DE19944469A1 - Hybrid welding comprises guiding a focussed laser beam onto a moving workpiece and producing an electric arc that is concentric to the laser beam between an electrode and the workpiece - Google Patents

Hybrid welding comprises guiding a focussed laser beam onto a moving workpiece and producing an electric arc that is concentric to the laser beam between an electrode and the workpiece

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Abstract

Hybrid welding comprises guiding a focussed laser beam onto a moving workpiece and producing an electric arc between an electrode and the workpiece. The axis of the arc is concentric to the laser beam. An Independent claim is also included for an apparatus for hybrid welding comprising a laser beam head for introducing the laser beam to the workpiece; a welding burner for producing an electric arc between the electrode and the workpiece; and a device for producing relative movement between the laser beam head and the burner on one side and the workpiece on the other side, the axis of the arc being concentric to the laser beam.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf das zu bearbeitende, relativbewegte Werkstück geleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück erzeugt wird.The invention relates to a method for hybrid welding using a laser beam and Arc, with at least one focused laser beam on the to be processed relatively moving workpiece is conducted and an electric arc between one Electrode and the workpiece is generated.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen umfassend einen Laserschweißkopf zum Zuleiten zumindest eines fokussierten Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück, einem Schweißbrenner zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer Elektrode und dem Werkstück und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen einerseits dem Laserschweißkopf und dem Brenner und andererseits dem Werkstück.The invention further relates to a device for hybrid welding using a laser beam and arc comprising a laser welding head for supplying at least one focused laser beam on the workpiece to be machined, a welding torch to generate an electric arc between an electrode and the Workpiece and means for generating a relative movement between the one hand Laser welding head and the torch and on the other hand the workpiece.

Laserstrahl- und Lichtbogenschweißverfahren sind mit einem breiten Einsatzfeld in der industriellen Fertigung etabliert. Beide Verfahren haben ihre spezifischen Anwendun­ gen, die durch die physikalischen Prozesse des jeweiligen Energietransports zum Werkstoff und die erreichten Energieflüsse gekennzeichnet werden.Laser beam and arc welding processes are used in a wide range of applications industrial manufacturing established. Both methods have their specific application conditions caused by the physical processes of the respective energy transport to the Material and the energy flows achieved are identified.

Charakteristisch bei dem Laserstrahlschweißen ist die geringe Einbringung von Energie in den Werkstoff bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten, was zu einer vergleichbar schmalen wärmebeeinflußten Zone mit einem großen Verhältnis von Einschweißtiefe zu Nahtbreite führt. Allerdings ist beim Laserstrahlschweißen die erzielbare Spaltüberbrückbarkeit aufgrund des kleinen Strahldurchmessers der Laserstrahlung gering.The low introduction of is characteristic of laser beam welding Energy in the material at high processing speeds, resulting in a comparably narrow heat-affected zone with a large ratio of Welding depth leads to seam width. However, with laser beam welding that is achievable gap bridgeability due to the small beam diameter of the Laser radiation low.

Der Lichtbogenschweißprozeß führt aufgrund der wesentlich kleineren Energiedichte zu geringeren Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Außerdem ist der Brennfleck des Lichtbogens an der Werkstückoberfläche größer als beim Laserstrahl. Als Folge ergeben sich beim Lichtbogenschweißen breitere Nähte als beim Laserstrahl­ schweißen, so daß bei einer vergleichbaren Schweißnahttiefe die Spaltüberbrück­ barkeit größer ist. The arc welding process leads due to the much smaller energy density to lower processing speeds. In addition, the focal spot is the Arc on the workpiece surface larger than that of the laser beam. As a result Arc welding results in wider seams than with a laser beam weld so that the gap is bridged at a comparable weld depth availability is greater.  

Seit einiger Zeit wird versucht, das Laserstrahlschweißen mit dem Lichtbogen­ schweißen zu kombinieren. Dabei sind grundsätzlich zwei Verfahrensvarianten denkbar. Die erste Möglichkeit stellt die serielle Prozeßführung dar. Dabei wirken Laserstrahl und Lichtbogen in der Regel zeitlich und örtlich getrennt auf das Werkstück.For some time now, attempts have been made to use laser welding with the arc to combine welding. There are basically two process variants conceivable. The first option is serial process control Laser beam and arc usually separated in time and place on the Workpiece.

Die zweite mögliche Verfahrensvariante wird als sog. Hybridschweißen bezeichnet. Dabei wirken Laserstrahl und Lichtbogen (MSG, WIG oder Plasma) zeitgleich in der Wechselwirkungszone (Plasma und Schmelze) und beeinflussen oder unterstützen sich gegenseitig.The second possible process variant is referred to as so-called hybrid welding. The laser beam and arc (MSG, TIG or plasma) act simultaneously in the Interaction zone (plasma and melt) and influence or support each other.

Die Erfindung setzt sich mit dem Hybridschweißen auseinander, wobei die Laserstrah­ lung und der Lichtbogen im wesentlichen auf dieselbe Stelle am Werkstück auftreffen. Beim Hybridschweißen führt der Lichtbogen dem Schweißgut im oberen Nahtbereich zusätzlich zum Laserstrahl Wärme zu, was zu einer kelchförmigen Gestaltung der Schweißnaht führt. Die wechselseitige Beeinflussung der Prozesse erlaubt je nach dem eingesetzten Laserstrahlschweiß- oder Lichtbogenschweißverfahren und den dabei eingestellten Prozeßparametern unterschiedliche Ausprägungen und Ausrich­ tungen. Die Wärmebelastung des Werkstücks beim Hybridschweißen kann ähnlich wie beim Laserstrahlschweißen relativ gering gehalten werden. Je nach dem Verhältnis der Leistungsbeiträge durch Laserstrahlung oder Lichtbogen überwiegt der Charakter des jeweiligen Verfahrens beim Hybridschweißen.The invention deals with hybrid welding, the laser beam and the arc strike essentially the same point on the workpiece. In hybrid welding, the arc guides the weld metal in the upper seam area in addition to the laser beam heat, resulting in a goblet-shaped design of the Weld leads. The mutual influence of the processes allows depending on the laser beam welding or arc welding process used and the The process parameters set have different characteristics and orientations exercises. The heat load on the workpiece during hybrid welding can be similar to be kept relatively low in laser beam welding. Depending on the ratio of Contributions from laser radiation or electric arcs outweigh the character of the respective process in hybrid welding.

Beim Hybridschweißen wird bisher die Schutzgasschweißmimik entweder seitlich unter einem Winkel zur Laserstrahlachse oder koaxial um den Laserstrahl angeordnet. Der­ artige Hybridschweißverfahren sind beispielsweise aus der DE 43 34 568 A1 bekannt.In the case of hybrid welding, the inert gas welding facial expression has either been placed on the side arranged at an angle to the laser beam axis or coaxially around the laser beam. The Hybrid welding processes are known for example from DE 43 34 568 A1.

Durch die unsymmetrische Anordnung von Elektrode und Laserstrahl bestehen nur eingeschränkt Automatisierungsmöglichkeiten. Abweichungen der relativen Position der bei den Energiequellen Laserstrahlung und Lichtbogen zueinander und/oder zum Werkstück schränken die Reproduzierbarkeit des Prozesses ein und/oder führen zu ungleichmäßiger Qualität.Due to the asymmetrical arrangement of the electrode and laser beam only exist limited automation options. Deviations in the relative position of the energy sources laser radiation and arc to each other and / or to Workpieces limit and / or lead to the reproducibility of the process uneven quality.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, durch welche die oben bezeichneten Nachteile überwunden werden können und insbesondere eine verbesserte Auto­ matisierungsmöglichkeit geschaffen wird.The invention is therefore based on the object of a method and a device of the type mentioned at the outset, by means of which the above-mentioned  Disadvantages can be overcome and in particular an improved car possibility of matatisation is created.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren dadurch gelöst, daß die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet wird.The object is achieved for the method in that the axis of the arc is aligned concentrically with the laser radiation.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine entsprechende Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorgesehen.In the device according to the invention, a corresponding arrangement of the Laser welding head and the welding torch are provided.

Die Achse des Lichtbogens kann koaxial zur Laserstrahlachse ausgerichtet werden. Insbesondere kann die Laserstrahlung ringförmig um die Lichtbogenachse auf das Werkstück geleitet werden.The axis of the arc can be aligned coaxially with the laser beam axis. In particular, the laser radiation can be applied in a ring around the arc axis Workpiece are guided.

In Ausbildung der Erfindung werden mehrere Laserstrahlbündel auf die zu bearbei­ tende Werkstückoberfläche geleitet.In an embodiment of the invention, several laser beams are processed on the ing workpiece surface.

Erfindungsgemäß kann die Laserstrahlung durch einen oder mehrere Laser erzeugt werden. Grundsätzlich eignen sich alle zum Schweißen bekannten Laser besondere Vorteile werden durch den Einsatz von Diodenlasern, insbesondere von Hochleistungs­ diodenlaser (HDL), erzielt. Bei mehreren Laserstrahlquellen bzw. Laserstrahlbündeln oder bei mehreren Diodenlasern können durch unterschiedliche Ansteuerung oder Diodensegmente und/oder durch unterschiedliche Positionierung der einzelnen Laser definiert die Wärmezufuhr und/oder die Schmelzbadeigenschaften gesteuert werden. Dies führt im Zusammenhang mit der konzentrischen Ausrichtung der Lichtbogenachse zur Laserstrahlung zu einer merklichen Erhöhung der Prozeßsicherheit. Durch die Erfindung können die Möglichkeiten der Automatisierbarkeit beim Hybridschweißen wesentlich gesteigert werden.According to the invention, the laser radiation can be generated by one or more lasers become. In principle, all lasers known for welding are particularly suitable Advantages are gained through the use of diode lasers, especially high-power ones diode laser (HDL). With several laser beam sources or laser beam bundles or in the case of several diode lasers can be controlled by different means or Diode segments and / or by different positioning of the individual lasers defines the heat input and / or the melt bath properties are controlled. This leads in connection with the concentric alignment of the arc axis to laser radiation to a noticeable increase in process reliability. Through the Invention can be automated in hybrid welding be significantly increased.

Das Hybridschweißen kann sowohl mit als auch ohne Schutz- und/oder Prozeßgas erfolgen. Im Rahmen der Erfindung können alle für das Lasertrahlschweißen und/oder für das Lichtbogenschweißen bekannten Schutz- und/oder Prozeßgase eingesetzt werden. Dabei können Gase oder Gasgemische Verwendung finden.Hybrid welding can be done with or without protective and / or process gas respectively. Within the scope of the invention, all can be used for laser beam welding and / or known protective and / or process gases are used for arc welding become. Gases or gas mixtures can be used.

Im Zusammenhang mit der Erfindung können abschmelzende oder nicht-abschmel­ zende Elektroden verwendet werden. Durch eine koaxiale Anordnung von Laserstrahl­ achse und Achse der Zufuhr des Zusatzwerkstoffes bei Abschmelzender Elektrode kann die Prozeßsicherheit zusätzlich erhöht werden. Bei nicht-abschmelzender Elek­ trode kann sowohl mit als auch ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet werden.In the context of the invention, consumable or non-consumable electrodes are used. Through a coaxial arrangement of the laser beam  axis and axis of the feed of the filler material when the electrode melts process reliability can be increased further. With non-melting elec trode can be used with or without filler material.

In Weiterbildung der Erfindung kann anstelle einer Einzelelektrode auch mit mehreren Elektroden mit gleichem oder mit unterschiedlichem elektrischen Potential geschweißt werden (z. B. Tandem- oder Doppeldraht).In a further development of the invention, instead of a single electrode, several can also be used Electrodes welded with the same or different electrical potential (e.g. tandem or double wire).

Als Lichtbogenschweißverfahren kommen im Zusammenhang mit der Erfindung die Lichtbogenschweißverfahren MSG, MAG, MIG, WIG oder Plasma in Betracht.As the arc welding process come in connection with the invention Arc welding processes MSG, MAG, MIG, TIG or plasma.

Unter einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein im wesent­ lichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahl verstanden. Außer bei der überwiegend eingesetzten Methode mit im wesentlich auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahlung kann die Erfindung auch bei der selten benutzten Variante mit auf die Werkstückoberfläche defokussierter Strahlung Anwendung finden.Within the scope of the invention, a focused laser beam essentially becomes a Understand laser beam focused on the workpiece surface. Except for the predominantly used method with essentially on the workpiece surface The invention can also use focused laser radiation in the rarely used variant with radiation that is defocused on the workpiece surface.

Claims (19)

1. Verfahren zum Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf das zu bearbeitende, relativbewegte Werkstück geleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet wird.1. A method for hybrid welding by means of laser beam and arc, wherein at least one focused laser beam is directed onto the relatively moving workpiece to be machined and an electric arc is generated between an electrode and the workpiece, characterized in that the axis of the arc is aligned concentrically with the laser radiation . 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Lichtbogens koaxial zur Laserstrahlachse ausgerichtet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the axis of the Arc is aligned coaxially to the laser beam axis. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung ringförmig um die Lichtbogenachse auf das zu bearbeitende Werkstück geleitet wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the laser radiation directed in a ring around the arc axis onto the workpiece to be machined becomes. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laserstrahlen­ bündel auf das zu bearbeitende Werkstück geleitet werden.4. The method according to claim 1, characterized in that a plurality of laser beams bundles are directed to the workpiece to be machined. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung durch einen oder mehrere Laser erzeugt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the Laser radiation is generated by one or more lasers. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß CO2- Laser, Nd:YAG-Laser oder bevorzugt Diodenlaser eingesetzt werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that CO 2 lasers, Nd: YAG lasers or preferably diode lasers are used. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeß- und/oder Schutzgas auf das zu bearbeitende Werkstück strömt.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a Process and / or protective gas flows onto the workpiece to be machined. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine abschmelzende oder nichtabschmelzende Elektrode verwendet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a melting or non-melting electrode is used. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden mit gleichem oder unterschiedlichem elektrischen Potential eingesetzt werden. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that several electrodes with the same or different electrical potential be used.   10. Vorrichtung zum Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen umfassend einen Laserschweißkopf zum Zuleiten zumindest eines fokussierten Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück, einem Schweißbrenner zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer Elektrode und dem Werkstück und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen einerseits dem Laserschweißkopf und dem Brenner und andererseits dem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorge­ sehen ist, so daß die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet ist.10. Device for hybrid welding by means of laser beam and arc comprising a laser welding head for supplying at least one focused laser beam on the workpiece to be machined, a welding torch to generate a electric arc between an electrode and the workpiece and means to generate a relative movement between the laser welding head on the one hand and the burner and on the other hand the workpiece, characterized in that that an arrangement of the laser welding head and the welding torch is featured is seen so that the axis of the arc is concentric with the laser radiation is aligned. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorgesehen ist, so daß die Achse des Lichtbogens koaxial zur Laserstrahlachse ausgerichtet ist.11. The device according to claim 10, characterized in that an arrangement of Laser welding head and the welding torch is provided so that the axis of the arc is aligned coaxially to the laser beam axis. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorgesehen ist, so daß die Laser­ strahlung ringförmig um die Lichtbogenachse auf das zu bearbeitende Werkstück geleitet wird.12. The apparatus according to claim 11, characterized in that an arrangement of the Laser welding head and the welding torch is provided so that the laser radiation in a ring around the arc axis on the workpiece to be machined is directed. 13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zuleiten der Laserstrahlung Mittel zum Zuleiten mehrerer Laserstrahlenbündel auf das zu bearbeitende Werkstück umfassen.13. The apparatus according to claim 10, characterized in that the means for Supply of the laser radiation Means for supplying several laser beams include the workpiece to be machined. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Laser zur Erzeugung der Laserstrahlung vorhanden sind.14. Device according to one of claims 10 to 13, characterized in that one or more lasers for generating the laser radiation are present. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß CO2-Laser, Nd:YAG-Laser oder bevorzugt Diodenlaser enthalten sind.15. Device according to one of claims 10 to 14, characterized in that CO 2 lasers, Nd: YAG lasers or preferably diode lasers are included. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zufuhr eines Prozeß- und/oder Schutzgases auf das zu bearbeitende Werkstück vorgesehen sind.16. The device according to one of claims 10 to 15, characterized in that Means for supplying a process and / or protective gas to the to be processed Workpiece are provided. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine abschmelzende oder nicht-abschmelzende Elektrode vorgesehen ist. 17. The device according to one of claims 10 to 16, characterized in that a melting or non-melting electrode is provided.   18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden mit gleichem oder unterschiedlichem elektrischen Potential vorhanden sind.18. Device according to one of claims 10 to 17, characterized in that several electrodes with the same or different electrical potential available. 19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18 zum auto­ matisierten Hybridschweißen.19. Use of the device according to one of claims 10 to 18 for auto automated hybrid welding.
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