DE2211195A1

DE2211195A1 - Method and device for material welding

Info

Publication number: DE2211195A1
Application number: DE19722211195
Authority: DE
Inventors: Conrad Martin Manchester; Brown Clyde Owen Newington; Conn. Banas (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-03-08
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1972-10-05
Also published as: GB1336806A; IT949946B; FR2128872B1; FR2128872A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Inc. F.Patent Attorneys Dipl.-Inc. F.

Dipl.-Ing. H. "We ι c km an n, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. HuberDipl.-Ing. H. "We ι c km an n, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

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Verfahren und Vorrichtung zur MaterialschweißungMethod and device for material welding

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Schweißung; sie betrifft insbesondere die Schweißung mit Hilfe eines Laserstrahls. Unter geeigneten Bedingungen können tiefgehende Schweißungen mit einem hohen Tiefe-Breite-Verhältnis erzeugt werden.The invention is in the field of welding; it relates in particular to welding with the aid of a laser beam. Under suitable conditions, deep welds with a high depth-to-width ratio can be produced will.

Die Schweißung mit Hilfe fokussierter Elektronenstrahlen ist bereits bekannt und seit einer Anzahl von Jahren kommerziell ausgeführt. Mit der Erfindung des Lasers zeigte es sich bei vielen Untersuchungen, daß ein gebündelter Strahl von kohärentem Licht auch zum Schweißen verwendet werden könnte. Es ist daher vielfach davon berichtet worden^ daß durch einen Laserstrahl erfolgreich Schweißungen ausgeführtFocused electron beam welding is well known and has been commercial for a number of years executed. With the invention of the laser it was shown in many studies that a bundled beam of coherent light could also be used for welding. It has therefore been reported many times that Successful welds performed by a laser beam

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worden sind. Es ist jedoch festzustellen, daß bisher mit Hilfe eines Laserstrahls tiefgehende Schweißungen, wie sie üblicherweise durch Anwendung der Elektronenstrahltechnologie erzielt werden, nicht erreicht worden sind. Die Eigenschaft der tiefgehenden Schweißung mit Hilfe von Elektronenstrahlen ist in der US-PS 2 987 610 angegeben, auf die bezüglich der erwähnten Eigenschaft hier hingewiesen sei. Vor der Entdeckung der Eigenschaft der tiefgehenden Schweißung wurde im allgemeinen die Schweißung sogar mit Elektronenstrahlen lediglich durch Wärmeleitung anstatt durch direkte Energieübertragung ausgeführt. Bei mit einer Wärmeübertragung arbeitenden Schweißungen wird eine Energie an die jeweilige Materialoberfläche abgegeben, wovon sich die betreffende Energie durch Wärmeleitung in das Material ausbreitet. Die Wärmeleitung stellt einen relativ langsamen Prozess dar; sie setzt sich von der Quelle aus gleichmäßig in sämtliche Richtungen innerhalb eines homogenen Materials fort. Aus diesem Grunde ist die Schweißgeschwindigkeit begrenzt, und die jeweilige Schweißung zeigt ein halbkugelförmiges Aussehen, wobei die Schweißung eine Breite besitzt, die etwa gleich der Tiefe ist. Mit der Entdeckung der tiefgehenden Elektronenstrahlschweißung, bei der eine Schweißung durch direkte Energieübertragung erfolgt, war es möglich, tiefe, schmale Schweißungen bzw. Schweißstellen zu liefern, die ein Tiefe-zu-Breite-Verhältnis von 20 zu 1 oder ein noch größeres Verhältnis aufwiesen,, Bei dieser Art von Schweißung wird eine metallurgische Beschädigung von Werkstoffteilen neben der jeweiligen Schweißstelle verhindert, und außerdem werden festere und saubere Schweißstellen erhalten. Die thermische Verformung ist ebenfalls minimisiert, da nämlich maximale Energie zur Vornahme der Schweißung benutzt wird. Mit dem Aufkommen derhave been. It should be noted, however, that so far with With the help of a laser beam, deep welds, as is usually done using electron beam technology have not been achieved. The property of deep welding with the help of electron beams is given in US Pat. No. 2,987,610, to which reference is made here with regard to the property mentioned. Before the discovery the property of deep welding was im in general, welding even with electron beams only through thermal conduction instead of through direct energy transfer executed. In the case of welds that use heat transfer, energy is transferred to the respective material surface given off, from which the relevant energy spreads through thermal conduction into the material. The heat conduction is a relatively slow process; it settles from the source evenly in all directions within of a homogeneous material. For this reason, the welding speed is limited, and the respective The weld shows a hemispherical appearance with the weld having a width approximately equal to the depth. With the discovery of deep electron beam welding, in which welding takes place through direct energy transfer, it was possible to deliver deep, narrow welds or welds that had a depth-to-width ratio of 20 to 1 or an even greater ratio, This type of weld causes metallurgical damage to material parts in addition to the respective Prevents weld, and moreover, stronger and cleaner welds are obtained. The thermal deformation is also minimized, since maximum energy is used to carry out the weld. With the advent of the

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tiefgehenden Schweißung hat sich das Gebiet der Elektronenstrahlschweißung und die industrielle Anwendung dieser Schweißung riesig erweitert.deep welding has become the field of electron beam welding and the industrial application of this weld has expanded enormously.

Ein der Elektronenstrahlschweißung anhaftender Nachteil besteht jedoch darin, daß eine komplizierte und teure Vakuumbzw. Unterdruckkammer für die meisten Schweißungen erforderlich ist, da die verfügbare fokussierte Leistungsdichte der sich bewegenden Elektronen in der Atmosphäre schnell abnimmt, und zwar auf Grund von Kollisionen mit Luftmolekülen. Vor kurzem sind zwar Fortschritte im Hinblick auf ohne Vakuum arbeitende Schweißmaschinen gemacht worden. Bei diesen Maschinen ist jedoch dennoch eine Vakuumkammer erforderlich, um den Elektronenstrahl zu erzeugen, und das jeweilige Arbeitsstück muß unmittelbar neben der Austrittsstelle des Elektronenstrahls aus der Vakuumkammer in die sogenannten Nicht-Vakuum-Schweißberelche angeordnet sein. Dadurch ist die Geometrie möglicher Schweißungen beschränkt, und das Tiefe-Breite-Verhältnis der Schweißungen ist vermindert.An inherent disadvantage of electron beam welding, however, is that a complicated and expensive vacuum or Vacuum chamber is required for most welds because of the available focused power density moving electrons in the atmosphere decreases rapidly due to collisions with air molecules. Recently Advances have been made in vacuum welding machines. However, with these machines Nevertheless, a vacuum chamber is required to generate the electron beam, and the respective workpiece must be immediate next to the exit point of the electron beam from the vacuum chamber in the so-called non-vacuum welding area be arranged. This limits the geometry of possible welds and the depth-to-width ratio welds are reduced.

Es ist bereits bekannt, daß die Laser-Schweißung einen Vorteil gegenüber der Elektronenstrahl-Schweißung insofern mit sich bringt, als für die Aufnahme des Werkstücks keine Vakuumkammer mehr erforderlich ist, da nämlich der Laserstrahl sich ohne weiteres durch die Atmosphäre ausbreitet. Ein zusätzlicher mit der Laserstrahl-Schweißung verknüpfter Vorteil besteht noch darin, daß der Laserstrahl abgelenkt, fokussiert und wesentlich einfacher gerichtet werden kann als ein entsprechender Elektrc^nstrahl. Außerdem ist keine Röntgenstrahlenabschirmung erforderlich, wie dies bei der Elektronenstrahl-Anlage der Fall ist«, Bisher war es jedoch nicht möglich, mit Hilfe eines Laserstrahls eine tiefgehende Schweißung vorzu-It is already known that laser welding has an advantage over electron beam welding in this respect brings with it, than a vacuum chamber is no longer required for receiving the workpiece, namely the laser beam easily spreads through the atmosphere. An additional benefit associated with laser beam welding still consists in the fact that the laser beam can be deflected, focused and directed much more easily than a corresponding one Electric beam. In addition, there is no x-ray shielding required, as is the case with the electron beam system «, but so far it was not possible with Weld a deep weld with the help of a laser beam.

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nehmen, weshalb die Laser-Schweißung auf Schweißungen entsprechend dem Wärmeleitungstyp beschränkt war» Derartige Schweißungen konnten jedoch in vielen Fällen in entsprechend einfacher Weise durch eine herkömmliche Schweißvorrichtung ausgeführt werden. Die hohen Kosten einer leistungsfähigen Laser-Anlage rechtfertigen dabei nicht ohne weiteres deren Einsatz für einfache Wärmeleitungs-Schweißungen.take, which is why laser welding was limited to welds according to the type of heat conduction »Such In many cases, however, it was possible to weld in a correspondingly simple manner by means of a conventional welding device are executed. The high costs of a powerful laser system do not justify it without further ado Use for simple heat conduction welds.

Es ist von vielen Forschern bereits von Untersuchungen mit Laser-Schweißvorrichtungen berichtet worden, jedoch jeweils nur mit geringem praktischen Erfolg. Da es bisher nicht möglich war, tiefgehende Schweißungen mit Hilfe eines Lasers zu erzeugen, war eine erfolgreiche Schweißung auf dünne Materialien beschränkt. Schweißstellen mit Dicken, wie sie auf dem Gebiet der Technik von Bedeutung sind, wurden entweder langsam ausgeführt, oder sie wiesen eine unannehmbare Qualität auf. Die NichtVerfügbarkeit einer Laseranlage hoher Leistung verminderte ebenfalls die Leistungen, die beim Experimentieren zur Verfügung standen; außerdem wurde dadurch die Tiefe auf Werte beschränkt, bis zu denen sogar herkömmliche Wärmeleitungs-Schweißungen ausgeführt werden konnten. Im übrigen ließ die Tatsache, daß die Metalloberflächen häufig einen hohen Anteil des auf sie auftreffenden Laserstrahls reflektierten, viele Forscher schließen, daß eine tiefgehende Schweißung mit Hilfe eines Laserstrahls nicht erfolgen könnte. So geben z.B_o die Autoren der Druckschrift "Machine Design", 15. Oktober 1970, S. 136 ff an, daß Laser keine guten Mittel zur Schweißung von Metallen sind, die dicker sind als ein dünnes Blatt, und daß eine Dicke von etwa 1 mm im allgemeinen als die praktisch obere Grenze für die Laserschweißung anzusehen ist. In demStudies with laser welding devices have been reported by many researchers, but each with little practical success. Since it was previously not possible to create deep welds with the aid of a laser, successful welding was limited to thin materials. Welds of thicknesses of importance in the art were either made slowly or of unacceptable quality. The unavailability of a high-power laser system also reduced the power available for experimentation; in addition, the depth was limited to values up to which even conventional heat conduction welds could be carried out. Moreover, the fact that the metal surfaces often reflected a high proportion of the laser beam hitting them led many researchers to conclude that deep welding could not be carried out with the aid of a laser beam. For example _, the authors of the publication "Machine Design", October 15, 1970, p. 136 ff, state that lasers are not a good means of welding metals that are thicker than a thin sheet, and that a thickness of about 1 mm is generally to be regarded as the practical upper limit for laser welding. By doing

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betreffenden Artikel wird der Schluß gezogen, daß ein Elektronenstrahl für die Industrie praktischer hinsichtlich der Metallbearbeitung ist.related article, it is concluded that an electron beam is more practical in terms of industry metalworking is.

Von einigen Experimentatoren sind impulsweise betriebene Laser bei den Experimenten benutzt worden. Dabei trat jedoch neben dem Problem der Reflexionskraft noch das Problem auf, daß die derzeit zur Verfügung stehenden Impulsdauern die erzielbaren Schweißungen auf eine Dicke von etwa 1,6 mm beschränkten. Der Grund hierfür liegt darin, daß die erzielten extrem hohen Leistungsdichten die Neigung zeigen, das Material bei dem Werkstück zu verdampfen und eine durchgehende Ausnehmung zu bilden anstatt die Schweißung und das für eine Schweißung erforderliche Fließen zu bewirken. Im Dauerbetrieb arbeitende Laser besitzen diese Beschränkung nicht; sie liefern einen wesentlich stärker steuerbaren Strahl, der viele Nachteile der Nachteile eines Impuls-Lasers bei Schweißanwendungen vedlndert.Pulsed lasers have been used by some experimenters in the experiments. In doing so, however, occurred In addition to the problem of reflection power, there is also the problem that the currently available pulse durations limited the achievable welds to a thickness of about 1.6 mm. The reason for this is that the achieved extremely high power densities show the tendency to evaporate the material at the workpiece and a continuous To create a recess instead of causing the weld and the flow required for a weld. Lasers operating continuously do not have this limitation; they provide a much more controllable one Beam that overcomes many of the disadvantages of the disadvantages of a pulsed laser in welding applications.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu zeigen, wie unter Vermeidung der Elektronenstrahl-Schweißsystemen und den bisher bekannten Laser-Schweißsystemen anhaftenden Nachteile, vorzugehen ist, damit auf besonders einfache Weise tiefgehende Schweißungen erzeugt werden Können» The invention is based on the object of showing a way of proceeding while avoiding the electron beam welding systems and the disadvantages associated with the previously known laser welding systems, so that deep welds can be produced in a particularly simple manner »

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung.The problem outlined above is achieved by the im Claim 1 specified invention.

Gemäß der Erfindung ist ein COp-Laser vorgesehen, der einen Laserstrahl im TEM -Modus verstärkt. Der Laserstrahl wird durch geeignete Übertragungs- oder Reflexionsöptiken auf ein zu schweißendes Arbeitsstückmaterial fokussiert. DerAccording to the invention, a COp laser is provided, the one Laser beam amplified in TEM mode. The laser beam is generated by suitable transmission or reflection optics a workpiece material to be welded is focused. Of the

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Laserstrahl wird dabei so fokussiert -, daß er an der Auftreffstelle auf das Werkstückmaterial eine Leistungsdichte von 1O^P/A^1O⁸ Watt/Quadratzoll (entsprechend 3,543· P/A£3,543·1O⁸ Watt/cm²) besitzt, wobei P die Laserleistung und A die Fläche des Brennflecks bedeuten. Für eine bedeutsame Eindringung einer Schweißung sind Strahlleistungen im Bereich von 3 kW erforderlich. Eine wirksame oder tiefgehende Schweißung wird dadurch erzeugt, daß zwischen dem Laserstrahl und dem Arbeitsstück eine Relativbewegung hervorgerufen wird, deren Wert der Beziehung Υ>γ—- genügt, wobei d der Durch-Laser beam is focused so - that it has at the impact point on the workpiece material has a power density of 1O ^ P / A ^ 1O ⁸ watts / square inch (corresponding to 3.543 * P / A £ 3,543 · 1O ⁸ watts / cm ^2), wherein P is the laser power and A is the area of the focal spot. For a significant penetration of a weld, beam powers in the range of 3 kW are required. An effective or deep weld is produced by producing a relative movement between the laser beam and the workpiece, the value of which satisfies the relationship Υ> γ- , where d is the penetration.

expexp

messer des Lasers an dem Brennfleck und t die charakteristische Zeit fürfdie Materialverdampfung und -ablösung (die zur Lochausbildung führt) bedeuten. Diese Zeit ist durch die Auftreffleistung und durch/Leistungsdichte festgelegt.knife of the laser at the focal point and t the characteristic Time for the material to evaporate and detach (which leads to the formation of holes). This time is through the impact power and determined by / power density.

Gemäß der Erfindung muß im übrigen die durch die hohe Reflexionsfähigkeit des jeweils zu schweißenden Materials hervorgerufene Reflexion des Laserstrahls von dem jeweiligen Arbeitsstück überwunden werden, bevor eine tiefgehende Schweißung erfolgen kann. Demgemäß ist es für eine tiefgehende Laser-Schweißung erforderlich, daß der unmittelbar unter dem fokussierten Brennfleck liegende Bereich des Arbeitsstückmaterials auf seine Verdampfungstemperatur in einer Zeit erwärmt wird, die gleich der charakteristischen Wärmediffusionszeit in dem betreffenden Bereich oder die kürzer als diese Zeit ist. Auf diese Weise wird die für Laserstrahlung charakteristischerweise hohe Metall-Reflexionsfähigkeit vermindert, und die Absorption des Lasers wird gesteigert. Die erforderliche Leistungsdichte steigt im Verhältnis zu dem Wärmeausbreitungsvermögen des Materials.According to the invention must also be due to the high reflectivity of the material to be welded caused reflection of the laser beam from the respective Work piece to be overcome before a deep weld can be made. Accordingly, it is for a profound one Laser welding requires that the area of the Work piece material is heated to its evaporation temperature in a time equal to the characteristic Thermal diffusion time in the relevant area or which is shorter than this time. That way, the for Laser radiation characteristically high metal reflectivity is diminished, and the absorption of the laser is reduced increased. The required power density increases in proportion to the heat dissipation capacity of the material.

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An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläuterteThe invention is explained in more detail below with reference to drawings

Fig. 1 zeigt schematisch in einer Draufsicht eine Laser-S chwe ißvorri chtung·Fig. 1 shows a schematic plan view of a laser welding device.

Fig. 2 zeigt eine typische, gemäß den Lehren der Erfindung vorgenommene tiefgehende Laser-Stumpfschweißung.Figure 2 shows a typical deep laser butt weld made in accordance with the teachings of the invention.

Tiefgehende Schweißungen sind bisher nur mit Elektronenstrahl-Schweißsystemen möglich gewesen. Sie zeichnen sich durch Tiefe-Breite-Verhältnisse aus, die wesentlich größer sind als eins. Ferner zeichnen sie sich durch eine kleine, durch Wärme beeinflußte Zone aus, durch hohe Festigkeit und dadurch, daß dem jeweiligen Arbeitsstück eine minimale Wärme zugeführt wird«, Die Erzielung derartiger Schweißungen hängt hauptsächlich von der Bereitstellung einer hinreichend hohen Leistung und Leistungsdichte auf der Materialoberfläche ab. Bisher konnte diese hohe Leistungsdichte nur mit Elektronenstrahlanlagen realisiert werden.Deep welds have so far only been possible with electron beam welding systems was possible. They are characterized by depth-to-width ratios that are much larger as one. Furthermore, they are characterized by a small zone influenced by heat, by high strength and thereby, that a minimal amount of heat is supplied to the respective work piece. "The achievement of such welds depends mainly depends on the provision of a sufficiently high power and power density on the material surface. Until now this high power density could only be achieved with electron beam systems.

Bis etwa 1965 konnten tiefgehende Schweißungen lediglich mit Hilfe von Elektronenstrahlen vorgenommen werden, wobei das jeweilige Arbeitsstück in einem Hochvakuumsystem untergebracht wurde. Dadurch waren die Arbeitsstückgröße und die Schweißgeschwindigkeit durch die Vakuumkammercharakteristiken erheblich beschränkt. Die kürzliche Entwicklung einer ohne Vakuum auskommenden Elektronenstrahl-Schweißanlage erweitert die Fähigkeit dieses Schweißverfahrens auf atmosphärische Bedingungen«, In Systemen, in denen ohne Vakuum gearbeitet wird, werden jedoch unterschiedlich abgepumpte Kammern und ein aerodynamisches Fenster benutzt, um einen Elektronenstrahl aus einer Hochvakuumkammer in den Arbeitsbereich zu führen,Until around 1965, only deep welds were possible be made with the help of electron beams, with the respective workpiece housed in a high vacuum system became. Thereby, the workpiece size and the welding speed were determined by the vacuum chamber characteristics considerably limited. The recent development of a vacuum-free electron beam welding system expanded the ability of this welding process on atmospheric conditions «, In systems in which worked without a vacuum However, different evacuated chambers and an aerodynamic window are used to allow an electron beam to lead from a high vacuum chamber into the work area,

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in dem atmosphärischer Druck herrscht. Auf Grund der Strahlstreuung auf Grund der atmosphärischen Gasdichte nimmt die zur Verfügung stehende Strahlleistungsdichte mit zunehmender Arbeitsentfernung von der Strahlaustrittsöffnung erheblich ab. Dieser Faktor begrenzt z.Z. außerhalb des Vakuums die Elektronenstrahlschweißung auf Entfernungen bis zu etwa 1,27 cm, wodurch die Geometrie des jeweiligen Arbeitsstücks, das durch dieses Verfahren geschweißt werden kann, beschränkt ist. Auf Grund der durch die Streuung des Strahls in einem Bereich hohen Druckes hervorgerufenen verminderten Strahlleistungsdichte zeigen im Nichtvakuum ausgeführte Elektronenstrahlschweißungen ein geringeres Tiefe-zu-Breite-Verhältnis als in dem Fall, daß die betreffenden Schweißungen mit gleichen Strahlleistungen im Vakuum ausgeführt wären. Demgemäß nehmen die Fähigkeiten der Schweißdurchdringung bzw. Schweißeindringung ab. Ein weiterer Nachteil der Elektronenstrahlschweißung besteht darin, daß eine Röntgenstrahlenabschirmung über den gesamten Arbeitsstückbereich vorgesehen sein muß.in which there is atmospheric pressure. Due to the beam scattering due to the atmospheric gas density the available beam power density decreases with increasing working distance from the beam exit opening considerably. This factor currently limits outside the vacuum, electron beam welding at a distance up to about 1.27 cm, creating the geometry of the particular work piece that will be welded by this process can is limited. Due to the reduced pressure caused by the scattering of the jet in an area of high pressure Beam power density electron beam welds carried out in a non-vacuum show a lower depth-to-width ratio than in the case that the welds in question are carried out with the same beam powers in a vacuum would be. Accordingly, the welding penetration capabilities decrease. Another The disadvantage of electron beam welding is that an X-ray shield over the entire workpiece area must be provided.

Im Unterschied zu der Elektronenstrahlschweißung bringt die Laser-Schweißung folgende Vorteile mit sich. Zum einen kann der Energiestrahl über nennenswerte Entfernungen durch die Atmosphäre geführt bzw_e übertragen werden, ohne daß dabei eine ernsthafte Dämpfung bzw. Abschwächung oder Beeinträchtigung der Fokussierungseigenschaft auftritt,, Zum weiteren ist eine Vakuumkammer für das Arbeitsstück nicht erforderlich. Im übrigen werden Röntgenstrahlen mit dem Auftreffen des Strahls auf das Werkstück nicht erzeugt. Schließlich kann der Strahl ohne weiteres abgelenkt, fokussiert und mit gewöhnlichen reflektierenden und/oder brechenden Optiken geformtIn contrast to electron beam welding, laser welding has the following advantages. Firstly, the energy beam or _e can appreciable distances through the atmosphere are transmitted, without causing a serious loss or weakening or degradation of the focusing property occurs for other ,, a vacuum chamber for the work piece is not required. Incidentally, X-rays are not generated when the beam hits the workpiece. Finally, the beam can easily be deflected, focused, and shaped with common reflective and / or refractive optics

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werden· Ein Nachteil der Laser-Schweißung besteht jedoch darin, daß die meisten Metalle bei den Wellenlängen, die von den zur Zeit verfügbaren Hochleistungs-Dauerstrichlasern erzeugt werden, stark reflektierend sind. Auf Grund dieser Eigenschaft haben viele Forscher geschlossen, daß es unmöglich sei, mit Hilfe von Lasern tiefgehende Schweißungen zu erzielen oder daß in dem Fall, daß eine solche Schweißung möglich wäre, extrem hohe Leistungen erforderlich wären, nämlich auf Grund der Verluste, die durch die Reflexion des Laserstrahls hervorgerufen würden.· A disadvantage of laser welding, however, is that most metals are at the wavelengths that generated by the high-power continuous wave lasers currently available, are highly reflective. Based on these Many researchers have concluded that it is impossible to make deep welds with the help of lasers achieve or that, in the event that such a weld would be possible, extremely high powers would be required, namely due to the losses that would be caused by the reflection of the laser beam.

Bei gewöhnlichen Schweißverfahren, wie beim Sauerstoff-Acetylen-Schweißverfahren, beim MIG-Verfahren, beim TIG-Verfahren, beim Unterwasser-Lichtbogen-Schweißverfahren, etc., wird Wärmeenergie an die Materialoberfläche abgegeben und dann durch Wärmeleitung in das Material transportiert. Da der Wärmefluß sich gleichmäßig in allen Richtungen von der Oberfläche homogener Materialien ausbreitet, zeigt die jeweilige Schweißzone ein Tiefe-zu-Breite-Verhältnis von etwa eins. Aus diesem Grunde erhält man eine große, durch Wärme beeinflußte Zone, bei der hohe Energiezufuhren erforderlich sind und bei der eine thermische Verformung auftreten kann.With ordinary welding processes, such as the oxygen-acetylene welding process, with the MIG process, with the TIG process, in the underwater arc welding process, etc., thermal energy is released to the material surface and then transported into the material by thermal conduction. Because the heat flow is uniform in all directions from the surface spreads homogeneous materials, the respective welding zone shows a depth-to-width ratio of about one. For this reason, a large heat-affected zone is obtained, in which high energy inputs are required and where thermal deformation can occur.

Bei hinreichend hohen Einfall-Leistungsdichten, wie sie nur mit Elektronenstrahlanlagen oder Laserstrahlanlagen zur Verfügung stehen, kann in dem jeweiligen Material ein Loch gebildet werden, so daß durch die Materialdicke hindurch Energie abgegeben wird. Innerhalb des Loches tritt eine Vielzahl von Reflexionen auf, wobei mit jeder Reflexion eine teilweise Absoprtion erfolgt. Auf diese Weise erfolgt eine Energieverteilung längs der Oberfläche des betreffenden Loches, wobei die große Anzahl von Reflexionen dasu dient,With sufficiently high incidence power densities, as can only be achieved with electron beam systems or laser beam systems Are available, a hole can be formed in the respective material, so that through the material thickness Energy is given off. A multitude of reflections occur within the hole, with each reflection a partial absorption takes place. In this way, an energy distribution takes place along the surface of the relevant Loches, where the large number of reflections serves dasu,

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eine'im wesentlichen vollständige Absorption sicherzustellen. Das so erzeugte Loch ist statisch nicht stabil; es würde vielmehr zur Ausbildung einer Öffnung führen, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Arbeitsstück nicht aufträte. Wird das Arbeitsstück relativ zu dem Schweißstrahl bewegt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die zumindest zehn Durchmessern des fokussierten Strahlfleckes in der Zeit entspricht, die für einen Materialausstoß erforderlich ist, d,h. V·^ , so wird das betreffende Lochto ensure essentially complete absorption. The hole created in this way is statically unstable; rather, it would lead to the formation of an opening, if a Relative movement between the beam and the workpiece would not occur. The workpiece becomes relative to the welding beam moves at a speed that is at least ten diameters of the focused beam spot in the time required for a material ejection, i. e. V ^, so the hole in question will be

exp
dynamisch stabil und durch das Material übertragen, wobei unmittelbar hinter dem betreffenden Loch eine Verfestigung des Materials auftritt. Eigenschaften der so gebildeten Schweißung können unter Zugrundelegung der Annahme einer sich längs einer Linie bewegenden Wärmequelle vorhergesagt werden, deren Wärme in dem Material verteilt wird. Die Breite der Schweißzone liegt in der Größenordnung der Strahlfleckgröße; die Tiefe der Schweißzone ist proportional der Auftreffleistung. Die einzigartige Eigenschaft dieses Schweißverfahrens ist durch einen Tiefe-zu-Breite-Wert charakterisiert, der erheblich größer ist als eins..exp
dynamically stable and transmitted through the material, with solidification of the material occurring immediately behind the hole in question. Properties of the weld so formed can be predicted assuming a heat source moving along a line, the heat of which is dissipated in the material. The width of the welding zone is in the order of magnitude of the size of the beam spot; the depth of the welding zone is proportional to the impact power. The unique property of this welding process is characterized by a depth-to-width value that is considerably greater than one ..

In Fig. 1 ist ein typischer Aufbau einer Anordnung zur Erzeugung von tiefgehenden Schweißungen mittels eines Laserstrahls gezeigt. Eine Laseranordnung bzw. ein Laser 10 wie ein C0₂-Laser, der bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikron arbeitet, liefert einen Laserstrahl 12 des TEM_QO-Modua mit hoher Leistung. Dieser Laserstrahl 12 trifft auf ein Fokussierungselement 14 auf, durch das er so gerichtet wird, daß er auf ein Arbeitsstück 16 auftrifft. Dieses Arbeitsstück 16 ist im Brennpunkt des betreffenden Laserstrahls angeordnet. Das Arbeitsstück ist auf einem Arbeits-1 shows a typical structure of an arrangement for producing deep welds by means of a laser beam. A laser arrangement or a laser 10 such as a C0 ₂ laser, which operates at a wavelength of 10.6 microns, provides a laser beam 12 of the TEM _QO -Modua with high power. This laser beam 12 strikes a focusing element 14, through which it is directed so that it strikes a workpiece 16. This work piece 16 is arranged at the focal point of the laser beam in question. The work piece is on a working

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tisch 18 untergebracht, der relativ zu dem Laserstrahl bewegbar ist, und zwar mittels eines Motorantriebs 20. Der Motorantrieb 20 ist mit dem Arbeitstisch derart verbunden, daß eine gleichmäßige, fortlaufende Bewegung erzeugt wird. Durch eine Leitung 24 kann ein Schutzgas von einer Gasabgabevorrichtung 22 in die Nähe des Arbeitsstücks 16 geleitet werden, um unerwünschte Reaktionen auf bzw. an der Oberfläche des Arbeitsstücks zu vermeiden.Table 18 housed, which is movable relative to the laser beam, by means of a motor drive 20. The motor drive 20 is connected to the work table in such a way that it produces a smooth, continuous movement will. A protective gas from a gas dispensing device 22 can be conducted through a line 24 into the vicinity of the workpiece 16 in order to avoid undesirable reactions on or on the surface of the workpiece.

Das Arbeitsstück 16 sei durch zwei metallische Stücke gebildet, die durch Bewegung des Arbeitstisches 18 in Bezug auf den Laserstrahl mittels einer Nahtschweißung zusammenzuschweißen sind. Andere Schweißarten können ebenfalls in an sich bekannter Weise ausgeführt werden. Die Aufspannung der Arbeitsstücke und der Vorrichtung zur Erzielung der Bewegung sind auf dem Gebiet der Elektronenstrahlschweißung an sich bekannt, weshalb hierauf nicht näher eingegangen werden wird.The work piece 16 is formed by two metallic pieces, which by moving the work table 18 in relation welded together on the laser beam by means of a seam weld are. Other types of welding can also be carried out in a manner known per se. The tension the work pieces and the device for achieving the movement are in the field of electron beam welding known per se, which is why this will not be discussed in more detail.

Der Laser 10 kann ein Laser-Oszillator oder -Verstärker irgendeines Typs sein, der einen Strahl zu erzeugen gestattet,The laser 10 may be a laser oscillator or amplifier of any type that allows a beam to be generated

6 welcher Leistungsdichten innerhalb der Grenzen 1Oe P/A^=6 which power densities within the limits 1Oe P / A ^ =

Watt/Zoll² (entsprechend 3,543°10^β^Ρ/Αίτ3,543·10⁸ W/cm²) bei Leistungen von etwa 3kW oder noch höheren Leistungen zu erzielen erlaubt. Dies macht es normalerweise erforderlich, daß der Laser in dem TEM_QO-Modus betrieben wird, so daß fokussierte Strahlfleckdurchmesser erzeugt werden.können, die sich an das theoretische, durch Beugung begrenzte Minimum annähern, wie es durch die Beziehung d = · festgelegt ist, wobei Λ die Strahlungswellenlänge, f die Brennweite und D die Strahlöffnung bedeuten. Da die Energieverteilung bei dem TEM -Modus einer Gaußschen Verteilung entspricht, bei derWatts / inch ² (corresponding to 3.543 ° 10 ^β ^ Ρ / Αίτ3.543 · 10 ⁸ W / cm ² ) at powers of around 3kW or even higher. This normally requires that the laser be operated in the TEM _QO mode so that focused beam spot diameters can be produced which approximate the theoretical diffraction limited minimum as determined by the relationship d = where Λ is the radiation wavelength, f is the focal length and D is the beam opening. Since the energy distribution in the TEM mode corresponds to a Gaussian distribution in which

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die maximale Energie in der Strahlmitte liegt, ist die Ausbildung des Loches vereinfacht, welches kennzeichnend ist für den mit tiefer Durchdringung arbeitenden Vorgang. Schwingungstypen höherer Ordnung, bei denen ein großer Anteil der Strahlenergie in dem äußeren Teil des Strahls auftreten kann, führen zu übermäßig hohen Energieablagerungen an den Kanten der Schweißung, was zu einer Unterbrechung des eine Tiefenwirkung entfaltenden Verfahrens führen kann. Im übrigen kann dies zu einem "weinglasförmigen" Querschnitt führen, bei dem eine verminderte Schweißtiefe vorhanden ist. Es kann aber auch zu einer flachen Wärmeleitungs-Schweißung führen.the maximum energy lies in the center of the beam, the formation of the hole, which is characteristic, is simplified for the deep penetration process. Vibration types of higher order, in which a large proportion the beam energy can occur in the outer part of the beam, lead to excessively high energy deposits at the edges of the weld, which can lead to an interruption of the deep-penetrating process. Otherwise, this can result in a "wine glass-shaped" cross-section lead in which there is a reduced welding depth. But it can also lead to a flat heat conduction weld to lead.

Ein im Gegensatz zur Elektronenstrahlschweißung bei der Laserstrahlschweißung zu berücksichtigender bedeutender Faktor besteht darin, daß die Reflexionsfähigkeit der meisten Metalle bei den Wellenlängen, bei denen die derzeitigen Hochleistungslaser arbeiten, relativ stark ist und in einigen Fällen 90% überschreiten kann. Es dürfte ersichtlich sein, daß dann, wenn unter Ausnutzung der tiefen Durchdringung bzw. Eindringung eine wirksame Schweißung vorzunehmen ist, dieses Problem umgangen werden muß« Demgemäß ist hier ein Verfahren erforderlich, wie es bei der Elektronenstrahlschweißung nicht notwendig ist.In contrast to electron beam welding, this is an important factor to be taken into account in laser beam welding is that the reflectivity of most metals is relatively strong at the wavelengths at which current high power lasers operate and in some cases 90% can exceed. It should be apparent that when taking advantage of the deep penetration or penetration an effective weld is to be made, this problem must be circumvented. Accordingly, here is a method required, as it is not necessary with electron beam welding.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Oberflächenreflexionsfähigkeit R eines typischen reinen metallischen Materials bei Wellenlängen, bei denen derzeit Hochleistungs-Dauerstrichlaser arbeiten, proportional der Quadratwurzel seiner elektrischen Leitfähigkeit ist. Dies bedeutet, daß in erster Annäherung die Reflexionsfähigkeit umgekehrt proportional derIt should be noted that the surface reflectivity R of a typical pure metallic material at wavelengths that are currently high-power continuous wave lasers work is proportional to the square root of its electrical conductivity. This means that in the first place Approximating the reflectivity inversely proportional to the

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"¹³~ 221119 ^"13 ~ 221119

Quadratwurzel der Temperatur ist. Da das Reflexionsvermögen bzw. die Reflexionskraft eine komplexe Funktion des chemischen und physikalischen Zustands der Oberfläche ist, stimmt diese Beziehung genau nur für hochpolierte Proben aus reinem Material. Tatsächlich folgt die Oberflächenbeschaffenheit jedoch diesem allgemeinen Zug, so daß die Beziehung als Richtschnur dremt. Da die Absorptionskonstante A für undurchsichtige Materialien gegeben ist durch die BeziehungIs the square root of the temperature. Because the reflectivity or the reflectivity is a complex function of the chemical and the physical state of the surface, this relationship is only true for highly polished samples of pure Material. In fact, however, the surface finish follows this general trait, so that the relationship as Guideline dremt. Since the absorption constant A for opaque Materials is given by the relationship

A=I-R,A = I-R,

nimmt die absorbierte Laserenergie mit der Temperatur entsprechend der nachstehenden Beziehung zu:the absorbed laser energy increases with temperature accordingly the following relationship to:

A ^A₀ V 1 + <*. CT-T₀)A ^ A ₀ V 1 + <*. CT-T ₀ )

hierin bedeuten A die Absorptionskonstante bei der Bezugstemperatur T , T die Temperatur des Arbeitsstücks und <A eine Konstante, deren Wert abhängt von dem Material. Der Anteil der von dem Material absorbierten Laserenergie nimmt daher mit der Temperatur zu. Die Beträge der Absorptionskonstanten einer Vielzahl von Materialien als Funktion der Temperatur sind aus der Literatur erhältlich»Here, A denotes the absorption constant at the reference temperature T, T denotes the temperature of the workpiece and <A denotes a constant whose value depends on the material. The proportion of laser energy absorbed by the material therefore increases with temperature. The magnitudes of the absorption constants of a large number of materials as a function of temperature are available from the literature »

Die Absorption nimmt ferner erheblich zu, wenn das Material vom festen zum flüssigen Zustand übergeht. Auf die Verdampfung des jeweiligen Materials hin wird ein Loch gebildet, das die Absorption noch weiter steigert, und zwar auf Grund der- Tatsache, daß infolge einer Vielzahl von Reflexionen Strahlungseinschlüsse auftreten. Die Erzielung des zuletzt genannten Zustands führt zu einer im wesentlichen vollständigen Absorption. The absorption also increases significantly when the material passes from the solid to the liquid state. Upon evaporation of the respective material, a hole is formed that the Further increases absorption due to the fact that radiation inclusions occur as a result of a large number of reflections. Achieving the latter Condition results in essentially complete absorption.

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Um ein tiefes Schweißloch zu erhalten, ist es erforderlich, daß genügend Energie an den Anfangsschweißpunkt abgegeben wird, um nämlich Verluste zu überwinden, die durch die Materialreflexionskraft hervorgerufen werden. Die Energieabgabe muß ferner lokalisiert sein, damit das Material im Brennpunkt des Laserstrahls innerhalb einer Zeit verdampft, die kürzer ist als die charakteristische Wärmeausbreitungszeit des betreffenden Materials. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß das im Brennpunkt des Laserstrahls befindliche Material verdampfen muß, bevor genügend Energie in das die betreffende Stelle umgebende Material geleitet ist, um die typische Schmelzeigenschaft der normalen Wärmeleitungsschweißung auftreten zu lassen. Wenn eine derartige Wärmeleitung und Schweißung auftreten, kann eine tiefgehende Schweißung nicht auftreten, da ein stabiles Loch nicht erzeugt werden kann. Damit erhält man eine Schweißung, deren Tiefe-zu-Breite-Verhältnis in der Größenordnung von eins liegt.To get a deep weld hole it is necessary to that enough energy is delivered to the initial welding point, namely to overcome losses caused by the Material reflectivity are caused. The energy output must also be localized so that the material in the The focal point of the laser beam evaporates within a time that is shorter than the characteristic heat propagation time of the material in question. In other words, this means that it is at the focal point of the laser beam the material located must evaporate before sufficient energy is conducted into the material surrounding the area in question, to allow the typical melting properties of normal heat conduction welding to occur. When such conduction and welding occur, deep welding cannot occur because a stable hole cannot can be generated. This results in a weld with a depth-to-width ratio of the order of magnitude of one.

Um die erforderliche Verdampfung des Materials im Brennpunkt des Laserstrahls zu bewirken und eine Wärmeleitung durch das Material zu verhindern, derzufolge ein großes Materialschmelzbad entsteht, muß die Einfall-Leistungsdichte des auf die Oberfläche auftreffende Laserstrahls anfänglich sehr hoch sein. Dies wird durch die Gaußsche Verteilung des TEM_QO-Betriebsmodus erleichtert. Wenn die Reflexionskraft des Schweißmaterials so hoch ist, daß für eine lokalisierte Verdampfung nicht ausreichende Energie von dem Schweißmaterial innerhalb einer vorgeschriebenen kurzen Zeit absorbiert werden kann, dann kann es erforderlich sein, augenblicklich die Leistung des Schweißstrahls soweit zu erhöhen, daß eine Verdampfung ausgelöst und ein Loch gebildet wird. DieIn order to bring about the necessary evaporation of the material at the focal point of the laser beam and to prevent heat conduction through the material, as a result of which a large molten material is formed, the power density of incidence of the laser beam striking the surface must initially be very high. This is facilitated by the Gaussian distribution of the TEM _QO operating mode. If the reflectivity of the welding material is so high that insufficient energy can be absorbed by the welding material within a prescribed short time for localized evaporation, then it may be necessary to increase the power of the welding beam instantaneously to the extent that evaporation is triggered and a Hole is formed. the

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Oberflächenabsorption kann ferner künstlich durch einen Überzug gesteigert werden, der bei der Wellenlänge des Lasers stark absorbierend wirkt. Tritt eine Verdampfung einmal auf, so kann die Strahlleistung vermindert werden, und die Relativbewegung zwischen dem Arbeitsstück und dem Strahl kann bei stabiler Öffnung beibehalten werden. Ist das Loch einmal gebildet, so muß die Strahlleistung auf ihren Dauerschweißpegel vermindert werden, da sich sonst eine Aushöhlung bilden kann. Ein entsprechender Beginn läßt sich auch dadurch erhalten, daß die Schweißgeschwindigkeit anfänglich bei konstant gehaltener Strahlleistung vermindert wird.Surface absorption can also be artificially increased by a coating that is at the wavelength of the The laser has a strong absorbing effect. If evaporation occurs once, the beam power can be reduced, and the relative movement between the workpiece and the jet can be maintained with a stable opening. Is this Once a hole has been formed, the beam power must be reduced to its permanent welding level, otherwise a Can form hollow. A corresponding start can also be obtained by starting the welding speed is reduced while the beam power is kept constant.

Wenn die Leistungsdichte hinreichend hoch ist, ermöglicht die gebildete Öffnung eine Strahleindringung in das Material, wobei sie als schwarzer Körperhohlraum beim Einfangen der gesamten Strahlenergie wirkt, die auf die Oberfläche auftrifft. Wie oben bereits erwähnt, ist die betreffende Öffnung bzw. das betreffende Loch jedoch statisch instabil, und ferner kann es zu einer Aushöhlung kommen, wenn die Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Arbeitsstück nicht vorhanden ist. Dabei ist es speziell erforderlich, daß der Strahl relativ zu dem Arbeitsstück mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, die zumindest etwa zehn fokussierten Strahlfleckdurchmessern in der Zeit entspricht, die für eine Aushöhlungsbildung bzw. für eine Lochausbohrung erforderlich ist. Dies bedeutet, daß die betreffende Geschwindigkeit der Beziehung V^ genügt. Unter diesenIf the power density is sufficiently high, the opening that is formed enables beam penetration into the material, acting as a black body cavity in capturing all of the beam energy that hits the surface. As mentioned above, however, the relevant opening or hole is statically unstable, and further, cavitation can occur when the relative movement between the beam and the workpiece does not exist. It is particularly necessary that the beam relative to the workpiece at a speed is moved, which corresponds to at least about ten focused beam spot diameters in the time that for a cavity formation or for a hole drilling is required. This means that the speed in question the relation V ^ is sufficient. Under these

exp Voraussetzungen wird die betreffende Öffnung dynamisch stabil, wobei neben der Linie der Wärmequelle ein kleiner Bereich von geschmolzenem Material vorhanden ist_o Die betreffende Öffnung setzt sich durch das Material hindurch fort,exp conditions, the opening in question becomes dynamically stable, with a small area of molten material next to the line of the heat source _o The opening in question continues through the material,

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wodurch eine Zone von stark erhitztem geschmolzenen Material gebildet ist, das unter Bildung einer Schweißung zusammenschmilzt. Die Eigenschaften der betreffenden Schweißung können auf der Basis der Annahme einer sich bewegenden Linien-Wärmequelle vorherbestimmt werden, die in dem Material verteilt ist. Die Breite der Schweißzone liegt in der Größenordnung des Strahlfleckdurchmessers, wodurch das Fehlen einer nennenswerten seitlichen Wärmeausbreitung angezeigt ist. Die Tiefe der Schweißung ist proportional der bei einer gegebenen Schweißgeschwindigkeit auf das Material auftreffenden Gesamtleistung.whereby a zone of highly heated molten material is formed which fuses together to form a weld. The properties of the weld in question can be based on the assumption of a moving line heat source which is distributed in the material. The width of the welding zone is of the order of magnitude Beam spot diameter, which indicates the lack of significant lateral heat propagation. The depth of the Weld is proportional to the total power imposed on the material for a given welding speed.

Bei der Punktschweißung tritt eine Energieabgabe in der beschriebenen Weise auf, jedoch ist die Energiedichte dabei nicht hoch genug, um eine Materialbeseitigung zu bewirken. Zwischen dem Strahl und dem Arbeitsstück tritt in diesem Fall keine Relativbewegung auf.In the case of spot welding, an energy release occurs in the manner described However, the energy density is not high enough to cause material removal. In this case, there is no relative movement between the beam and the workpiece.

Es sind Untersuchungen unter Verwendung eines mit elektrischer Konvektionsentladung arbeitenden COg-Lasers durchgeführt worden, der als Verstärker in dem TEM_QO-Modus bei einer Ausgangsleistung im Bereich von 3 bis 4 kW betrieben wurde» Der Laser-Austrittsstrahl wurde auf einen Spiegel gerichtet, der so ausgerichtet war, daß ein fokussierter Strahl auf einem Arbeitsstück auftraf, das von der Hauptlaserstrahlachse versetzt angeordnet war. Dabei wurden optische Reflexionsglieder, wie der Spiegel 14 gemäß Fig_e 1 benutzt. Es sei jedoch bemerkt, daß auch Übertragungsoptiken verwendet werden können, wenn derartige Optiken, die bei den erforderlichen Leistungspegeln zu arbeiten imstande sind, zur Verfugung stehen. Investigations have been carried out using a COg laser operating with electrical convection discharge, which was operated as an amplifier in the TEM _QO mode at an output power in the range of 3 to 4 kW was aligned so that a focused beam impinged on a workpiece that was offset from the main laser beam axis. In this case, optical reflection members such as the mirror 14 were used in accordance with FIG _e. 1 It should be noted, however, that transmission optics can also be used if such optics are available which are capable of operating at the required power levels.

Der Fakussierungsspiegel bzw. Spiegel 14 kann irgendeine geometrische Form besitzen; er kann z.B. sphärisch, elliptisch,The focusing mirror or mirror 14 can have any geometric shape; it can be spherical, elliptical,

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parabolisch, oder in sonstiger Weise geeignet geformt sein, um einen scharf begrenzten Brennfleck zu erhalten. Eine sphärische Aberration infolge einer sich von der Achse entfernenden Fokussierung kann bei einem sphärischen Spiegel dadurch minimisiert werden, daß die von der Achse entfernte Stelle des Arbeitsstücks auf Winkel beschränkt wird, die kleiner sind als etwa 10°. Es können hierbei aber auch zwei Spiegel mit solcher relativen Lage und Krümmung gewählt werden, daß sich die gegenseitige Aberration aufhebt. Derartige Verfahren sind bereits an sich bekannt.be parabolic, or in some other way suitably shaped in order to obtain a sharply delimited focal point. Spherical aberration due to off-axis focusing can occur with a spherical mirror be minimized by limiting the off-axis location of the workpiece to angles that are smaller than about 10 °. It is also possible to choose two mirrors with such a relative position and curvature, that the mutual aberration cancels. Such methods are already known per se.

Das Prüfarbeitsstück wurde auf einem Drei-Achsen-Einsteiltisch angeordnet, dessen eine Achse einen motorgetriebenen Antrieb besitzt. Die Tischgeschwindigkeit wurde durch einen mit veränderbarer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl betreibbaren Antriebsmotor gesteuert. Durch einen geeigneten Aufbau wurde die Tischreibung auf einen minimalen Wert herabgesetzt, wie durch die Verwendung von Kugellagern, um die für die Erzielung von gleichmäßigen Schweißungen erforderliche gleichmäßige, ständige Bewegung hervorzurufen. The test work piece was placed on a three-axis one-step table arranged, one axis of which has a motor-driven drive. The table speed was controlled by a controlled with variable speed or speed operable drive motor. With a suitable structure the table friction is reduced to a minimum, as by the use of ball bearings to help achieve the to produce the uniform, constant movement required by uniform welds.

Es wurden Untersuchungen unter Verwendung einer Vielzahl von Metallen mit zwei unterschiedlichen Brennpunkten durchgeführt, und zwar jeweils mit und ohne Schutzgas zur Vermeidung einer Oberflächenoxydation. Dabei wurde Mit Schweißgeschwindigkeiten bis su 127 cm pro Minute gearbeitetInvestigations were carried out using a large number of metals with two different focal points, in each case with and without protective gas to avoid surface oxidation. It was with welding speeds worked up to 127 cm per minute

Die typischen Ergebnisse der betreffenden waren eine tiefgehende Schweißung₉ wie sie in Fig» 2 gezeigt ist. In Fig. 2 ist eine Stumpf schweißung bzw. Stumpf scfc^ stelle gezeigt, die mittels eines Laserstrahls bei eines 0,635 cm dicken rostfreien Stahl bei einerThe typical results of these were a deep weld ₉ as shown in FIG. In Fig. 2, a butt weld or butt scfc ^ point is shown, which by means of a laser beam at a 0.635 cm thick stainless steel at a

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keit von 127 cm pro Minute durchgeführt wurde. Die Laserleistung lag dabei im Bereich von 3 bis k kW. Die in Fig. dargestellte Schweißstelle zeigt das Durchdringen des Materials in entsprechender Weise wie in dem Fall, daß mit einem Elektronenstrahl im Vakuum gearbeitet wird. Die in Fig. 2 dargestellte Schweißung ist jedoch an der Atmosphäre ausgeführt worden, und zwar ohne den Vorteil einer schützenden Umgebung.speed of 127 cm per minute was carried out. The laser power was in the range from 3 to k kW. The weld shown in Fig. Shows the penetration of the material in a manner similar to that in the case where an electron beam is used in a vacuum. The weld shown in Figure 2, however, has been carried out in the atmosphere without the benefit of a protective environment.

Für die Erzielung von tiefgehenden Schweißungen wird ein Dauerstrichlaserbetrieb bevorzugt» Es kann jedoch auch bei einem Quasi-Dauerstrichbetrieb bei einer Frequenz von ^ 1 kHz ebenfalls gearbeitet werden. Zu diesem Zweck müssen diejenige Frequenz und Impulsdauer gewählt werden, die ein Zusammenfallen der Öffnung zwischen den Impulsen verhindern.Continuous wave laser operation is preferred to achieve deep welds. However, it is also possible to work with quasi continuous wave operation at a frequency of ^ 1 kHz. For this purpose, the frequency and pulse duration must be selected that prevent the opening from collapsing between the pulses.

Tiefgehende Schweißungen sind sowohl bei überlappten Anordnungen als auch bei stumpf aneinanderstoßenden Anordnungen erzielt worden. Diese Schweißungen zeichnen sich durch eine relativ kleine, durch Wärme beeinflußte Zone und durch ein bei 7 oder einem höheren Wert liegendes Tiefe-zu-Breite-Verhältnis aus. Wie durch Röntgenstrahlen und Zerreißproben nachgewiesen, wurden gute Verbindungen erzielt.Deep welds are common in both overlapping and butt jointing arrangements has been achieved. These welds are characterized by a relatively small heat-affected zone and by a depth-to-width ratio of 7 or higher. Like x-rays and tensile tests proven, good connections were achieved.

Es ist ferner für eine tiefgehende Laser-Schweißung wünschenswert, jedoch nicht erforderlich, daß Fokussierungsoptiken mit großem F/D-Wert (Strahlbrennweits zu Strahlöffnung) verwendet werden, so daß die innere Reflexion und Ausbreitung der Strahlenergie in dem Material auf Grund eines streifenden Strahleinfalls gesteigert werden. F/D-Werte, die größer sind als vier, werden im übrigen bevorzugt, da nämlich dann derIt is also desirable for deep laser welding however, it does not require that high F / D (beam focal length to beam aperture) focus optics be used be so that the internal reflection and propagation of the beam energy in the material due to a grazing Incidence of the beam can be increased. F / D values that are greater than four are also preferred, since then the

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Tiefenbereich entsprechend langer ist und da die Arbeitsstücklage nicht so kritisch "ist.Depth range is correspondingly longer and there the workpiece position not so critical "is.

Ist eine tiefgehende Schweißung mittels eines Laserstrahls einmal begonnen, so kann die Leistungsdichte, die Leistung, die Relativbewegung, die Tiefe der Strahleindringung bzw. -durchdringung, etc., experimentiell entsprechend den Richtlinien bestimmt werden, die bei normalen tiefgehenden Elektronenstrahl-Schweißverfahren angegeben sind.Once deep welding has been started by means of a laser beam, the power density, the power, the relative movement, the depth of the beam penetration or penetration, etc., experimentally according to the guidelines can be determined using normal deep electron beam welding processes are specified.

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Claims

.jA method for welding a material down to a desired depth without utilizing heat conduction through the material in question, characterized in that a beam (12) of coherent optical radiation is generated and focused in the vicinity of the material (16) to be welded, that the power density and the power of the beam (12) in question are adjusted depending on the material (16) to be welded so that the material (16) evaporates at the point where the beam (12) is caught in a time which is shorter than that Heat propagation time of the material (16) such that an opening is formed in the material (16) and that the jet (12) from the part of the material (16) in which the opening is formed prior to the detachment of a significant amount of material and before the formation of a cavity with solidification of the melted and re-flowing material parts is removed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the setting of the power of the beam (12) is chosen is that the beam (12) penetrates into the material (16) to the desired depth.

3. The method according to claim 1 or 2, for a seam weld, characterized in that the path of the beam (12) of the material part in which the opening has been formed, takes place in that the beam (12) in such a way is moved relative to the material to be welded (16) that the relevant opening through the material (16) is transferred to form the seam weld.

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4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a beam (12) _{occurring in the TEM QO} mode is generated as the beam (12) of the coherent optical radiation.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the setting of the power density and the power of the beam (12) is also made dependent on the reflectivity of the material (16) to be welded will.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a reduction in the performance of the Beam (12) is made after formation of the opening in the material (16) to be welded «,

7 «Method according to one of claims 3 to 6, independent of claim 1 or 2, characterized in that the Relative movement of the beam (12) and that to be welded Materials (16) made at such a rate is that the beam (12) is displaced by at least a distance which is equal to ten times the beam diameter is in the time that is required for the beam (12), the opening in the to be welded To form material (16),

8. The method according to any one of claims 3 to 5, independently of claim 1 or 2, characterized in that the Speed of movement of the beam (12) relative to the material to be welded (16) after the formation of the Opening is increased.

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9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the beam power and the Power density at the point of impact of the beam (12) can be set to a value above a Value at which a molten zone is mainly formed by heat conduction in the material (16), and below a value which leads to the formation of a cavity in the material (16), and that the material (16) laterally next to the penetrating beam (12) in its entire thickness through direct Heat transfer to form a zone of highly heated, molten material, which after the beam (12) has been removed, it melts to form a weld,

1Or method according to one of claims 1 to 9 »thereby characterized in that the beam (12) is focused such that it has a cross-sectional energy distribution, which corresponds almost to a Gaussian distribution.

11, device for carrying out the method according to one of claims 1 to 10 for the purpose of producing a deep weld in a _workpiece material, characterized in that devices (10) are provided which generate coherent optical radiation occurring in the TEM QO mode, that devices ( 14) are provided, which generate a beam (12) with a power density between 3.543 »10 and 3.543 · 10 W / cm at a power of at least 3 kW on the surface of the workpiece material (16).

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focus, and that means (20) are provided that the beam (12) from its point of impact on the material (16) after forming an opening in the relevant material (16).

12. The device according to claim 11, characterized in that the means (20) for guiding the beam away cause a relative movement between the beam (12) and the workpiece material (16).

13 · Device according to claim 11 or 12, characterized in that that the focusing devices (14) contain a mirror (14) which lies in the optical Beam (12) is arranged so that it reflects this on the workpiece material (16).

14. The device according to claim 13, characterized in that that the ratio of the focal length of the mirror (14) to the diameter of the opening of the focused beam (12) is greater than four.

15. Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the beam (12) generating Devices (10) are formed by a laser (10).

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