DE19802305A1 - Laserschweißkopf zum Fügen von vorzugsweise dreidimensionalen metallischen Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserschweißkopf zum Fügen von vorzugsweise 3-dimensionalen metallischen Bauteilen, insbe­ sondere von ebenen oder sphärisch gekrümmten Blechen, Krüm­ mern, Rohren oder Rohrsegmenten aus Titan, unter Verwendung einer im Laserschweißkopf angeordneten Schweißdüse, einer Vorrichtung zur Zuführung eines Schweißzusatzdrahtes, der über eine den Schweißdüsenkörper durchdringende Drahtzufüh­ rung zur Schweißstelle geführt ist, und von zwei Gasaus­ trittskanälen für ein der Schweißstelle zugeführtes Arbeits­ gas und ein Schutzgas zur weiträumigen Abschirmung der Schweißnaht während des Schweißvorganges.

In der JP 59-70487 A ist ein Laserschweißkopf der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem der Schweißzusatzdraht und das Arbeitsgas unter einem Winkel von etwa 60° gegen­ über der Mittelachse des Laserstrahles der Schweißstelle auf das Werkstück treffen. Weiterhin ist für das Schutzgas keine in sich geschlossene äußere Abschirmung, sondern ein vorderer und hinterer Schutzbereich vorgesehen. Auch ist der Durch­ gang für den Laserstrahl nicht mittels Schutzgas geschützt.

Dieses Schutzgasspülprinzip führt bei einem verwendeten Werk­ stoff Titan zu einer unzulässigen Aufnahme von atmosphäri­ schen Gasen und somit zu einer Versprödung des Werkstoffes. Die Geometrie des Schweißkopfes, der Drahtzuführungswinkel von etwa 60° und eine verhältnismäßig große, freie nicht ge­ führte Weglänge des Schweißdrahtes lassen darauf schließen, daß der vorbekannte Laserschweißkopf ausschließlich für eine zweidimensionale Anwendung und zudem nicht für den Werkstoff Titan konzipiert wurde.

Aus der EP 0 294 324 B1 ist ein Laserbearbeitungswerkzeug mit einer Düse für die Zufuhr eines Arbeitsgases zu einem Werkstück bekannt. Die Düse für das Arbeitsgas ist etwa ko­ axial zur optischen Achse der Laseroptik angeordnet und von einer Ringkammer für die Zufuhr eines Kühl- und/oder Arbeits­ gases zur Düsenspitze umgeben. Mit der Ringkammer stehen ei­ ne Vielzahl von Austrittsöffnungen in Wirkverbindung, wobei die Austrittsöffnungen primär zur Kühlung der Düse dienen. Bei diesem Konzept wird keine geschlossene Schutzgasglocke erzeugt. Durch den austretenden Gasstrahl wird die Düsenum­ gebung stets sauber gehalten. Dieses vorbekannte Laserwerk­ zeug ist hauptsächlich für das Schneiden und ggf. auch für ein Stoßnahtschweißen von dicken Blechen ausgelegt. Ein Schweißen von Titanblechen unter Verwendung von Zusatz­ schweißdrähten ist allerdings nicht möglich.

Im Luftfahrzeugbau werden Fügeaufgaben für 2- oder 3-dimen­ sionale metallische Bauteile entweder mit automatischem WIG-Schweißverfahren (Wolfram-Inertgas-Schweißen) für 2-dimensionale Bauteile oder durch manuelles WIG-Schweißverfahren für 3-dimensionale Bauteile realisiert. In neuerer Zeit kommen allerdings auch Laserschweißverfahren zur Anwendung, bei­ spielsweise für großformatige Aluminium-Strukturbauteile.

Das Laserschweißen stellt sehr hohe Anforderungen an die Fügegenauigkeit der zu verschweißenden Bauteile. Beim Ver­ schweißen von Blechen mit auftretenden Spaltmaßen ab ca. 10% der Blechstärke ist mit einer unzulässigen Reduzierung des tragenden Materialquerschnittes zu rechnen. Durch Zu­ gabe von Schweißzusatzstoffen, beispielsweise in Form von Schweißzusatzdrähten, können allerdings große Spalt- und Versatzabstände überbrückt werden. Weiterhin reagiert der Schweißprozeß sehr sensibel auf Fehlpositionierungen des Zusatzdrahtes, die durch Änderungen des Arbeitsabstandes und der Fokuslage hervorgerufen werden. Hierbei hat bei der Bahnabweichung des Laserstrahlführungssystems hauptsächlich die Abweichung in senkrechter Richtung zum Werkstück (Z-Abweichung) einen großen Einfluß auf die Prozeßstabilität, da sich diese Ungenauigkeiten unmittelbar auf die Position des Zusatzdrahtes auswirken. Es besteht ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Drahtzuführungswinkel und dem Ab­ stand des Zuführungskanals zum Fokussierpunkt des Laser­ strahles und zur Prozeßstabilität. Je kleiner der Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Drahtzuführung ist, umso unempfindlicher reagiert der Schweißprozeß auf Abweichungen in Z-Richtung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Laser­ schweißkopf der eingangs genannten Art, insbesondere für das Schweißen von Titanwerkstoffen zu schaffen, der einen Aus­ gleich von Fügeungenauigkeiten der zu verschweißenden Bau­ teile sowie eine sichere Abschirmung der Schweißnaht gegen­ über der Atmosphäre gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schweißzusatzdraht über die Drahtzuführung unter einem Win­ kel von weniger als 25° gegenüber der Längsmittelachse des Schweißkopfes zur Schweißstelle geführt und in das Schmelz­ bad der Schweißstelle stechend eingetaucht ist, daß das Ar­ beitsgas in Form eines mittig austretenden zum Laserstrahl koaxialen Arbeitsgasstromes auf die Schweißstelle trifft, und daß der Schweißdüsenkörper einen Ringkanal mit ringför­ miger Austrittsöffnung zur Erzeugung des zweiten separat austretenden ringförmig geschlossenen und konkav gewölbten (glockenförmigen) Schutzgasstromes aufweist.

Vorteile der Erfindung liegen:

• - in einer sicheren Abschirmung der Schweißstelle vor atmos­ phärischen Gasen durch den ringförmigen geschlossenen glockenförmigen Schutzgasstrom,
• - in einer Vergrößerung des Toleranzbereiches für die Posi­ tionierung des Schweißdrahtes und damit in einer Verbes­ serung der Prozeßstabilität,
• - in einer Erhöhung der Prozeßgeschwindigkeit um den Faktor 10 bzw. 15-20 gegenüber dem automatisierten bzw. manuellen WIG-Schweißverfahren,
• - in einem Ausgleich von Fügeungenauigkeiten, die durch ei­ nen mechanischen Verzug infolge Bauteilspannungen und thermischen Verzug infolge des Schweißprozesses entstehen, und
• - in geringeren Anforderungen an spezifische Spann- und Fixiervorrichtungen zur möglichen Überbrückung von Spalt- und Versatzmaßnahmen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 beschrieben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfin­ dung beschrieben, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine gegenüberstellende Darstellung einer schleppen­ den und einer stechenden Drahtzufuhr bei zwei Laser­ schweißvorgängen,

Fig. 2 einen Laserschweißkopf mit einer Drahtführung für ei­ nen Schweißzusatzdraht im Halbschnitt, und

Fig. 3 eine Schweißdüse des Laserschweißkopfes im Schnitt, ohne daß die den Schweißdüsenkörper durchsetzende Zu­ führung für den Schweißzusatzdraht ersichtlich ist.

Die beiden Darstellungen gemäß Fig. 1 zeigen jeweils ein ei­ nem Schweißvorgang mit Laserstrahlen 10 unterworfenes Werk­ stück 3, wobei der Schweißzusatzdraht mit 6 bezeichnet ist. Die Bewegungsrichtungen der Laserstrahlen 10 und die Vor­ schubbewegungen der Schweißzusatzdrähte 6 sind jeweils durch Pfeile gekennzeichnet. Die Nachteile der schleppenden Draht­ zufuhr sowie die Vorteile der stechenden Drahtzufuhr sind stichwortartig aufgeführt.

In Fig. 2 weist der Laserschweißkopf 1 eine in seiner Längs­ achse liegende Schweißdüse 2 auf, die in einer in unmittel­ barer Nähe der zu verschweißenden Werkstücke 3 befindlichen Bohrung des Schweißkopfes 1 befestigt ist. Eine Wandung 4 des Schweißkopfes 1 und eine nicht näher bezeichnete Wand der Schweißdüse 2 sind von einer Drahtzuführung 5 derart durchsetzt, daß ein in der Drahtzuführung 5 angeordneter Schweißzusatzdraht 6 mit seinem Schweißende in die Nähe der Schweißstelle 7 geführt ist. Um einen möglichst optimalen Ausgleich von Fügeungenauigkeiten der Werkstücke 3 zu er­ zielen, ist der Schweißzusatzdraht 6 über die Drahtzuführung 5 vorzugsweise unter einem Winkel kleiner als 25°, insbeson­ dere von ca. 25°, gegenüber der Längsmittelachse des Schweiß­ kopfes 1 zur Schweißstelle 7 geführt. Der maximale Abstand der Drahtzuführung zum Laserfocus beträgt etwa 2,8 mm, so daß sich die maximale nicht geführte freie Weglänge des Schweiß­ zusatzdrahtes 6 ebenfalls zu etwa 2,8 mm ergibt.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten schematischen Ausschnitt der Schweißdüse 2 aus Fig. 2 zur Erläuterung des Schutzgasprin­ zips. Der kegelförmig ausgebildete Schweißdüsenkörper 2' weist zwei Gasaustrittskanäle auf, die zur Erzeugung eines mittig aus der Schweißdüse 2 austretenden koaxialen so­ wie eines zweiten separat austretenden glockenförmigen Schutzgasstrom dienen. Für den koaxialen Schutzgasstrom 8 ist in der Schweißdüse 2 ein von dem Laserstrahl 10 durch­ setzter kegelförmiger Düseninnenraum 11 mit kreisförmiger Austrittsöffnung 12 vorgesehen, dem das Schutzgas über ei­ nen Zuführkanal 13 mit einer Geschwindigkeit V1 zugeführt wird. Weiterhin ist der kegelförmige Düseninnenraum 11 von einem Ringkanal 14 mit ringförmiger Austrittsöffnung 15 für den glockenförmigen Schutzgasstrom 9 umgeben. Hier ist das Schutzgas über einen Zuführkanal 16 dem Ringkanal 14 mit einer Geschwindigkeit V2 zuführbar. Zusätzlich kann der Schweißstelle 7 über die Drahtzuführung 5 ein weiterer Schutzgasstrom zugeführt werden.

Bezugszeichenliste

1

Laserschweißkopf

2

Schweißdüse

2

' Schweißdüsenkörper

3

Werkstücke

4

Wandung des Laserschweißkopfes

1

5

Drahtzuführung

6

Schweißzusatzdraht

7

Schweißstelle

8

koaxialer Schutzgasstrom

9

glockenförmiger Schutzgasstrom

10

Laserstrahl

11

kegelförmiger Düseninnenraum

12

kreisförmige Austrittsöffnung des Düseninnenraumes

11

13

Zuführkanal

14

Ringkanal

15

ringförmige Austrittsöffnung des Ringkanals

14

16

Zuführkanal für Ringkanal

14

Claims (8)

1. Laserschweißkopf zum Fügen von vorzugsweise 3-dimensiona­ len metallischen Bauteilen, insbesondere von ebenen oder sphärisch gekrümmten Blechen, Krümmern, Rohren oder Rohr­ segmenten aus Titan, unter Verwendung einer im Laser­ schweißkopf angeordneten Schweißdüse, einer Vorrichtung zur Zuführung eines Schweißzusatzdrahtes, der über eine den Schweißdüsenkörper durchdringende Drahtzuführung zur Schweißstelle geführt ist, und von zwei Gasaustrittskanä­ len für ein der Schweißstelle zugeführtes Arbeitsgas und ein Schutzgas zur weiträumigen Abschirmung der Schweiß­ naht während des Schweißvorganges, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzdraht (6) über die Drahtzuführung (5) unter einem Winkel von weniger als 25° gegenüber der Längsmittelachse des Schweißkopfes (1) zur Schweißstelle (7) geführt und in das Schmelzbad der Schweißstelle (7) stechend eingetaucht ist, daß das Arbeitsgas (8) in Form eines mittig austretenden zum Laserstrahl (10) koaxialen Arbeitsgasstromes (8) auf die Schweißstelle (7) trifft, und daß der Schweißdüsenkörper (2') einen Ringkanal (14) mit ringförmiger Austrittsöffnung (15) zur Erzeugung des zweiten separat austretenden ringförmig geschlossenen und konkav gewölbten (glockenförmigen) Schutzgasstromes (9) aufweist.

2. Laserschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzdraht (6) unter einem Winkel von ca. 25° gegenüber der Längsmittelachse des Schweißkopfes (1) zur Schweißstelle (7) geführt ist.

3. Laserschweißkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der maximale Abstand der Drahtzuführung zum Laserfocus etwa 2,8 mm und damit die nicht geführte freie Weglänge des Schweißzusatzdrahtes (6) etwa 2,8 mm betragen.

4. Laserschweißkopf nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schweißdüse (2) in eine in unmittelbarer Nähe der zu verschweißenden Werkstücke (3) befindliche Bohrung des Schweißkopfes (1) eingepaßt ist, und daß die Drahtzuführung (5) sowohl den Schweißdüsenkörper (2') als auch die Wandung (4) des Schweißkopfes (1) durchsetzt.

5. Laserschweißkopf nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schweißdüse (2) einen mit einem Zuführ­ kanal (13) verbundenen und von dem Laserstrahl (10) durch­ setzten kegelförmigen Düseninnenraum (11) mit kreisförmi­ ger Austrittsöffnung (12) für den koaxialen Arbeitsgas­ strom (8) aufweist.

6. Laserschweißkopf nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringkanal (14) mit ringförmiger Aus­ trittsöffnung (15) für den glockenförmigen Schutzgasstrom (9) den kegelförmigen Düseninnenraum (11) umgibt.

7. Laserschweißkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas über einen Zuführkanal (16) dem Ring­ kanal (14) zuführbar ist.

8. Laserschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstelle (7) über die Draht­ zuführung (5) ein weiterer Schutzgasstrom zuführbar ist.