DE202010017861U1 - Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks, umfassend einen auf das Werkstück (1) gerichteten Laserstrahl (2) zur Erzeugung einer Schweißnaht (3), ein mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich (4) aus dem Werkstück (1) heraustretendes Plasma (5) und eine Düse (6) zur Einbringung eines Schutzgases (7) in den Schweißstellenbereich (4), dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Düse (6) ausströmende Schutzgas (7) zum Wegbefördern des Plasmas (5) aus dem Schweißstellenbereich (4) eine Strömungskomponente in Entstehungsrichtung der Schweißnaht (3) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
  • Eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art sind nach der DE 196 45 746 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist einen auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl zur Erzeugung einer linienförmigen Schweißnaht, ein mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich aus dem Werkstück heraustretendes Plasma und eine Düse zur Einbringung eines Schutzgases in den Schweißstellenbereich auf. Verfahrensmäßig formuliert, wird bei dieser Lösung zur Erzeugung einer Schweißnaht ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet. Mindestens laserstrahlseitig tritt dabei im Schweißstellenbereich ein Plasma aus dem Werkstück heraus, wobei mit einer Düse ein Schutzgas in den Schweißstellenbereich eingebracht wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern.
  • Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Schutzanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass das aus der Düse ausströmende Schutzgas zum Wegbefördern des Plasmas aus dem Schweißstellenbereich eine Strömungskomponente in Entstehungsrichtung der Schweißnaht aufweist.
  • Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Schutzgas (vorzugsweise ein Edelgas, insbesondere Helium) derart auf den Schweißstellenbereich gerichtet wird, dass es das aus dem Werkstück heraustretende Plasma, welches ungünstiger Weise einen hohen Absorptionskoeffizienten für die Wellenlänge des Laserstrahls aufweist, wegdrängt (wegbläst), und zwar weg von der bereits erzeugten Schweißnaht. Dies hat vorteilhaft zur Folge, dass der Laserstrahl weniger vom Plasma behindert bzw. absorbiert wird und dementsprechend besser in das Werkstück eindringen kann. Hierdurch entsteht eine insgesamt höhere Temperatur im Werkstück, was das Verdampfen von Schlackeaufschwemmungen aus dem Schmelzbad an den Innenwänden der Dampfkapillare im Schweißstellenbereich vorteilhaft begünstigt (dies wird weiter unten noch genauer erläutert) und einen entsprechenden Reinigungseffekt mit sich bringt.
  • Die erfindungsgemäße Maßgabe, dass eine Strömungskomponente des Schutzgases in Entstehungsrichtung der Schweißnaht ausgerichtet sein soll, bringt dabei zum Ausdruck, dass das Schutzgas insbesondere nicht quer bzw. seitlich zur oder gar entgegen der Erzeugungsrichtung der Schweißnaht aufgebracht werden soll, da dies nicht den gewünschten Reinigungseffekt gewährleisten würde. Gleichzeitig muss das Schutzgas aber auch nicht unbedingt exakt in Entstehungsrichtung der Schweißnaht aufgebracht werden, vielmehr genügt es praktisch, wenn die Hauptströmungskomponente in Erzeugungsrichtung orientiert ist.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Schutzansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung einschließlich deren vorteilhaften Weiterbildungen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigt (schematisch und nicht maßstabsgerecht)
  • 1 in geschnittener Seitenansicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks.
  • Die in 1 dargestellte Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks besteht aus einem auf das Werkstück 1 gerichteten, fokusierten Laserstrahl 2 zur Erzeugung einer linienförmigen Schweißnaht 3 (in 1: nicht-schraffierter Bereich des Werkstücks 1 rechts neben der Schmelze), einem mindestens laserstrahlseitig (also auf der Seite des Werkstücks 1, die dem Laserstrahl 2 zugewandt ist) im Schweißstellenbereich 4 (also insbesondere dort, wo sich die Schmelze des Werkstücks 1 befindet) aus dem Werkstück 1 heraustretenden Plasma 5 (Metalldampf mit freien Ladungsträgern, in 1: gestrichelt angedeutet) und einer Düse 6 zur Einbringung eines Schutzgases 7 (hier bevorzugt Helium) in den Schweißstellenbereich 4. Verfahrensmäßig ausgedrückt, wird gemäß 1 zur Erzeugung einer Schweißnaht 3 ein vorzugsweise mit einem Kohlendioxidlaser erzeugter Laserstrahl 2 (mit einer Wellenlänge von 10,6 μm) auf ein Werkstück 1 gerichtet. Dabei tritt mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich 4 ein Plasma 5 aus dem Werkstück 1 heraus. Außerdem wird mit einer Düse 6 ein Schutzgas 7 in den Schweißstellenbereich 4 eingebracht. Das Werkstück 1 und der Laserstrahl 2 werden relativ zueinander bewegt. Im dargestellten Beispiel wird das Werkstück 1 nach rechts verschoben, während der Laser ortsfest angeordnet ist.
  • Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nun, dass das aus der Düse 6 ausströmende Schutzgas 7 zum Wegbefördern des Plasmas 5 aus dem Schweißstellenbereich 4 eine Strömungskomponente (in 1: im wesentlichen von rechts nach links) in Entstehungsrichtung (in 1: von rechts nach links) der Schweißnaht 3 aufweist. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist somit wesentlich, dass das aus der Düse 6 ausströmende Schutzgas 7 zum Wegbefördern des Plasmas 5 aus dem Schweißstellenbereich 4 in Entstehungsrichtung der Schweißnaht 3 gerichtet wird.
  • Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass das aus der so genannten Dampfkapillare (nicht-schraffierter Bereich direkt unterhalb des Laserstrahls 2) austretende Plasma 5 direkt weggetragen wird. Das Plasma 5 besitzt nämlich, wie erwähnt, einen hohen Absorptionskoeffizienten für die Wellenlänge des per Kohlendioxidlaser erzeugten Laserstrahls 2. Durch das direkte Wegblasen des herausströmenden Plasmas 5 steht ein Höchstmaß an Intensität des fokusierten Laserstrahls 2 in der Dampfkapillare zur Verfügung. Der sich einstellende Effekt ist das Verdampfen von Schlackeaufschwemmungen (in 1: kleine schwarze Punkte) aus dem Schmelzbad (in 1: Schraffur von links unten nach rechts oben) an den Innenwänden der Dampfkapillare.
  • Das in 1 dargestellte Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung dient bei der Anmelderin zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines so genannten Wendelrohrwärmetauschers, wie er zum Beispiel in der EP 1 562 006 B1 dargestellt ist. Bezogen auf die erfindungsgemäße Lösung ist dabei das Werkstück 1 aus einem vom Coil gewickelten Stahlblech als Rohr mit Fügezone (durch Rollen) vorgeformt und die Schweißnaht 3 in der Fügezone bildet eine Längsnaht entlang des fertigen Rohres, das vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei besonders gut geeignet, um ein Werkstück 1 bzw. ein Rohr aus einem ferritisch-austenitischen Stahlwerkstoff (sogenannter Duplexwerkstoff), insbesondere dem Stahl 1.4162 (X2CrMnNiN 22-5-2), mit besagten Kohlendioxidlaser zu schweißen.
  • Weiterhin ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass dem Schweißstellenbereich 4 ein Element zur induktiven Vorwärmung 8 des Werkstücks 1 vorgeschaltet ist bzw. dass der Schweißstellenbereich 4 vor Erzeugung der Schweißnaht 3 induktiv vorgewärmt wird.
  • Der Zweck der induktiven Vorwärmung besteht darin, die Oberfläche des Werkstücks vor dem Schweißen zu reinigen und Wärme in das Werkstück einzubringen.
  • Das Reinigen der Oberfläche von Schmiermittelrückständen und Spänen ist erforderlich, da diese Reste aus der Formung des Rohres ansonsten einen störenden Einfluss auf den Schweißprozess haben. Schmiermittelreste bewirken die Bildung von Poren und Rissen in der Schweißnaht. Unter Spänen kann es im Betrieb des (oben genannten) Wärmetauschers zur Spaltkorrosion kommen. Außerdem können Späne zur Absorption der Energie des Laserstrahls über der Fügezone führen. Diese Energie steht dann nicht mehr dem Schweißprozess zur Verfügung. Die Späne werden insbesondere durch das Magnetfeld an einer Spule der induktiven Vorwärmung entfernt.
  • Ferner, und dies ist mindestens genauso wichtig, wird durch die Wärmeeinbringung durch induktive Vorwärmung die Abkühlgeschwindigkeit der erstarrenden Schweißnaht gesenkt. Dies steigert die Korrosionsbeständigkeit in diesem Bereich beim oben genannten Werkstoff 1.4162. Hintergrund dabei ist die Bildung von Austenit aus der ferritisch erstarrenden Schmelze im Temperaturbereich von etwa 1200°C bis 850°C. Durch die Vorwärmung steigt die Verweilzeit in diesem Temperaturbereich an und der erforderliche Anteil an Austenit in der Schweißnaht kann entstehen, so dass sich annähernd ein für einen guten Korrosianswiderstand optimales Verhältnis Ferrit zu Austenit von 1:1 ergibt.
  • Außerdem ist besonders bevorzugt, und wie in 1 dargestellt, vorgesehen, dass bei einem laserstrahlabgewandt aus dem Werkstück 1 heraustretenden Plasma 5 ein Schutzgas 10, vorzugsweise Stickstoff, gegen den als werkstückdurchgreifende Schweißkapillare ausgebildeten Schweißstellenbereich 4 gerichtet wird bzw. dass bei einem laserstrahlabgewandt aus dem Werkstück 1 heraustretenden Plasma 5 dem Werkstück 1 laserstrahlabgewandt ein Element 9 zur Abgabe eines Schutzgases 10 in den als werkstückdurchgreifende Schweißkapillare (Plasmakapillare) ausgebildeten Schweißstellenbereich 4 zugeordnet ist. Dieses Element 9 zur Abgabe des Schutzgases 10 ist dabei mindestens teilweise aus Wolfram gebildet, um den extrem hohen Temperatur unterhalb der Plasmakapillare standhalten zu können.
  • Zur weiteren Erläuterung der Untergasführung: Die Dampfkapillare erstreckt sich, wie 1 zeigt, bis zur Unterseite des zu fügenden Bleches. Hier wird die spätere Wurzel der Schweißnaht gebildet. Dort werden der Schweißprozess und die erstarrende Schweißnaht durch Stickstoff gegen sauerstoffhaltige Atmosphäre abgeschirmt. Durch die Öffnung der Dampfkapillare wird Stickstoff in das Plasma der Dampfkapillare aufgenommen. Stickstoff fördert die Bildung von Austenit. Die hohen Temperaturen des Plasmas bewirken eine Spaltung des molekularen Stickstoffs in atomaren Stickstoff. Die Stickstoffatome diffundieren in die Schmelze und erhöhen den Austenitgehalt in der Schweißnaht bei unveränderter Abkühlgeschwindigkeit. Die Aufnahme des Stickstoffs wird durch die Legierungszusammensetzung des Stahls 1.4162 begünstigt. Im Vergleich zu anderen Stählen mit Duplexgefüge ist der Mangangehalt hoch. Nickel und Mangan können zu ähnlichen Zwecken alternativ in Legierungen für Duplexstähle verwendet werden. Mangan besitzt aber eine deutlich höhere Löslichkeit für Stickstoff als Nickel. Somit kann der bereitgestellte Stickstoff zu höheren Anteilen aufgenommen werden.
  • Die Art der Führung des Stickstoffs im Bereich der Schweißnahtwurzel stellt dabei eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Der Stickstoff wird durch Stege an der Gasführung (Element zur Abgabe eines Schutzgases 9) vor und nach dem Schweißpunkt gestaut und verdrängt somit auf effektive Weise Sauerstoff von dort. Weiterhin wird durch die Schutzgasführung Laserlicht, das durch die Dampfkapillare durchstrahlt, aufgefangen. Außerdem werden Plasmadämpfe und Schweißspritzer von dem genannten Wolframmaterial aufgefangen. Das in 1 schematisch dargestellte Element 9 befindet sich in Realität aufgrund des kleinen Innenmaßes des zu fertigenden Rohres in Abstand von drei bis vier Millimetern zum Schweißprozess. Dabei ist Wolfram, wie erläutert, durch seinen hohen Schmelzpunkt geeignet, dem auch auf der Wurzelseite herausströmenden Plasma und der entsprechenden Strahlung standzuhalten. Die ansonsten bei hohen Temperaturen an Wolfram auftretende Auflösung des Werkstoffs unter Bildung von Wolframdioxid wird durch die Schutzgasatmosphäre verhindert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Werkstück
    2
    Laserstrahl
    3
    Schweißnaht
    4
    Schweißstellenbereich
    5
    Plasma
    6
    Düse
    7
    Schutzgas
    8
    Element zur induktiven Vorwärmung
    9
    Element zur Abgabe eines Schutzgases
    10
    Schutzgas
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19645746 A1 [0002]
    • EP 1562006 B1 [0015]

Claims (5)

  1. Vorrichtung zum Laserschweißen eines metallischen Werkstücks, umfassend einen auf das Werkstück (1) gerichteten Laserstrahl (2) zur Erzeugung einer Schweißnaht (3), ein mindestens laserstrahlseitig im Schweißstellenbereich (4) aus dem Werkstück (1) heraustretendes Plasma (5) und eine Düse (6) zur Einbringung eines Schutzgases (7) in den Schweißstellenbereich (4), dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Düse (6) ausströmende Schutzgas (7) zum Wegbefördern des Plasmas (5) aus dem Schweißstellenbereich (4) eine Strömungskomponente in Entstehungsrichtung der Schweißnaht (3) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schweißstellenbereich (4) ein Element zur induktiven Vorwärmung (8) des Werkstücks (1) vorgeschaltet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem laserstrahlabgewandt aus dem Werkstück (1) heraustretenden Plasma (5) dem Werkstück (1) laserstrahlabgewandt eine Element (9) zur Abgabe eines Schutzgases (10) in den als werkstückdurchgreifende Schweißkapillare ausgebildeten Schweißstellenbereich (4) zugeordnet ist.
  4. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Element (9) zur Abgabe des Schutzgases (10) mindestens teilweise aus Wolfram gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) aus einem ferritisch-austenitischen Stahlwerkstoff besteht.
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