DE2343476A1 - Verfahren zum schweissen mit einem laserstrahl - Google Patents

Verfahren zum schweissen mit einem laserstrahl

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Description

6 Fro . ü.iüj.A .,70 28· August 1973
Union Carbide Corporation 270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017
Verfahren zum Schweißen mit einem Laser-Strahl
Die Erfindung betrifft ein Gas zum Abschirmen beim Schweißen mit einem Laserstrahl, insbesondere beim Schweißen von Werkstücken aus Stahl, wie aus kohlenstoffhaltigem Stahl, rostfreiem Stahl und vielen legierten Stählen,mit einem Laserstrahl.
Seit anfang der 50^-ziger Jahre weiß man, daß Laserstrahlen sehr gut zum Schweißen verwendet werden können; trotzdem sind sie bisher nur in geringem Umfange auf diesem Gebiet eingesetzt worden. Wegen der geringen kontinuierlichen Energie sind Laserstrahlen technisch nur dort verwendet worden, wo die üblichen Verfahren nicht einfach angewendet werden konnten. Neuerdings sind Gaslaser mit höherer Energie entwickelt worden, welche erwarten lassen, daß sie beim Schweißen sehr wirksam angewendet werden können. Verschiedene Firmen haben jetzt hochenergetische Laser mit Energie-Abgaben bis zu etwa 10 bis etwa 20 KW entwickelt.
Unerarteterweise ist festgestellt worden, daß beim Schweißen mit einem Laser mit hoher Energie-Abgabe von 2 bis etwa 10 KW Argon nicht erfolgreich zum Abschirmen der Schweißstelle verwendet werden kann. Bei der Verwendung von Argon als Abschirmgas entstand eine große, leuchtende Plasmafahne über der Schweißzone in dem liege des einfallenden Laserstrahles. Die Anwesenheit einer solchen Plasmafahne wies auf eine geringere Energieausnutzung und auf eine geringere Eindrin gungstiefe hin.
409812/0883
Es ist möglich oder wahrscheinlich, daß die Plasmafahne zusammenhängt mit der Anwesenheit von leicht ionisierbaren Metallatomen und freien Elektronen von der thermoinischen Emission oder von der thermischen Ionisation des Metalldampfes. Die freien Elektronen könnten durch das hohe elektrische Feld in der Nähe des Brennpunktes des Lasers schnell auf höhere Energie gebracht werden, und wenn sie nicht schnell durch das Abschirmgas abgekühlt werden, so könnten sie so hohe Energieniveaus erreichen, bei denen die Metallatome ionisiert werden und die Plasmafahne gebildet wird.
Daraus wurde geschlossen, daß mit zunehmender thermischer Leitfähigkeit des Abschirmgases die ISindringtiefe zunehmen könnte, und dies noch verstärkt werde durch die Anwesenheit elektronegativer Teilchen (Spezien), welche freie Elektronen einfangen.
Die wesentliche Aufgabe der Erfindung ist daher ein Abschirmgas, das beim Schweißen mit einem Laserstrahl verwendet werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Verwendung eines solchen Abschirmgases beim Schweißen von Stählen mit Laserstrahlen, z.B. beim Schweißen von kohlenstoffhaltigem Stahl, rostfreiem Stahl sehr/vieler legierter Stähle ·
Weitere Aufgaben und besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Die Figuren erläutern die Erfindung.
Die Figur 1 zeigt die Ergebnisse, die mit verschiedenen Abschirmgasen erhalten wurden.
Die Figur 2 zeigt die Ergebnisse beim Abschirmen mit heliumhaltigen Gasgemischen.
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Die Pig. 1 zeigt, daß Helium als Abschirmgas weit überlegen ist gegenüber Argon, gegenüber einem Gemisch aus Argon mit 5 $ Sauerstoff, gegenüber Stickstoff und gegenüber Luft, wobei sich luft weit besser verhielt als Argon.
Die Fig. 2 zeigt, daß die Eindringtiefe bei Verwendung von reinem Helium verbessert werden kann, wenn dem Helium Wasserstoff oder andere Gase zugesetzt werden, wie zum Beispiel sauerstoffhaltige Gase, bestimmte,Fluor enthaltende Gase, wie Dichlordifluormethan (OClpF?)· und Schwefelhexafluorid (SPg).
Beruhend auf diesen Versuchsergebnissen, die an Schweißnähten bei kohlenstoffhaltigen Stählen, rostfreiem Stahl, und einigen hochlegierten Stählen erhalten wurden, wurde festgestellt, daß mit einem Laserstrahl von 10 KW beim Abschirmen mit Helium eine vollständige Eindringtiefe von 1,25 cm in das Werkstück erreicht wurde bei einer Wandergeschwindigkeit von 32 cm/Min. Eine Sindringtiefe von 1,1 cm wurde erreicht bei einer Wandergeschwindigkeit von 62 cm/iviin, eine Kindringtiefe von 0,6 cm bei einer Wandergeschwindigkeit von 250 cm/Min
Durch den Zusatz von 10 ^ Wasserstoff zu Helium wurde die Eindringtiefe verbessert. Unter diesen Bedingungen wurden mit einem Laserstrahl von 10 KW die nachstehenden Ergebnisse erzielt:
Eine vollständige Eindringtiefe von 1,25 cm bei einer Wandergeschwindigkeit von 62 cm/Min; was eine Verbesserung von 15 i° bezüglich der Eindringtiefe, oder eine Verdoppelung der Wandergeschwindigkeit bedeutet. Bei einer Wandergeschwindigkeit von 250 cm/Min nahm die Eindringtiefe etwa Ms auf 0,6 cm zu.
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Durch den Zusatz von Sauerstoff, Kohlendioxyd,GGl2Pp un<^ SF,- zu Helium wurde die Eindringtiefe ebenfalls erhöht.
Im allgemeinen ist also gefunden worden, daß die Verwendung von Helium und heliumhaltigen Gasgemischen die Eindringtiefe des Laserstrahles in Werkstücke aus Stahl verbessert.
Im besonderen wurde gefunden, daß die Verwendung von Helium und heliumhaltigen Gasgemischen die Eindringtiefe des Laserstraheles in Werkstücke aus ~ahl bei einer Wandergeschwindigkeit bis zu 250 cm/Min erhöht.
In Abhängigkeit von den zu achweißenden Metallen sind manche Gasgemische besser,als andere. So verursacht beispielsweise Wasserstoff ein Verspröden mancher hochfester Stähle, wie beispielsweise HY-180, so daß ein Gemisch aus Helium und Wasserstoff für das Schweißen dieser Materialien mit Laserstrahlen nicht brauchbar ist.
Die obere Grenze für den Zusatz von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem heliumhaltigen Abschirmgas hängt ab von der Entstehung von Porosität, von der Rißbildung oder von übermäßiger Oxidation der Legierung, die zu einer nicht vertretbaren Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen könnten. Die genaue Grenze für die Zusätze, welche die oben erwähnten Folgen haben können, ändert sich mit den Schweißbedingungen (Wandergeschwindigkeit , Energiezufuhr, Größe des Laser-Punktes), der Form der herzustellenden Verbindung der zu schweißenden Legierung, und davon, ob gegebenenfalls Metalle zum Füllen zugesetzt werden. Genaue Grenzen können daher nicht eindeutig angegeben werden. Wahrscheinlich können unter bestimmten Bedingungen solche Zusätze in Mengen über 50 fo zugegen sein, obwohl ihre Menge unter anderen Bedingungen nur einige/Prozent erreichen kann.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zum Schweißen von metallischen Werkstücken mit einem Laserstrahl mit kontinuierlicher Energie von wenigstens 2 KW unter Abschirmung der Schweißzone mit einem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschirmen Helium oder heliumhaltiges Gasgemisch verwendet wird.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschirmen reines Helium verwendet wird.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschirmen ein Gemisch aus Helium und Wasserstoff verwendet wird.
    Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschirmen ein Gemisch aus Helium mit bis zu 10 ^ Wasserstoff verwendet wird.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschirmen ein Gemisch aus Helium ait bis zu 10 $ Sauerstoff ( Op] XCOpl ,Dichlordifludr (OC1?F2) und/oder Schwefelhexafluorid (SiV) verwendet wird.
    Verfah en nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschirmen ein Gemisch aus Helium und Sauerstoff verwendet wird.
    409812/0883
DE2343476A 1972-09-14 1973-08-29 Verfahren zum Schweißen von metallischen Werkstücken mit einem Laser-Strahl Expired DE2343476C3 (de)

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