DE19751195C1

DE19751195C1 - Method and device for welding by means of laser radiation

Info

Publication number: DE19751195C1
Application number: DE19751195A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dipl Phys Bons; Jens Dipl Ing Standfus; Eckhard Prof Dr Ing Beyer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2017-11-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zum Schweißen mittels Laserstrahlung, das insbesondere zum Tiefschweißen von verschiedensten Werkstoffen geeignet ist.The invention relates to a method and a direction for welding using laser radiation, the especially for deep welding of various Suitable materials.

Aus US 4,914,268 ist ein Schweißverfahren bekannt, bei dem mindestens zwei verschiedene Elektronen- oder Laserstrahlen auf ein zu schweißendes Werkstück ge richtet werden, wobei insbesondere großformatige Tei le miteinander verbunden werden sollen. Die zwei bis drei verschiedenen Strahlen sollen, nach der dort be schriebenen Lehre, verschiedene Aufgaben erfüllen. So ist ein erster Strahl zur Herstellung der eigentli chen Schweißverbindung vorgesehen und mit einem zwei ten Strahl soll dann eine Glättung der sich an der Oberfläche ausgebildeten Schweißnaht erfolgen und ein dritter Strahl soll die durch den Wärmeeintrag her vorgerufene Gefügeveränderung durch eine Rekristalli sation zumindest teilweise rückgängig machen, um un erwünschte Spannungszustände im Nahtbereich zu ver meiden.A welding method is known from US 4,914,268, where at least two different electron or Laser beams on a workpiece to be welded be directed, in particular large format Tei le should be connected. The two to three different rays are said to be there written teaching, perform various tasks. So is a first beam for the production of the actual Chen welded connection provided and with a two th beam should then be a smoothing of the Surface weld formed and made third beam should come from the heat input called structural change by a recrystalli Undo at least partially to un Verify the desired stress conditions in the seam area avoid.

Durch den relativ hoch konzentrierten Energieeintrag, der insbesondere beim Tiefschweißen erforderlich ist, gibt es Probleme dadurch, daß sich im stark aufge heizten Bereich, bis relativ weit in das Werkstück hineinragend, eine Dampfkapillare ausbildet, in der das durch die Erhitzung entstandene Plasma und demzu folge auch gasförmige Komponenten unter erhöhtem Druck stehen, wobei diese am Entweichen aus dem ei gentlichen Werkstück dadurch gehindert werden, daß infolge des hohen Energieeintrages in das Werkstück in bezug zu dem Energieeintrag an der Werkstückober fläche eine relativ kleine Öffnung für die Dampfka pillare gebildet wird und es demzufolge im Inneren des Werkstückes zu Problemen und zu einem unkontrol lierten Spritzen aus der Dampfkapillare kommen kann.Due to the relatively highly concentrated energy input, which is particularly necessary for deep welding, there are problems that in the strongly up heated area until relatively far into the workpiece protruding, forms a steam capillary in which the plasma created by the heating and therefore also follow gaseous components with increased Stand under pressure, this at the escape from the egg be prevented by the fact that due to the high energy input into the workpiece in relation to the energy input at the workpiece top area a relatively small opening for the Dampfka pillare is formed and therefore it is inside of the workpiece to problems and an uncontrolled injected syringes from the steam capillary.

Ein weiterer Nachteil sind die durch die großen Tem peraturgradienten hervorgerufenen Spannungen, die auch nach dem Schweißen im Werkstoff und dabei ins besondere im Nahtbereich verbleiben. Bedingt durch den Spannungsgradienten und in Abhängigkeit von werk stoffspezifischen Eigenschaften kann es während der Erstarrung bzw. Abkühlung zur Ausbildung von Schweiß nahtimperfektion, insbesondere der Ausbildung von Heiß- und/oder Kaltrissen kommen. Zur Verminderung solcher Wärmespannungen ist es üblich, eine entspre chende Temperaturbehandlung durchzuführen, bei der das gesamte Werkstück unter ganz bestimmten, werkstoffspezifischen Temperaturbedingungen erwärmt und wieder abgekühlt wird. Hierfür ist jedoch, wie für eine ebenfalls zur Vermeidung von Wärmespannungen bekannte Vorwärmung des zu schweißenden Werkstückes ein erhöhter Zeit- und insbesondere ein erhöhter Energieaufwand erforderlich, der sich negativ auf die Effektivität und die Kosten niederschlägt.Another disadvantage are the large tem temperature gradient induced voltages, the even after welding in the material and in doing so especially remain in the seam area. Due the voltage gradient and depending on the factory substance-specific properties can occur during the Solidification or cooling to form sweat seam imperfection, especially the training of Hot and / or cold cracks come. To decrease such thermal stresses, it is common to correspond appropriate temperature treatment to carry out the entire workpiece under very specific heated to specific material temperature conditions and is cooled down again. For this, however, is how for one also to avoid thermal stress known preheating of the workpiece to be welded an increased time and especially an increased Energy expenditure required, which negatively affects the Effectiveness and costs.

In DE 196 19 339 A1 ist eine Laserstrahlbearbeitungs vorrichtung mit zwei Teilstrahlen beschrieben, bei der der Laserstrahl einer Laserstrahllichtquelle mit tels geeigneter optischer Bauelemente (Ringspiegel) in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, die unterschied lich fokussiert werden sollen, um eine gezielte In tensitätsverteilung und ein demzufolge veränderbares Energieverhältnis einstellen zu können.DE 196 19 339 A1 describes laser beam processing device described with two partial beams, at which the laser beam from a laser beam light source with suitable optical components (ring mirrors) is broken down into two partial beams, the difference should be focused in order to achieve a targeted In intensity distribution and consequently changeable To be able to adjust the energy ratio.

Aus DE 40 34 744 A1 geht eine Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen her vor. Die Teilstrahlen sollen ein unterschiedliches räumliches oder zeitliches Intensitätsverhalten auf weisen, um verschiedene Materialbearbeitungsaufgaben, wie Schneiden, Ritzen, Bohren oder Abtragen, insbe sondere spröder Werkstoffe, verbessert zu erfüllen. Hierfür wird nach der dort vorgeschlagenen Lehre ein Laserstrahl eines CO₂-Hochleistungslasers auf einen Modulator, der als Interferometeranordnung mit wahl weise schnell variierbarer Reflektivität, z. B. als Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet ist, verwen det.DE 40 34 744 A1 describes an arrangement for variable laser beam division and guidance of the partial beams. The partial beams should have a different spatial or temporal intensity behavior in order to better perform various material processing tasks such as cutting, scoring, drilling or removing, in particular brittle materials. For this purpose, according to the teaching proposed there, a laser beam from a CO ₂ high-power laser is applied to a modulator, which, as an interferometer arrangement with optionally quickly variable reflectivity, for. B. is designed as a Fabry-Perot interferometer, uses det.

In DE 42 02 606 A1 ist eine Vorrichtung zum Fokussie ren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunk ten beschrieben, wobei dies unter Verwendung von un terschiedlich ausgebildeten Spiegelelementen, wobei eines als Umlenkelement zur Aufspaltung des Laser strahls in zwei Teilstrahlen ausgebildet ist, verwen det werden.DE 42 02 606 A1 describes a device for focusing ren of a light beam in at least two focus points ten described, this using un differently designed mirror elements, whereby one as a deflection element for splitting the laser beam is formed in two partial beams, use be det.

Bei der in DE 37 39 862 A1 beschriebenen Werkstück bearbeitungsvorrichtung wird eine Leistungsregelung an einem Laser vorgenommen, die bei gleichzeitiger Temperaturmessung im Bearbeitungsbereich eines Werk stückes berührungslos durchgeführt wird. In the workpiece described in DE 37 39 862 A1 processing device becomes a power control made on a laser while at the same time Temperature measurement in the processing area of a plant piece is performed without contact.

Die Verwendung von einer Vielzahl von Laserdioden für die Materialbearbeitung, geht aus DE 42 34 342 A1 hervor. Die Laserstrahlen einer bestimmten vorgegebe nen Anzahl von Hochleistungslaserdioden können nach dieser Lehre durch geeignete optische Elemente, wie Microlinsen oder Lichtleitfasern für die Materialbe arbeitung mit entsprechend summierter Leistung ver wendet werden.The use of a variety of laser diodes for the material processing goes from DE 42 34 342 A1 forth. The laser beams are given a specific one NEN number of high-power laser diodes can this teaching through suitable optical elements, such as Microlenses or optical fibers for the material work with correspondingly summed power ver be applied.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzugeben, mit dem verschiedenste Werkstücke mittels Laserstrahlung, insbesondere tief geschweißt werden können und dabei ein verminderter Arbeitsaufwand, bei gleichzeitig guter Qualität der hergestellten Schweißverbindung erreicht werden kann.It is therefore an object of the invention to provide one possibility to specify with the most diverse workpieces by means of Laser radiation, especially deeply welded can and a reduced amount of work, at the same time good quality of the manufactured Welded connection can be achieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 für das Verfahren und mit den Merkmalen der Ansprüche 10 oder 11 für eine dazu zu verwendende Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Nutzung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1 for the method and with the Features of claims 10 or 11 for an addition using device solved. Advantageous Ausge Forms and developments of the invention arise when using the in the subordinate Features mentioned claims.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird dann so gear beitet, daß mit mindestens einem Laserstrahl durch geeignete Strahlformung zwei Bereiche verschiedener Intensität gleichzeitig bestrahlt werden, wobei ein kleiner Bereich mit einer großen Intensität bestrahlt wird und der Laserstrahl so geformt wird, daß sich die maximale Strahlintensität im Werkstück und nicht an dessen Oberfläche auswirkt und ein größerer Be reich mit einer kleineren Intensität auf der Werk stückoberfläche bestrahlt wird. Durch die Bestrahlung mit der großen Intensität bildet sich im Werkstück eine Dampfkapillare, deren Öffnung kelchförmig in der Werkstückoberfläche durch die zweite Bestrahlung mit geringerer Intensität erweitert wird. Der größere Bereich, der mit der kleineren Intensität bestrahlt wird, führt weiterhin vorteilhaft dazu, daß sich die Temperaturgradienten verkleinern und die Abkühlge schwindigkeit der Schmelze verringert wird, so daß die Wärmespannungen und deren Gradienten im Schweiß bereich stark verkleinert werden können und eine thermische Vor- oder Nachbehandlung entfallen kann. The solution according to the invention is then used processes that with at least one laser beam suitable beam shaping two areas different Intensity to be irradiated simultaneously, being a small area irradiated with a high intensity and the laser beam is shaped so that the maximum beam intensity in the workpiece and not affects its surface and a larger Be rich with a lesser intensity at work piece surface is irradiated. By radiation with great intensity forms in the workpiece a steam capillary, the opening of which is cup-shaped in the Workpiece surface by the second irradiation with lower intensity is expanded. The bigger one Area that is irradiated with the lower intensity is, furthermore advantageously leads to the fact that the Reduce temperature gradients and the cooling speed of the melt is reduced so that the thermal stresses and their gradients in sweat area can be greatly reduced and a thermal pre- or post-treatment can be omitted.

Durch die kelchförmige Öffnung der Dampfkapillare in Richtung zur Werkstückoberfläche können gasförmige Komponenten, die aus diesem Bereich entweichen wol len, ungehindert austreten und es kommt zu keinen Stauungen und Spritzern. Außerdem werden dadurch Werkstofftrennungen im Nahtbereich vermieden, die durch in die erstarrende Schmelze eingeschlosse ne Gasblasen ansonsten auftreten können. Die kelch förmige Öffnung der Dampfkapillare und die sich dar aus ergebende Form des die Kapillare umgebenden Schmelzbades können zu einer Vermeidung von Prozeßin stabilitäten beim Tiefschweißen mit hohen Schweißge schwindigkeiten (Humping-Effekt) führen.Through the cup-shaped opening of the steam capillary in Direction to the workpiece surface can be gaseous Components that want to escape from this area len, exit unhindered and there are no Congestion and splashes. It will also Material separations in the seam area avoided by being trapped in the solidifying melt ne gas bubbles can otherwise occur. The chalice shaped opening of the steam capillary and the resulting form of the surrounding the capillary Melting bath can avoid processin Stabilities in deep welding with high welding lead to dizziness (humping effect).

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten. Dabei kann einmal ein Laserstrahl einer Laserstrahlquelle in zwei verschiedene Teilstrahlen aufgeteilt werden. Die beiden Teilstrahlen können dann unterschiedlich ge formt und aufgeweitet werden und treffen dann in überlagerter Form auf das Werkstück auf.For carrying out the method according to the invention there are basically two options. It can once a laser beam from a laser beam source in two different partial beams can be divided. The the two partial beams can then be different are shaped and expanded and then meet in superimposed shape on the workpiece.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, mindestens zwei Laserstrahlquellen zu verwenden, deren jeweilige Laserstrahlen unterschiedlich fokussiert und mit un terschiedlichen Intensitäten auf bzw. in dem Werk stück wirken. Hierfür können bereits Laserstrahlquel len mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen verwen det werden, wobei die Laserstrahlquelle, die den La serstrahl zur Ausbildung der Dampfkapillare auf das Werkzeug richtet, auch die höhere Ausgangsleistung hat. Es kann beispielsweise hierfür ein CO₂-Laser oder ein Nd:YAG-Laser verwendet werden, dessen Strahl mit einer Strahlformungseinheit so fokussiert wird, daß sich das Intensitätsmaximum im Werkstück ergibt. A second possibility is to use at least two laser beam sources, the respective laser beams of which are focused differently and act on or in the workpiece with different intensities. Laser beam sources with different output powers can already be used for this, the laser beam source which directs the laser beam onto the tool to form the steam capillary also has the higher output power. For example, a CO ₂ laser or an Nd: YAG laser can be used for this purpose, the beam of which is focused with a beam shaping unit in such a way that the intensity maximum results in the workpiece.

Der zweite Laser kann ein Hochleistungsdiodenlaser sein, der eine Ausgangsleistung von ca. 1 kW oder darüber haben kann.The second laser can be a high power diode laser be an output power of about 1 kW or can have about it.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhaft so gearbeitet werden, daß werkstoffspezifisch oder während des eigentlichen Schweißens die Lage des Be reiches, der mit der größeren Intensität beaufschlagt wird, in bezug zu dem anderen Bereich, der mit der geringeren Intensität bestrahlt wird, variiert werden kann. So kann die Dampfkapillare beispielsweise in einem außermittig angeordneten Bereich, innerhalb des diesen Bereich umgebenden Bereiches, der mit der ge ringeren Intensität bestrahlt wird, ausgebildet wer den, wenn der hierfür verwendete Laserstrahl entspre chend ausgerichtet wird.In the method according to the invention can be advantageous be worked so that material-specific or during the actual welding the position of the Be rich that impacts with the greater intensity with respect to the other area related to the lower intensity is irradiated, can be varied can. The steam capillary can, for example, be in an off-center area within the this area surrounding area with the ge lower intensity is irradiated, who trained if the laser beam used for this corresponds is aligned accordingly.

Günstig kann es außerdem sein, wenn die Flächengrö ßenverhältnisse der beiden verschiedenen Bereiche, z. B. durch geänderte Strahlformung, beispielsweise unter Berücksichtigung des zu schweißenden Werkstof fes, eingestellt werden können. Dies kann insbesonde re vorteilhaft sein, wenn die verschiedenen Wärme leitfähigkeiten der jeweiligen Werkstoffe der zu schweißenden Werkstücke berücksichtigt werden.It can also be advantageous if the area size proportions of the two different areas, e.g. B. by changing beam shaping, for example taking into account the material to be welded fes, can be adjusted. This can be particularly the case re be beneficial when the different heat conductivities of the respective materials of the welding workpieces.

Es kann aber auch die Intensität der Laserstrahlung durch Regelung oder Steuerung der Laserleistung ver ändert werden. Dabei kann einmal die Veränderung un ter Berücksichtigung des zu schweißenden Werkstoffes erfolgen und zum anderen besteht die Möglichkeit, die Laserleistung während des Schweißprozesses zu regeln. Eine solche Regelung erfolgt in Verbindung mit einer Tempera turmessung, wobei günstigerweise die Tempera turverteilung zumindest im geschmolzenen Bereich ge messen wird. Die Temperaturmessung sollte berüh rungslos erfolgen, wobei mehrere örtlich voneinander getrennte einzelne Temperatursensoren oder ein ent sprechend ausgebildetes Array verwendet werden kön nen. Zur Temperaturmessung können aber auch das be kannte Verfahren der Thermovision ausgenutzt werden. Die Regelung der Intensität, mit der das Werkstück mit den verschiedenen Laserstrahlen oder Teilstrahlen bestrahlt wird, kann vorteilhaft für jeden einzelnen Strahl gesondert variiert werden.But it can also change the intensity of the laser radiation by regulating or controlling the laser power ver be changed. The change can un ter consideration of the material to be welded and on the other hand there is the possibility of Regulate laser power during the welding process. Such regulation takes place in connection with a tempera door measurement, the temperature being favorable distribution at least in the molten area will measure. The temperature measurement should touch carried out smoothly, with several local from each other separate individual temperature sensors or an ent speaking array can be used nen. For temperature measurement, however, the be known methods of thermovision can be used. The regulation of the intensity with which the workpiece with the different laser beams or partial beams Irradiated can be beneficial for everyone Beam can be varied separately.

Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Lage und/oder die Ausrichtung der einzelnen Laserstrahlen oder der Teilstrahlen eines Laserstrahles, durch Bewegung der Laserstrahl quellen oder Spiegeln, zueinander verändert werden. Beispielsweise werden der bzw. die Laserstrahlen, die den Bereich der geringeren Intensität bestrahlen sol len, geneigt auf die Werkstoffoberfläche gerichtet und eine von der Kreisform abweichende Fläche auf der Werkstückoberfläche bestrahlt, wobei eine ellipsen ähnliche Fläche, deren längere Längsachse in Richtung der Schweißnaht zeigt, ausgebildet wird. Für be stimmte Anordnungen kann es aber auch günstig sein, eine um 90° dazu gedrehte flächige Ausbildung zu er halten, wobei so ein breiterer Randnahtbereich er wärmt werden kann.Another way to influence while the implementation of the method according to the invention is that the location and / or orientation of the individual laser beams or the partial beams of a laser beam, by moving the laser beam swell or mirror, are mutually changed. For example, the laser beam or beams irradiate the area of lower intensity len, inclined towards the surface of the material and a non-circular area on the Irradiated workpiece surface, being an ellipse similar area, whose longer longitudinal axis towards the weld shows, is formed. For be but it can also be a good idea a flat formation rotated by 90 ° to it hold, so a wider edge seam area he can be warmed.

Die im Werkstück erreichbaren Temperaturen können aber auch durch Veränderung der jeweiligen Fokussie rungen der einzelnen Laserstrahlen beeinflußt werden.The temperatures achievable in the workpiece can but also by changing the respective focus The effects of the individual laser beams can be influenced.

In einer vorteilhaften Ausführungsform, eines Bei spieles für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der zwei verschiedene Laserstrahlquellen verwendet werden, wobei es sich bei einer der Laserstrahlquel len um herkömmliche CO₂-Laser oder Nd:YAG-Laser han deln kann und die zweite Laserstrahlquelle ein Hoch leistungsdiodenlaser ist, kann der Hochleistungsdio denlaser in die Strahlformungseinheit der ersten La serstrahlquelle integriert sein, was zur Verringerung der erforderlichen Baugröße der Vorrichtung führt.In an advantageous embodiment, an example for a device according to the invention in which two different laser beam sources are used, it being possible for one of the laser beam sources to be conventional CO ₂ lasers or Nd: YAG lasers and the second laser beam source to be high is power diode laser, the high-power diode laser can be integrated in the beam shaping unit of the first laser beam source, which leads to a reduction in the size of the device.

Eine weitere Möglichkeit einer für die Erfindung zu verwendenden Vorrichtung mit zwei Laserstrahlquellen besteht darin, daß die aus den einzelnen Emittern eines Diodenlasers austretenden Teilstrahlen in Lichtleitfasern eingekoppelt werden und über die Lichtleitfasern gezielt, örtlich verteilt auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet werden können. Dies führt zu einer höheren Flexibilität bei der An ordnung des Diodenlasers, da die z. Zt. erhältlichen Diodenlaser in einem stark begrenzten kleinen Abstand zum Werkstück angeordnet werden müssen und es bei kompliziert strukturierten Werkstücken dadurch zu Problemen kommen kann.Another way one for the invention device using two laser beam sources consists of the fact that the individual emitters of a partial laser emerging in Optical fibers are coupled in and over the Optical fibers targeted, distributed locally to the Surface of the workpiece can be directed. This leads to greater flexibility in the approach order of the diode laser, since the z. Currently available Diode laser at a very limited small distance must be arranged to the workpiece and it at complicated structured workpieces Problems can come up.

Zur Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Diodenla ser und dem Werkstück, kann der aus dem Diodenlaser austretende Laserstrahl auch durch einen gegenüber herkömmlichen Lichtleitfasern relativ groß dimensio nierten Lichtleiter, beispielsweise ein an der Außen fläche mit einer reflektierenden Beschichtung verse hener zylinderförmiger Körper gerichtet werden, über den der Laserstrahl dann über eine größere Entfernung und bevorzugt über eine weitere Linse auf die Werk stückoberfläche gerichtet werden kann.To increase the distance between the diodes water and the workpiece, can be from the diode laser emerging laser beam also through one opposite conventional optical fibers are relatively large nated light guide, for example one on the outside surface with a reflective coating verse whose cylindrical body is directed over the laser beam then over a greater distance and preferably via another lens on the factory piece surface can be straightened.

Mit der Erfindung können auch bereits vorhandene La serstrahlschweißanlagen nachgerüstet werden, in dem im einfachsten Falle zusätzlich ein Hochleistungsdio denlaser an eine solche Laserschweißanlage adaptiert wird.With the invention already existing La can be retrofitted in the in the simplest case, an additional high-performance slide the laser adapted to such a laser welding system becomes.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie ben werden.The invention is described below by way of example be.

Dabei zeigen:Show:

Fig. 1 die Intensitätsverteilung der Laserstrah lung, die mit der Erfindung erreicht werden kann; Figure 1 shows the intensity distribution of the laser beam development, which can be achieved with the invention.

Fig. 2 den schematischen Aufbau, der beim herkömm lichen Laserstrahlschweißen verwendet wird und zwei Ansichten, des damit beeinflußten Werkstückbereiches; Fig. 2 shows the schematic structure that is used in conven union laser beam welding and two views of the workpiece area affected thereby;

Fig. 3 den schematischen Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Laserstrahlquellen und die entspre chenden Ansichten nach Fig. 2, die mit den veränderten Strahlungsintensitäten erreicht werden können und Fig. 3 shows the schematic structure of an example of a device according to the invention with two laser beam sources and the corre sponding views of FIG. 2, which can be achieved with the changed radiation intensities and

Fig. 4 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung in zwei Ansichten. Fig. 4 shows an example of a device according to the invention in two views.

In der Fig. 1 ist diagrammartig die Intensitätsver teilung der Laserstrahlung, wie sie mit der Erfindung erreicht werden kann, dargestellt. Es ist eindeutig erkennbar, daß ein kleiner stark konzentrierter Be reich ausgehend vom Intensitätsplateau a eine starke Überhöhung b aufweist, mit der die im Werkstück ge wünschte Ausbildung der Dampfkapillare erreicht wer den kann und ein verbessertes Tiefschweißen möglich wird. In Fig. 1, the intensity distribution of the laser radiation, as can be achieved with the invention, is shown diagrammatically. It is clearly recognizable that a small, highly concentrated loading area, starting from the intensity plateau a, has a strong increase b, with which the desired formation of the steam capillary in the workpiece can be achieved and who can achieve improved deep welding.

In der Fig. 2 ist eine herkömmliche Anordnung als Prinzip wiedergegeben, dabei wird der Laserstrahl 1 einer einzigen Laserstrahlquelle über eine Strahlfor mungseinheit 8 auf die Oberfläche eines Werkstückes gerichtet. In der Strahlformungseinheit 8 wird eine Fokussierung des Laserstrahles 1 erreicht.In Fig. 2, a conventional arrangement is shown as a principle, the laser beam 1 of a single laser beam source is directed via a beam formation unit 8 on the surface of a workpiece. Focusing of the laser beam 1 is achieved in the beam shaping unit 8 .

Die in der Mitte der Fig. 2 erkennbare Darstellung zeigt den Einflußbereich des Laserstrahles 1 auf der Oberfläche des Werkstückes mit dem Fokus 2 des Laser strahles 1, der Dampfkapillare 3 und dem eiförmig ovalen Schmelzbad 4, das um den Fokus 2 des Laser strahles 1 ausgebildet wird.The visible in the middle of FIG. 2 shows the area of influence of the laser beam 1 on the surface of the workpiece with the focus 2 of the laser beam 1 , the steam capillary 3 and the oval oval weld pool 4 , which is formed around the focus 2 of the laser beam 1 becomes.

In der unteren Darstellung der Fig. 2 ist dann ein Schnitt durch das Werkstück erkennbar. Dabei weist die gebildete Dampfkapillare 3 eine in Richtung auf die Oberfläche des Werkstückes weisende Verengung auf und es ist weiter deutlich zu sehen, daß die Dampf kapillare 3 vom Schmelzbad 4 auch im Inneren des Werkstückes umschlossen ist.A section through the workpiece can then be seen in the lower illustration in FIG. 2. In this case, the vapor capillary formed a 3 looking in the direction of the surface of the workpiece constriction and it is more clearly seen that the vapor capillary 3 is also enclosed in the interior of the workpiece from molten bath 4.

In der Fig. 3 ist in der oberen Darstellung ein Bei spiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch gezeigt.In Fig. 3, an example of a device according to the invention is shown schematically in the upper representation.

Dabei wird ein Laserstrahl 1 einer herkömmlichen La serstrahlquelle über eine Strahlformungseinheit 8, wie sie beispielsweise auch nach dem Stand der Tech nik verwendet werden kann, auch auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet.In this case, a laser beam 1 from a conventional laser beam source is directed via a beam shaping unit 8 , as can also be used, for example, according to the state of the art, to the surface of the workpiece.

An bzw. um die Strahlformungseinheit 8 ist ein Hoch leistungsdiodenlaser angeordnet, dessen Laserstrahlen 5 den Laserstrahl 1 überlagern und mit dem ein wesentlich größerer flächiger Bereich auf der Ober fläche des Werkstückes bestrahlt wird.On or around the beam shaping unit 8 , a high-power diode laser is arranged, the laser beams 5 of which superimpose the laser beam 1 and with which a substantially larger area on the upper surface of the workpiece is irradiated.

In der mittleren Darstellung, der Fig. 3, ist wieder der bestrahlte Bereich der Werkstückoberfläche darge stellt und sowohl der Fokus 2 des Laserstrahles 1 und der Fokus 6 des Laserstrahles 5 erkennbar. Der Fokus 2 des Laserstrahles 1 ist außermittig des Fokus 6 des Laserstrahles 5 ausgebildet, wobei er bevorzugt in Schweißrichtung, entsprechend dem dargestellten Pfeil verschoben ist. In dieser Darstellung ist außerdem deutlich erkennbar, daß ein wesentlich größerer Be reich 4 geschmolzen ist und auch die Öffnung der Dampfkapillare 7 an der Oberfläche des Werkstückes wesentlich größer ist. Dieser Sachverhalt wird in der unteren Darstellung der Fig. 3 nochmals deutlicher, wobei hier zusätzlich die kelchartige Erweiterung in Richtung zur Oberfläche des Werkstückes der Öffnung der Dampfkapillare 7 eindeutig zu erkennen ist.In the middle representation, FIG. 3, the irradiated area of the workpiece surface is again shown and both the focus 2 of the laser beam 1 and the focus 6 of the laser beam 5 can be seen . The focus 2 of the laser beam 1 is formed off-center of the focus 6 of the laser beam 5 , wherein it is preferably shifted in the welding direction according to the arrow shown. In this illustration it is also clearly recognizable that a much larger loading area 4 is melted and the opening of the steam capillary 7 on the surface of the workpiece is significantly larger. This state of affairs becomes even clearer in the lower representation of FIG. 3, the goblet-like widening in the direction towards the surface of the workpiece of the opening of the steam capillary 7 being clearly recognizable here.

Die Form des Fokus 6 des Laserstrahles 5, wird durch eine in bezug zur Werkstoffoberfläche geneigte Strahlrichtung des Laserstrahles 5 erhalten. In den größeren Einflußbereich, entgegengesetzt zur Schweiß richtung, kann das Schmelzbad zumindest im oberflä chennahen Bereich erwärmt gehalten werden und dadurch die Erstarrungsgeschwindigkeit durch Verringerung der Abkühlgeschwindigkeit verlangsamt werden.The shape of the focus 6 of the laser beam 5 is obtained by a beam direction of the laser beam 5 which is inclined with respect to the material surface. In the larger area of influence, opposite to the welding direction, the weld pool can be kept heated, at least in the area near the surface, and thereby the rate of solidification can be slowed down by reducing the cooling rate.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Dabei wird ein herkömmlicher Laser, dessen Laserstrahl 1 über eine bereits erwähnte Strahlformungseinheit 8 und zwei Spiegel 10 und 12 auf den Bearbeitungsort 11 des Werkstückes 13 gerichtet. In FIG. 4 shows another example of an OF INVENTION to the invention apparatus is shown. A conventional laser, the laser beam 1 of which is directed via a beam shaping unit 8 already mentioned and two mirrors 10 and 12, onto the machining location 11 of the workpiece 13 .

Zusätzlich wird ein Hochleistungsdiodenlaser 15 mit einer entsprechenden Optik 9 zur Strahlformung ver wendet, dessen Laserstrahl 5 den Laserstrahl 1 über lagert.In addition, a high-power diode laser 15 is used with appropriate optics 9 for beam shaping, whose laser beam 5 overlays the laser beam 1 .

In der Fig. 4 ist mit jeweils zwei Doppelpfeilen deutlich gemacht, daß der Spiegel 10, der für den Fall, daß er für den Laserstrahl 1 reflektierend und für den Laserstrahl 5 durchlässig ist, direkt im Strahlengang des Laserstrahls 5 angeordnet werden kann, zumindestens um eine Achse drehbar ist. Beim Verschwenken des Spiegels 10 kann der Auftreffort des Laserstrahles 1 auf der Oberfläche des Werkstückes 13 und auch die Größe des Fokus 2 verändert werden.In FIG. 4 is made clear with two double arrows, that the mirror 10 can be disposed in the case that it is reflective for the laser beam 1 and permeable for the laser beam 5 directly in the beam path of the laser beam 5, at least to an axis is rotatable. When the mirror 10 is pivoted, the point at which the laser beam 1 strikes the surface of the workpiece 13 and also the size of the focus 2 can be changed.

Wird ein für ein für den Laserstrahl 5 undurchlässi ger Spiegel 10 verwendet, so muß der Laserstrahl 5 in einem Winkel geneigt auf die Oberfläche des Werk stückes 13 gerichtet werden, dabei muß ein Winkel eingehalten werden, der sichert, daß der Laserstrahl 5 ungehindert vom Spiegel 10 auf die Oberfläche des Werkstückes 13 auftreffen kann.If a mirror 10 used for the laser beam 5 is impermeable, the laser beam 5 must be inclined at an angle to the surface of the workpiece 13 , an angle must be maintained which ensures that the laser beam 5 is unhindered by the mirror 10 can strike the surface of the workpiece 13 .

Claims

1. A method for welding by means of laser radiation, with at least one laser beam, in which the intensity of the laser radiation by beam shaping in and on the surface of workpieces ( 13 ) is adjusted so that a small area with a high intensity in the workpiece ( 13 ), there to form a steam capillary ( 7 ) and a further larger adjoining area with a smaller intensity is irradiated on the workpiece surface in such a way that a cup-shaped opening of the steam capillary ( 7 ) is formed on the workpiece surface and the cooling rate of the melt is reduced, wherein the position and / or orientation of the axes of at least two laser beams ( 1 , 5 ) or partial beams to the workpiece surface can be varied depending on the temperature during the execution of the welding process.

2. The method according to claim 1, characterized, that a laser beam is split up into two beams divides and one of the two beams is opened widens and forms the second beam is stored so that the expanded and shaped partial beam the area with the smaller In irradiated intensity.

3. The method according to claim 1, characterized in that laser beams ( 1 , 5 ) at least two laser beam sources with different focusing and intensities are directed onto the workpiece ( 13 ).

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the area of the loading rich with greater intensity in relation to Area of the area changed with lower intensity becomes.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the intensity of the Laser radiation is varied.

6. The method according to claim 5, characterized in that the intensity of the Laser beams or partial beams for training the steam capillary is varied.

7. The method according to claim 5, characterized in that the intensity of the laser beams ( 1 , 5 ) or partial beams is regulated depending on the temperature.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the focusing of the laser beams ( 1 , 5 ) or partial beams is varied.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the laser power the laser radiation material and / or tempera is controlled or regulated depending on the door.

10. The device for carrying out the method according to claim 1, wherein a laser beam ( 1 ) of a laser beam source is directed to a beam splitter and two partial beams on two beam shaping units and by means of a beam shaping unit ( 8 ) a highly focused partial beam is directed onto the workpiece ( 13 ) , which is superimposed by the second defocused partial beam ( 5 ), at least one temperature sensor measures the temperature distribution on the workpiece ( 13 ) and the temperature sensor (s) regulates the laser beam sources ( 15 ) and / or the beam shaping units ( 8 ) Control is / are connected, which changes the position and / or the orientation of the axes of the partial beams ( 1 , 5 ) to the material surface as a function of the temperature distribution during the execution of the welding process.

11. The device for performing the method according to claim 1, in which two laser beams ( 1 , 5 ) of two laser beam sources ( 15 ) with different intensities are directed onto the workpiece ( 13 ), at least one temperature sensor distributes the temperature on the workpiece ( 13 ) measures and the / the temperature sensor (s) with a the laser beam sources ( 15 ) and / or the beam shaping units ( 8 ) regulating / are connected, the position and / or the orientation of the axes during the execution of the welding process The partial jets ( 1 , 5 ) to the material surface change depending on the temperature distribution.

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the first laser beam source is a CO ₂ laser or an Nd: YAG laser and the second laser beam source ( 15 ) is a Diodenla water.

13. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that the second laser beam source ( 15 ) in the radiation forming unit ( 8 ) of the first laser beam source is integrated.

14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that partial beams emerging from the emitters of the diode laser are directed onto the workpiece ( 13 ) via optical fibers.

15. Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the laser beam ( 1 ) is directed via mirrors ( 10 , 12 ) onto the workpiece ( 13 ), a mirror ( 10 ) for the one laser beam ( 1 ) reflecting and is transparent to the other laser beam ( 5 ) and is arranged in its beam path.

16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the mirror ( 10 ) is rotatable about at least one axis.