteren Werkstückes 2, an diesem anliegend, ist ein U-förmiger Weicheisenkern 9 angeordnet. Die beiden Schenkel des Weicheisenkernes 9 tragen jeweils eine Spule 1 bzw. 8, die in Serie geschaltet sind. Durch Bestromen dieser Spulen 1, 8 aus einer Gleichstromquelle entsteht ein magnetisches Feld B, das die aufeinanderliegenden Werkstücke 2, 7 durchdringt. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, verlaufen die magnetischen Feldlinien im Bereich der Dampfkapillare 6 sowie der aufgeschmolzenen Schicht 3 im wesentlichen horizontal, also parallel zu den Oberflächen der beiden Werkstücke 2, 7.A U-shaped soft iron core 9 is arranged underneath the lower workpiece 2 . The two legs of the soft iron core 9 each carry a coil 1 or 8 , which are connected in series. By energizing these coils 1 , 8 from a direct current source, a magnetic field B is created which penetrates the workpieces 2 , 7 lying one on top of the other. As can be seen in FIG. 1, the magnetic field lines in the area of the steam capillary 6 and the melted layer 3 run essentially horizontally, that is to say parallel to the surfaces of the two workpieces 2 , 7 .

Wird der Laserstrahl 4 z. B. senkrecht zur Zeichenebene nach oben bewegt, wird an der Schmelzfront neues Material aufgeschmolzen. Dieses muß um die Dampfkapillare 6 herum auf die nacheilende Seite des Laserstrahles 4 fließen. If the laser beam 4 z. B. moved perpendicular to the plane of the drawing, new material is melted on the melting front. This must flow around the steam capillary 6 on the trailing side of the laser beam 4 .

Ist das magnetische Feld B ausgeschaltet, ergibt sich eine Begrenzung der Vorschubgeschwindigkeit des Laser strahles 4 dadurch, daß bei Überschreiten einer bestimm ten Geschwindigkeit tröpfchenartige Spritzer aus der die Dampfkapillare 6 umfließenden Schmelze austreten und außerdem die sich bildende Schweißnaht unregelmäßig und uneben wird. Schaltet man dagegen das magnetischen Feld B durch Bestromung der Spulen 1, 8 ein, so kann diese kritische Geschwindigkeit um größenordnungsmäßig 20% oder mehr überschritten werden, ohne daß hierdurch die Qualität der Schweißung beeinträchtigt würde. Diese Beobachtung wird dadurch erklärt, daß von dem magnetischen Feld B auf die Schmelze 3 eine Volumenkraft ausgeübt wird, die nach unten, also auf den Schmelznutgrund hin, gerichtet ist und so das Austreten von Schmelze aus der Schmelzschicht 3 verhindert. Die Richtung der auf die Schmelze 3 ausgeüb ten Kraft hängt von der Richtung der Vorschubgeschwindig keit des Laserstrahles 4 und der Richtung des Magnetfeldes gegenüber dieser Vorschubrichtung ab; die zuletzt genannten beiden Richtungen sollten daher in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt werden. Die jeweilige Richtung des magnetischen Feldes kann durch Wechsel der Stromflußrich tung durch die Spulen 1, 8 oder auch durch Drehen des gesamten Weicheisenkerns mit Spulen 1, 8 verändert werden, so daß durch einen einfachen Versuch diejenige Richtung des Magnetflusses in der Schmelzschicht 3 und in der Dampfkapillare 6 ermittelt werden kann, bei welcher die qualitätsfördernde Wirkung des Magnetfeldes optimal ist.If the magnetic field B is switched off, there is a limitation of the feed speed of the laser beam 4 in that when a certain speed is exceeded, droplet-like splashes emerge from the melt flowing around the steam capillary 6 and, moreover, the weld seam that is formed becomes irregular and uneven. If, on the other hand, the magnetic field B is switched on by energizing the coils 1 , 8 , this critical speed can be exceeded by an order of magnitude of 20% or more without the quality of the weld being adversely affected thereby. This observation is explained by the fact that the magnetic field B exerts a volume force on the melt 3 , which is directed downwards, ie towards the bottom of the melt groove, and thus prevents melt from escaping from the melt layer 3 . The direction of the force exerted on the melt 3 depends on the direction of the feed speed of the laser beam 4 and the direction of the magnetic field with respect to this feed direction; the latter two directions should therefore be coordinated with one another in a suitable manner. The respective direction of the magnetic field can be changed by changing the Stromflußrich device through the coils 1 , 8 or by rotating the entire soft iron core with coils 1 , 8 , so that that direction of the magnetic flux in the melt layer 3 and in a simple experiment Steam capillary 6 can be determined, in which the quality-promoting effect of the magnetic field is optimal.

Wie bereits oben erläutert, hat das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein sowie die Richtung des gegebenenfalls vorhandenen Magnetfeldes nicht nur Einfluß auf die Qualität der Schweißung sondern auch auf die Form der gebildeten Schweißnaht. Diese Abhängigkeit vom Magnetfeld ist in den Fig. 2a bis 2c dargestellt. As already explained above, the presence or absence and the direction of the magnetic field, if any, not only influence the quality of the weld but also the shape of the weld seam formed. This dependence on the magnetic field is shown in FIGS. 2a to 2c.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch die beiden Werkstücke 2,7, die in der Vorrichtung von Fig. 1, jedoch ohne Magnetfeld, miteinander verschweißt wurden. Die Naht 15, die sich dabei gebildet hat, zeigt in einer verhält nismäßig geringen Entfernung von der oberen Fläche des oberen Werkstückes 7 eine kleine Taillierung, reicht dann aber mit im wesentlichen konstanter Breite durch das obere Werkstück 7 hindurch. Fig. 2a shows a section through the two workpieces 2 , 7 , which were welded together in the device of Fig. 1, but without a magnetic field. The seam 15 which has formed in the process shows a small waist at a relatively short distance from the upper surface of the upper workpiece 7 , but then extends through the upper workpiece 7 with a substantially constant width.

Wird an die Werkstücke 2, 7 während der Verschweißung in der Anordnung von Fig. 1 ein Magnetfeld so angelegt, daß die durch dieses erzeugte Volumenkraft auf die Schmelze vom Nutgrund weg wirkt, also in der entgegengesetzten Richtung, die oben bei der Erläuterung der Fig. 1 ange nommen wurde, so ergibt sich eine Schweißnaht 15, die vollständig frei von jeder Taillierung ist. Sie hat ihre breiteste Stelle direkt an der oberen Fläche des oberen Werkstückes 7 und verjüngt sich stetig durch dieses obere Werkstück 7 hindurch. Dies ist in Fig. 2b dargestellt.Is applied to the workpieces 2, applied 7 during the welding in the assembly of FIG. 1, a magnetic field such that the body force produced by this acts away on the melt from the bottom of the groove, ie, in the opposite direction, the above in the explanation of Fig. 1 was accepted, so there is a weld 15 , which is completely free of any waist. It has its widest point directly on the upper surface of the upper workpiece 7 and tapers continuously through this upper workpiece 7 . This is shown in Fig. 2b.

Ganz anders dagegen die Nahtausbildung, wenn das Magnetfeld während der Verschweißung der beiden Werkstücke 2, 7 in der Richtung angelegt wird, wie dies oben bei der Erläuterung der Fig. 1 angenommen wurde: Unter dem Einfluß der Volumenkraft, die in Richtung auf den Grund der Schmelznut gerichtet ist, bildet sich eine Naht 15 aus, die in einer gewissen Entfernung von der oberen Fläche des oberen Werkstückes 7 eine ausgeprägte Taille ausweist. Dies ist in Fig. 2c gezeigt.The seam formation, on the other hand, is completely different if the magnetic field is applied in the direction during the welding of the two workpieces 2 , 7 , as was assumed above in the explanation of FIG. 1: Under the influence of the volume force which is directed towards the bottom of the A groove 15 is formed, which has a pronounced waist at a certain distance from the upper surface of the upper workpiece 7 . This is shown in Fig. 2c.

Die Fig. 2a bis 2c machen deutlich, wie sich durch Anlegen eines Magnetfeldes die Formen von Schweißnaht-Quer schnitten variieren lassen. Durch geeignete Wahl des Magnetfeldes läßt sich insbesondere erreichen, daß die die Eigenspannungen der Schweißnaht reduziert werden, so daß eine Rißanfälligkeit gesenkt und der Verzug des Werkstückes minimiert werden kann. FIGS. 2a to 2c clearly show how they can vary the cut shapes of weld cross by applying a magnetic field. A suitable choice of the magnetic field can be achieved in particular that the internal stresses of the weld seam are reduced, so that susceptibility to cracks is reduced and the distortion of the workpiece can be minimized.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Verschweißen von Werkstücken dargestellt, welche bis auf die nachfolgend erörterten Unterschiede mit der Anordnung von Fig. 1 übereinstimmt. Entsprechende Teile sind daher mit demselben Bezugszeichen zuzüglich 100 gekennzeichnet. Um die Fig. 3 nicht zu überladen, wurde der Elektromagnet nicht dargestellt; die von ihm erzeugten Magnetfeldlinien B durchtreten die beiden übereinanderliegenden Werkstücke 102 und 107 senkrecht zur Zeichenebene, wie dies durch die eingekreisten Punkte angedeutet ist. Die Vorschubrichtung der Werkstücke 102, 107 ist durch den Pfeil "M" dargestellt. Die Richtung des Magnetfeldes steht also senkrecht zur Vorschubrichtung "M" und parallel zur Werkstückoberfläche. In Fig. 3 ist neben dem durch die Linse 110 fokussierten Laserstrahl 104 eine Andrückrolle 116 dargestellt, wie sie in derartigen Schweißvorrichtungen an und für sich bekannt sind und dort ausschließlich zum Niederhalten des Werkstückes eingesetzt werden. Im vorliegenden Falle dient die Andrück rolle 116 außerdem als Kontaktierungsmittel für den Plus pol einer Gleichstromquelle. Auf der gegenüberliegenden Seite des Laserstrahles 104 befindet sich eine Zuführvor richtung 117 für einen Zusatzdraht 118, wie sie eben falls an und für sich zum Zuführen von zusätzlichem Material in die Schweißnaht gebräuchlich ist. Im dar gestellten Ausführungsbeispiel dient diese Zuführein richtung 117 bzw. der aus ihr austretende Zusatzdraht 118 als ein Kontaktmittel, welches mit dem oberen Werkstück 107 und mit dem Minus-Pol der bereits erwähnten Gleich spannungsquelle verbunden ist. Die Kontaktierung des oberen Werkstückes 107 an aufgegenüberliegenden Seiten des Laserstrahles 104 und damit auch der von diesem erzeugten Schmelze 103 bewirkt einen elektrischen Strom, welcher zwischen den Kontaktmitteln 116 und 117 durch die Werkstücke 107, 102 und insbesondere durch die Schmelze 103 hindurchfließt. Die genaue Verteilung des Stromweges ist hier von untergeordnetem Interesse; die Hauptströ mungsrichtung jedoch verläuft aufgrund der geschilderten Geometrie der verschiedenen Komponenten etwa parallel zur Vorschubrichtung "M". FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of an arrangement for welding workpieces which, apart from the differences discussed below, corresponds to the arrangement of FIG. 1. Corresponding parts are therefore identified by the same reference number plus 100. In order not to overload FIG. 3, the electromagnet was not shown; the magnetic field lines B generated by it pass through the two superimposed workpieces 102 and 107 perpendicular to the plane of the drawing, as indicated by the circled points. The direction of advance of the workpieces 102 , 107 is represented by the arrow "M". The direction of the magnetic field is therefore perpendicular to the feed direction "M" and parallel to the workpiece surface. In addition to the laser beam 104 focused by the lens 110 , FIG. 3 shows a pressure roller 116 , as are known per se in such welding devices and are used there exclusively for holding down the workpiece. In the present case, the pressure roller 116 also serves as a contact for the positive pole of a DC power source. On the opposite side of the laser beam 104 is a Zuführvor direction 117 for an additional wire 118 , as it is just in and by itself for feeding additional material into the weld. In the exemplary embodiment presented, this feeder device 117 or the additional wire 118 emerging from it serves as a contact means which is connected to the upper workpiece 107 and to the negative pole of the DC voltage source already mentioned. The contacting of the upper workpiece 107 on opposite sides of the laser beam 104 and thus also of the melt 103 generated thereby causes an electrical current which flows between the contact means 116 and 117 through the workpieces 107 , 102 and in particular through the melt 103 . The exact distribution of the current path is of minor interest here; the main flow direction, however, runs approximately parallel to the feed direction "M" due to the geometry of the various components.

Der so erzeugte Strom, der in Fig. 3 durch kleine Pfeile symbolisiert ist, verstärkt die auf die Schmelze wirkende, von dem Magnetfeld erzeugte Volumenkraft und konzentriert diese, je nach seinem detaillierten Verlauf, in einer ge wünschten Richtung. Durch Variation der verschiedenen im Spiel befindlichen Parameter, so insbesondere der lokalen Stromverteilung, der relativen Orientierung von Stromrichtung, Vorschubrichtung und Magnetfeldrichtung zueinander und zur Werkstückoberfläche lassen sich die unterschiedlichsten Effekte durch einfache Versuche ermitteln.The current generated in this way, which is symbolized in FIG. 3 by small arrows, amplifies the volume force acting on the melt, generated by the magnetic field, and concentrates it, depending on its detailed course, in a desired direction. By varying the various parameters in play, in particular the local current distribution, the relative orientation of the current direction, feed direction and magnetic field direction to one another and to the workpiece surface, the most varied effects can be determined by simple tests.

Das in Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Schweißen von Werkstücken enthält zunächst einmal die in Fig. 1 dargestellte und bereits oben ausführlich erörterte Anordnung in identischer Weise. Entsprechende Teile sind mit demselben Bezugs zeichen zuzüglich 200 gekennzeichnet. Auf eine erneute Beschreibung der bereits oben abgehandelten Bauelemente wird an dieser Stelle verzichtet.The third exemplary embodiment of an arrangement for welding workpieces shown in FIG. 4 initially contains the arrangement shown in FIG. 1 and already discussed in detail above in an identical manner. Corresponding parts are marked with the same reference number plus 200. A renewed description of the components already dealt with above will be omitted here.

Zusätzlich zu diesen bereits oben beschriebenen Komponenten ist bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ein Plasma brenner 211 vorgesehen, dessen Plasmastrahl 205 der Schmelze 203 zusätzlich zum Laserstrahl 204 oberflächlich Energie zuführt. Der Plasmabrenner 211 stellt also eine zusätzliche Energiequelle dar. Mit Hilfe des Magnetfeldes, das durch den Elektromagneten 201, 208, 209 durch den Bereich der Schmelze 203 gelegt ist, entsteht bei der entsprechenden Orientierung die bereits oben beschriebene, auf die Schmelze 203 wirkende Volumenkraft, welche in Richtung auf den Grund der Schmelznut wirkt. Im Ausfüh rungsbeispiel von Fig. 4 hat diese zusätzliche Volumen kraft nun nicht nur den Effekt, das Austreten von Spritzern und Tröpfchen aus der Schmelze 203 zu verhindern und die Qualität der Schweißnaht zu verbessern; vielmehr wird durch die nach unten gerichtete Kraft die zunächst nur oberflächlich von dem Plasmabrenner 211 in den Bereich der Schmelze 203 eingebrachte Energie nach unten, also in Richtung auf den Nutgrund, "gepumpt", wodurch der Wirkungsgrad der Energieeinkopplung deutlich verbessert wird.In addition to these components already described above, a plasma burner 211 is provided in the arrangement shown in FIG. 4, the plasma jet 205 of which supplies the melt 203 to the laser beam 204 in addition to the surface energy. The plasma torch 211 therefore represents an additional energy source. With the help of the magnetic field which is placed through the area of the melt 203 by the electromagnet 201 , 208 , 209 , the volume force already described above, which acts on the melt 203 , arises with the corresponding orientation, which acts towards the bottom of the melting groove. In the exemplary embodiment of FIG. 4, this additional volume force now not only has the effect of preventing the splashes and droplets from escaping from the melt 203 and of improving the quality of the weld seam; rather, the downward force "pumps" the energy which is initially only superficially introduced by the plasma torch 211 into the area of the melt 203 , that is to say in the direction of the groove base, as a result of which the efficiency of the energy coupling is significantly improved.

Claims

1. A method for processing a workpiece with a laser beam, in which a melt is generated in the latter under a relative movement between the laser beam and the workpiece, which comes to flow during the relative movement, characterized in that on the workpiece ( 2 , 7 , 102 , 107 ; 202 , 207 ) a magnetic field (B) is applied during laser processing.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic field lines are oriented approximately parallel to the surface of the workpiece ( 2 , 3 ; 102 , 107 ).

3. The method according to claim 2, characterized in that the magnetic field lines are approximately perpendicular to the relative movement between the laser beam ( 4 ; 104 ; 204 ) and workpiece ( 2 , 7 ; 102 , 107 ; 202 , 207 ) are directed.

4. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic field lines are approximately perpendicular to the surface of the workpiece are directed.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the direction of the magnetic field lines with respect to the direction of the relative speed is set so that a force is exerted on the melt ( 3 ; 103 ; 203 ), which on the bottom of the melting groove is directed towards.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that an electrical current is passed through the melt ( 103 ).

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that from a secondary energy source ( 211 ), in particular from a plasma torch, energy is coupled into the melt ( 203 ) and the direction of the magnetic field is selected so that the coupled energy in the depth of the melt ( 203 ) is transported away.

8. A device for performing the method according to claim 1

a) a laser light source, which generates a laser beam directed towards the workpiece;
b) a feed device which generates a relative movement between the laser beam and the workpiece;
characterized in that
c) a magnet ( 1 , 8 , 9 ; 201 , 208 , 209 ) is provided, which in the area of the melt ( 3 , 103 ; 203 ) of the workpiece ( 2 , 7 ; 102 ) processed by the laser beam ( 4 , 104 ; 204 ) , 107 ; 202 , 207 ) generates a magnetic field (B).

9. The device according to claim 8, characterized in that that the magnet with the relative speed between Laser beam and workpiece can be moved.

10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the magnet ( 1 , 8 , 9 ; 201 , 208 , 209 ) is designed so that the magnetic field lines generated by it in the region of the melt ( 3 ; 103 ; 203 ) of the workpiece ( 2 , 7 ; 102 , 107 ; 202 , 207 ) run approximately parallel to the surface of the workpiece ( 2 , 7 ; 102 , 107 ; 202 , 207 ).

11. The device according to claim 10, characterized in that the magnet ( 1 , 8 , 9 ; 201 , 208 , 209 ) is designed so that the magnetic field lines generated by it in the region of the melt ( 3 ; 103 ; 203 ) of the workpiece ( 2 , 7 ; 102 , 107 ; 202 , 207 ) run approximately perpendicular to the relative movement between the laser beam ( 4 ; 104 ; 204 ) and the workpiece ( 2 , 7 ; 102 , 207 ; 202 , 207 ).

12. The apparatus of claim 8 or 9, characterized records that the magnet is designed so that the magnetic field lines he generated in the area of Melt the workpiece approximately perpendicular to the surface of the workpiece.

13. The apparatus of claim 8 or 9, characterized records that the magnet is designed so that the direction of the magnetic field lines it generates is changeable.

14. Device according to one of claims 8 to 13, characterized in that the magnet ( 1 , 8 , 9 ; 201 , 208 , 209 ) is an electromagnet.

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the electromagnet ( 1 , 8 , 9 ; 201 , 208 , 209 ) comprises a U-shaped soft iron core ( 9 ; 209 ) with two legs, the end faces of which on the underside of the machined workpiece ( 2 ; 202 ) can be created.

16. The device according to one of claims 8 to 13, characterized characterized in that the magnet is a permanent magnet is.

17. Device according to one of claims 8 to 16, characterized in that a current source is present, which can be electrically connected to the workpiece ( 102 , 107 ) via contact means ( 116 , 117 , 118 ) such that an electrical current flow through the Melt ( 103 ) sets.

18. Device according to one of claims 8 to 17, characterized in that a secondary energy source ( 211 ), in particular a plasma torch, is provided, the energy into the melt ( 203 ) superficially, and that the magnet ( 201 , 208 , 209 ) is set up in such a way that the injected energy is transported into the depth of the melt ( 203 ) by the volume force generated by it in the melt ( 203 ).