DE19802305C2

DE19802305C2 - Laserschweißkopf zum Fügen von vorzugsweise dreidimensionalen metallischen Bauteilen

Info

Publication number: DE19802305C2
Application number: DE19802305A
Authority: DE
Inventors: Norbert Will; Lutz Morise; Joerg Spitzner
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2018-01-23
Also published as: DE19802305A1

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.

In der JP 59-70487 A ist ein Laserschweißkopf mit einer im Laserschweißkopf angeordneten Schweißdüse, einer Vorrichtung zur Zuführung eines Schweißzusatzdrahtes zur Schweißstelle und mit Gasaustrittskanälen für ein der Schweißstelle zuge führtes Arbeitsgas und ein Schutzgas zur weiträumigen Ab schirmung der Schweißnaht während des Schweißvorganges be schrieben. Der Schweißzusatzdraht und das Arbeitsgas tref fen unter einem Winkel von etwa 60° gegenüber der Mittel achse des Laserstrahles der Schweißstelle auf das Werkstück. Weiterhin ist für das Schutzgas keine in sich geschlossene äußere Abschirmung, sondern ein vorderer und hinterer Schutzbereich vorgesehen. Auch ist der Durchgang 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.

Aus "Laser-Praxis, Juni 1995, S. LS 36, LS 38, LS 39; Auf satz Haferkamp, H., u. a.: Öldichtes Kupplungsgehäuse" ist ein Laserschweißkopf ersichtlich, bei dem das Arbeitsgas in Form eines mittig aus dem Schweißkopfdüsenkörper austre tenden zum Laserstrahl koaxialen Arbeitsgasstromes auf die Schweißstelle auftrifft. Der erforderliche Schweißzusatz draht ist über eine Drahtzuführung unter einem spitzen Winkel von etwa 45° gegenüber der Längsmittelachse stechend eingetaucht. Nachteiligerweise ist unter diesem Austritts winkel eine 3-dimensionale Schweißung nicht möglich, son dern lediglich - wie dargestellt - die Durchführung eines 2-dimensionalen Schweißvorganges.

Aus der US-PS 4,164,641 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei verhältnismäßig dicken Bauteilen bekannt, wobei das Elektronenstrahlschweißen An wendung findet. Der für den Schweißvorgang erforderliche Zusatzwerkstoff wird als Draht, als diskontinuierliche Par tikelzugabe oder in flüssiger Form zugegeben. Die Drahtzu gabe kann unter einem spitzen Winkel von höchstens 30°, 25° oder 20° erfolgen. Hierbei ist von Nachteil, daß die Draht zuführung nicht in der Schweißdüse integriert ist und somit der Draht eine sehr lange freie Weglänge aufweist.

In der DE 40 16 200 A1 ist eine Düse zum Laserstrahlschweis sen oder Laserstrahlschneiden beschrieben, mit einem zentral angeordneten Düsenkanal, durch den ein Laserstrahl und ein Gasstrahl geführt werden. In den Düsenkopf ist am Austritts ende des Düsenkanals ein ringförmiges, gasdurchlässiges Sin termaterial- oder Siebpaket eingebaut. Zusätzlich zu dem zentralen Düsenkanal können ein oder mehrere Kanäle vorhan den sein, die zum Sintermaterial- oder Siebpaket führen. Hierbei kann es sich auch um einen den zentral verlaufenden Düsenkanal koaxial umgebenden, ringförmigen Kanal handeln. Von Nachteil bei dieser Düse ist, daß durch das im Hinblick auf die Werkstücke senkrechte Austreten des Gases nur ein Werkstückbereich von unzureichender Größe gegenüber atmos phärischen Gasen geschützt wird.

Weiterhin ist aus den "Patent Abstracts of Japan. M-849, 1989, Vol. 13, No. 305. JP 1-95887 A" ein Laserschweißbren ner bekannt, bei dem neben einem ersten Arbeitgasstrom ein weiterer Schutzgasstrom der Schweißstelle zugeführt wird. Die Zufuhr des zweiten Schutzgasstromes erfolgt über die Zufuhreinrichtung des verwendeten Schweißdrahtes.

Im Luftfahrzeugbau werden Fügeaufgaben für 2- oder 3-dimen sionale metallische Bauteile entweder mit automatischem WIG- Schweißverfahren (Wolfram-Inertgas-Schweißen) für 2-dimensi onale 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 insbesondere für das Schweißen von Titanwerk stoffen zu schaffen, der einen Ausgleich von Fügeungenauig keiten der zu verschweißenden Bauteile sowie eine sichere Abschirmung der Schweißnaht gegenüber der Atmosphäre gewähr leistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Laser schweißkopf unter Verwendung einer im Laserschweißkopf an geordneten Schweißdüse, einer Vorrichtung zur Zuführung ei nes Schweißzusatzdrahtes, der über eine den Schweißdüsen körper durchdringende Drahtzuführung zur Schweißstelle geführt ist, und von zwei Gasaustrittskanälen für ein der Schweißstelle zugeführtes Arbeitsgas und für ein Schutzgas zur weiträumigen Abschirmung der Schweißnaht während des Schweißvorganges, wobei der Schweißzusatzdraht über die Drahtzuführung unter einem Winkel von ≦ 25° gegenüber der Längsmittelachse des Schweißkopfes zur Schweißstelle geführt und in das Schmelzbad der Schweißstelle stechend eingetaucht ist, wobei das Arbeitsgas in Form eines mittig austretenden zum Laserstrahl koaxialen Arbeitsgasstromes auf die Schweiß stelle trifft, und wobei der Schweißdüsenkörper einen Ring kanal mit ringförmiger Austrittsöffnung zur Erzeugung des zweiten separat austretenden ringförmig geschlossenen und konkav gewölbten (glockenförmigen) Schutzgasstromes auf weist.

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 7 beschrieben.

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

Fig. 1 eine gegenüberstellende Darstellung einer schleppen den Drahtzufuhr (Fig. 1a) und einer stechenden Draht zufuhr (Fig. 1b) bei zwei Laserschweißvorgängen,

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. 1a und 1b zeigen jeweils ein einem Schweißvorgang mit Laserstrahlen 10 unterworfenes Werkstück 3, wobei der Schweißzusatzdraht mit 6 bezeichnet ist. Die Bewegungsrichtungen der Laserstrahlen 10 und die Vorschubbewegungen der Schweißzusatzdrähte 6 sind jeweils durch Pfeile gekennzeichnet. Die den Schweißvorgang beglei tende Schmelze und Dampfkapilare sind 7a bzw. 7b bezeichnet. Die Nachteile der schleppenden Drahtzufuhr sind folgende:
eine kleine Zone für das Aufschmelzen des Drahtes;
der Draht wird hauptsächlich vom Laserstrahl und von der Metalldampfwolke aufgeschmolzen;
hohe Anfälligkeit gegenüber Positionieränderungen des Drahtes; und
Instabiler Schweißprozeß mit geringer Reproduzierbarkeit.
Hingegen ergeben sich die Vorteile der stechenden Drahtzu fuhr wie folgt:
das nachlaufende Schmelzbad bietet eine größere Zone für das Aufschmelzen des Drahtes;
der Draht wird hauptsächlich durch das Schmelzbad aufge schmolzen;
der Toleranzbereich für die Positionierung des Drahtes ist größer; und
die Prozeßstabilität und die Reproduzierbarkeit werden verbessert.

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 ≦ 25° gegenüber der Längs mittelachse des Schweißkopfes 1 zur Schweißstelle 7 geführt. Der maximale Abstand der Drahtzuführung zum Laserfocus be trägt etwa 2,8 mm, sodaß sich die maximale nicht geführte freie Weglänge des Schweißzusatzdrahtes 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 einen 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

7

a Schmelze der Schweißstelle

7

b Dampfkapilare der Schweißstelle

7

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

1. Laserschweißkopf (1) zum Fügen von vorzugsweise 3-dimen sionalen metallischen Bauteilen, insbesondere von ebenen oder sphärisch gekrümmten Blechen, Krümmern, Rohren oder Rohrsegmenten aus Titan, unter Verwendung einer im Laser schweißkopf (1) angeordneten Schweißdüse (2), einer Vor richtung zur Zuführung eines Schweißzusatzdrahtes (6), der über eine den Schweißdüsenkörper (2') durchdringende Drahtzuführung (5) zur Schweißstelle (7) geführt ist, und von zwei Gasaustrittskanälen für ein der Schweißstelle (7) zugeführtes Arbeitsgas (8) und für ein Schutzgas (9) zur weiträumigen Abschirmung der Schweißnaht während des Schweißvorganges, wobei der Schweißzusatzdraht (6) über die Drahtzuführung (5) unter einem Winkel von ≦ 25° gegenüber der Längsmittelachse des Schweißkopfes (1) zur Schweißstelle (7) geführt und in das Schmelzbad der Schweißstelle (7) stechend eingetaucht ist, wobei das Ar beitsgas (8) in Form eines mittig austretenden zum Laser strahl (10) koaxialen Arbeitsgasstromes (8) auf die Schweißstelle (7) trifft, und wobei der Schweißdüsenkör per (2') einen Ringkanal (14) mit ringförmiger Austritts öffnung (15) zur Erzeugung des zweiten separat austreten den ringförmig geschlossenen und konkav gewölbten (gloc kenförmigen) Schutzgasstromes (9) aufweist.

2. Laserschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Abstand der Drahtzuführung zum Laser focus etwa 2,8 mm und damit die nicht geführte freie Weg länge des Schweißzusatzdrahtes (6) etwa 2,8 mm betragen.

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

4. Laserschweißkopf nach Anspruch 1 oder 2, 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.

5. Laserschweißkopf nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ringkanal (14) mit ringförmiger Aus trittsöffnung (15) für den glockenförmigen Schutzgasstrom (9) den kegelförmigen Düseninnenraum (11) umgibt.

6. Laserschweißkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas über einen Zuführkanal (16) dem Ring kanal (14) zuführbar ist.

7. Laserschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstelle (7) über die Draht zuführung (5) ein weiterer Schutzgasstrom zuführbar ist.