DE2448713A1

DE2448713A1 - Laser-schweissverfahren

Info

Publication number: DE2448713A1
Application number: DE19742448713
Authority: DE
Inventors: Marco Dr Sc Nat Montanarini; Juerg Dipl Phys Dr Phi Steffen
Original assignee: Lasag AG
Current assignee: Lasag AG
Priority date: 1974-10-12
Filing date: 1974-10-12
Publication date: 1976-04-15

Description

Laser-Schweissverfahren Die vorliegende Erfindung betrifft ein material schonendes Verfahren zum Verschweissen zweier oder mehrerer Materialien mit jeweils speziellen physikalischen Eigenschaften, sowie die Anwendung des Verfahrens.
Alle Materialien weisen spezifische physikalische Eigenschaften auf. Bei vielen wird eine oder werden mehrere dieser Eigenschaften durch die durch das Verschweissen dieser Materialien mit herkömmlichen Verfahren verursachte Erhitzung verändert.
Je nach Material und Volumen des, respektive der zu verschweissenden Stücke wird ein Teil in der Umgebung der Schweisstelle oder werden die ganzen zu verschweissenden Teile in ihren Eigenschaften verändert. Dies trifft insbesondere bei den herkömmlichen Schweissverfahren wie Autogen-, Schutzgas-, Elektronenstrahl- oder Elektroschweissen zu, da bei jedem dieser Verfahren die Erhitzung und Verflüssigung der Materialien an den vorgesehenen Schweisstellen verhältnismässig lange dauert. Dadurch ergibt sich in der die Schweisstelle umgebenden Zone auch eine mehr oder weniger starke Materialerwärmung. Weiter muss festgehalten werden, dass bei allen bisher bekannten Schweissverfahren nur eine recht beschränkte Anzahl, insbesondere verschiedener Materialien verschweisst werden kann.
Es liegt somit auf der Hand, dass bis zum heutigen Tag keine Möglichkeit bestand Teile miteinander zu verschweissen, ohne zumindest in den die Schweisstellen umgebenden Zonen Veränderungen der spezifischen physikalischen Materialeigenschaften zu bewirken. Selbst die herkömmlichen Laser-Schweissverfahren schliessen dieses Risiko nicht aus, obwohl die Verflüssigung der zu verschweissenden Materialteile gegenüber den anderen herkömmlichen Verfahren relativ schnell geschieht.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Schweissverfahren besteht darin, dass es nur in ganz begrenztem Rahmen möglich ist, der Schweisstelle Elemente beizufügen, die in keinem der zu verschweissenden Materialien vorhanden sind. Dies darum, weil diese beizumischenden Elemente Schmelzpunkte aufweisen müssen, die nicht höher oder nicht wesentlich höher und auch nicht wesentlich tiefer sind als diejenigen der besagten Materialien, um eine effektive Beimischung zu realisieren. Im weiteren wird die Durchmischung erschwert, da im aufgeschmolzenen Volumen keine oder fast keine Strömung entsteht und so nur durch Diffusion geschieht. Es ist somit nur in Ausnahmefällen möglich, schlecht oder nicht miteinander verschweissbare Materialien durch Beifügen weiterer Elemente schweissbar zu machen.
Somit ist es auch ausgeschlossen, die Schweissfestigkeit mit diesem Mittel wesentlich zu verbessern.
Es ist aber in der Technik von immer grösserer Wichtigkeit, Materialien mit zum voraus genau festgelegten physikalischen Eigenschaften ohne Veränderung derselben verschweissen zu können. Ebenso wichtig ist es, Materialien miteinander verschweissen zu können, die mit herkömmlichen Mitteln nicht oder sehr schlecht verschweisst werden können, indem den Schweisspunkten vorbestimmte Elemente beigemischt werden, die je nach Bedarf die Schweissbarkeit oder Schweissfestigkeit der zu verschweissenden Materialien wesentlich erhöht und dies praktisch unabhängig von den Schmelzpunkten.
Als Beispiel seien hier nur das Aufschweissen eines SmCO5-Magneten auf die Rotorscheibe eines Synchronmotores oder das Verschweissen einer Feder lamelle mit einem Anker in einem Relais erwähnt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweissverfahren zu schaffen, mit welchem es einerseits möglich ist praktisch alle Arten von Materialien wie beispielsweise Eisenlegierungen, Federmaterialien, magnetische Materialien, Kunststoffe, Metalle, Dielektrika und Keramiken zu verschweissen, ohne die physikalischen Eigenschaften dieser Ma-Materialien ausserhalb der effektiven Schweisstellen zu verändern und selbst schlecht oder nicht miteinander verschweissbare Materialien durch lokale Beimischung vorbestimmter Elemente in die verflüssigten Volumina schweissbar zu machen. In diesem Sinne soll das gesuchte Schweissverfahren auch-erlauben die Warmrissbildung zu vermeiden und bei Bedarf die Schweissfestigkeit der miteinander zu verschweissenden Materialien zu erhöhen. Andererseits soll das erfindungsgemässe Schweissverfahren auch ermöglichen, dass die verflüssigten Elemente im grössten Teil der aufgeschmolzenen Volumina der zu verschweissenden Materialien eine innige Bindung eingehen und sich vermischen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Schweissverfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Materialien an der Schweisstelle mittels Laser-Strahlen derart aufgeschmolzen werden, dass sie sich im grössten Teil des aufgeschmolzenen Volumens vermischen, wogegen besagte Materialien ausserhalb der Schweisstelle ihre ursprünglichen physikalischen Eigenschaften bewahren.
Eine Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens zum Verschweissen zweier oder mehrerer Materialien ist dadurch gekennzeichnet, dass dem aufgeschmolzenen Volumen während dem Schweissvorgang ein oder mehrere in den zu verschweissenden Materialien nicht oder in zu geringem Masse enthaltende Elemente beigemischt werden.
Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemässen Schweissverfahrens liegen darin, dass selbst Materialien die eine schwache Erwärmung nicht ohne Veränderungen ihrer physikalischen Eigenschaften überstehen, geschweisst werden können, ohne ausserhalb der Schweisstellen auch nur die geringsten Veränderungen ihrer spezifischen physikalischen Eigenschaften zu erleiden. Zudem ist es erstmals möglich, Materialien dauerhaft und ohne Warmrissbildung mittels lokaler Beimischung vorbestimmter Elemente zu verschweissen, bei denen die diese Schweisseigenschaften bewirkenden Elemente fehlen. Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines praktischen Anwendungsbeispieles des erfindungsgemässen Schweissverfahrens hervor.
Die in der Beschreibung erwähnte Zeichnung zeigt in Fig. 1: Teile zweier nur schwer miteinander zu verschweissender Materialien vor dem Schweissvorgang, in Fig. 2: dieselben Teile welche miteinander nach einem der herkömmlichen Verfahren verschweisst wurden, in Fig. 3: dieselben nur schwer miteinander verschweissbaren Teile mit einer auf die Oberfläche des einen Teiles aufgebrachten Folie bestehend aus in die Schweissteile einzubringende Elemente und in Fig. 4: die nach einem der herkömmlichen Verfahren verschweissten Materialien gemäss Fig. 3, Fig. 5: die nach dem erfindungsgemässen Verfahren verschweissten Materialien gemäss Fig. 1, Fig. 6: die nach dem erfindungsgemässen Verfahren verschweissten Materialien gemäss Fig. 3.
Fig. 2 zeigt die typischen Nachteile der herkömmlichen Schweissverfahren. Um eine gute Durchmischung der beiden Materialien 1 und 2 im Schweissgut 3 zu erreichen ist eine lange Einwirkungsdauer ( 1 sec) erforderlich (Diffusion der beiden Materialien).
Dadurch wird einerseits die radiale Ausdehnung des Schweisspunktes gross und andererseits entstehen durch Wärmeleitung Zonen von thermisch beeinflusstem Material 4 und 5.
Fig. 4 zeigt eine typische Erscheinung bei Verwendung von Zusatzmaterial an der Oberfläche der zu verschweissenden Teile.
Das Zusatzmaterial dringt an der Schweisstelle durch Diffusion nur teilweise 8 in das Schweissgut ein und kann damit seine Wirkung nur teilweise zur Geltung bringen. Ausserdem entstehen wiederum Zonen von thermisch beeinflusstem Material 4 , 5 und 7.
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen die zu Fig. 2 und Fig. 4 entsprechenden Verhältnisse bei der Verschweissung nach dem erfindungsgemässen Verfahren. Durch die kurze Einwirkungsdauer (z 1 msec) entstehen keine thermisch beeinflussten Zonen, jedoch trotzdem ein gleichmässig durchmischtes Schweissgut 3 Angenommen die in Fig. 1 schematisch im Schnitt dargestellten Materialien seien eine Relais-Federlamelle 1 aus Duratherm 2602 (eingetragenes Warenzeichen), das aus folgenden Elementen besteht: 40 Gew. % Co, 26 Gew. % Ni, 20 Gew. % Fe, 12 Gew. % Cr, 0,2 Gew.
% Be, sowie Zusätzen an Mo, W und Ti und ein Relais-Anker 2 aus Permenorm 5000 Hz (eingetragenes Warenzeichen) bestehend aus einer Legierung von ca. 50 Gew. % Ni und 50 Gew. % Fe, die miteinander zu verschweissen seien, ergeben sich grosse metallurgische Probleme. Dies aus dem Grunde, weil die mit dem Fe verbundene Menge von Si sich bei der Rekristallisation der Mischung der beiden Materialien an den Korngrenzen in Form von Siliziumverbindungen ausscheidet. Dies wiederum bedeutet, dass die Korngrenzen geschwächt werden und sich sogenannte Warmrisse bilden.
Es ist bekannt, dass dieser Vorgang durch Beimischung von Nb in die CrNi-Legierung unterbunden werden kann, da dann das Si in der entstehenden Nickelniobidphase gebunden wird.
Da sich aber der Zusatz von Nb im Federmaterial negatif auf dessen Rissfestigkeit bei elastischer Beanspruchung auswirken kann, muss in extremen Fällen ganz darauf verzichtet werden, wie dies bei gesagtem Federmaterial Duratherm 2602 der Fall ist.
Wird ein Nb-freies Federmaterial entweder mit einem herkömmlichen oder mit dem erfindungsgemässen Verfahren verschweisst, entsteht ein Schweisspunkt 3, welcher Warmrisse aufweist und dadurch bei mechanischer Belastung entlang der Korngrenzen reisst.
Soll der Schweisspunkt aber eine hohe Schweissfestigkeit aufweisen, ohne dass dem einen oder anderen der zu verschweissenden Materialien 1 und 2 Nb beigemischt wird, muss dieses Element dem aufgeschmolzenen Volumen des Schweisspunktes 3 beigemischt werden.
Dies ist dank der Erfindung möglich, indem vor dem Schweissvorgang auf dem einen oder anderen der zu verschweissenden Materialien eine Schicht Nb 5 aufgetragen wird, wie dies aus Fig. 3 hervorgeht. Diese Schicht kann dabei als Folie ausgebildet sein, die aufgewalzt, aufgedampft, aufgalvanisiert oder lediglich aufgelegt wird. Es ist aber auch möglich, das beizumischende Nb in Form von Pulver aufzustäuben.
Um im Schweisspunkt eine effektive Vermischung der einzelnen Materialien 1, 2 und 5 zu erzielen, muss der Laser-Strahl so gesteuert werden, das im aufgeschmolzenen Volumen eine Strömung entsteht. Dies wird dadurch erreicht, dass dem aufzuschmelzenden Volumen die Schmelzenergie in einer vorgegebenen zeitlich variierenden Art und Weise zugeführt wird, die in den zu verflüssigenden Materialvolumina eine zeitliche und lokale Schwankung der Temperatur erzeugt, sodass sich die aufgeschmolzenen Materialvolumina durch Konvektion zu vermischen beginnen.
Wesentlich ist bei diesem Vorgang, dass die zeitliche Veränderung der Energiezufuhr in einem zeitlich und lokal genau definierten Rahmen grosse Temperaturgefälle zwischen erhitzten und nicht erhitzten Materialteilen erzeugt, sodass im verflüssigten Volumen eine Fliessbewegung entsteht. Um eine reproduzierbare Durchmischung der aufgeschmolzenen Elemente zu erzielen, muss der Laser-Strahl im Grundmode (TEMoo) schwingen. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde er in Pulsen von ca.
4 ms und mit einer Energie von 0,2 Joule betrieben. Eine derartige Steuerung des Laser-Strahles bringt auch den Vorteil, dass im aufgeschmolzenen Material die Wärmeausbreitung in radialer Richtung, relatif zur Achse des Laser-Strahles, gering ist, währenddem die axiale Ausbreitung gross wird. Typische Verhältnisse ~ zu Tiefe liegen bei 1 zu 10. Bei der Verwendung eines Laser-Strahles von 4 mm #, der so fokussiert wurde, dass er auf der auftreffenden Materialoberfläche einen Durchmesser von einigen um (3 - 60) aufwies, wurden Schweisspunkte einer Tiefe von ca. 1,6 mm erzeugt, deren grösster Durchmesser um 0,1 mm liegt. Dies bei einer Materialdicke des Ankers 2 von 0,4 mm und einer Nb-Folie 5 einer Stärke von ca. 4 um. Bei dieser Steuerung des Laser-Strahles wurde nebst obenerwähnten Vorteilen noch erreicht, dass während des Schweissens keine Spritzer von aufgeschmolzenem Material auftraten und die Abreissfestigkeit eines Schweisspunktes bei 800 g lag.
Aus diesem praktischen Anwendungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens zum Verschweissen zweier Materialien mit spezifischen physikalischen Eigenschaften geht hervor, was für neue Möglichkeiten zum Verschweissen verschiedenster Materialien die Erfindung eröffnet. Dies selbstverständlich nicht nur beim Verschweissen von Materialien die die Beimischung eines oder mehrerer Elemente im Schweisspunkt erfordern, sondern auch beim Verschweissen von Materialien, die diese Beimischung nicht benötigen, um Schweissungen hoher Qualität zu ermöglichen.
Das erfindungsgemässe Laser-Schweissverfahren bietet sich, der an dieses Verfahren gestellten Aufgabe gemäss, speziell überall dort an, wo bis heute aus metallurgischen oder allgemein materialtechnischen Gründen ein Schweissen unmöglich war. Insbesondere eröffnet es die Möglichkeit, Materialien mit weit auseinanderliegenden Schmelzpunkten problemlos miteinander zu verschweissen. Es ist dabei selbstverständlich, dass die oben angegebenen Werte der Laser-Leistung, der Pulsdauer etc. den jeweiligen Materialien und Anforderungen angepasst werden müssen.

Claims

Patentansprüche

n Verfahren zum Verschweissen zweier oder mehrerer Materialien mit jeweils speziellen physikalischen Eigenschaften, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Materialien an der Schweisstelle mittels Laser-Strahlen derart aufgeschmolzen werden, dass sie sich im grössten Teil des aufgeschmolzenen Volumens vermischen, wogegen besagte Materialien ausserhalb der Schweisstelle ihre ursprünglichen physikalischen Eigenschaften bewahren.
2) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem aufgeschmolzenen Volumen ein oder mehrere in den zu verschweissenden Materialien nicht oder in zu geringem Masse enthaltene Elemente beigemischt werden.
3) Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Laser-Strahlen derart gesteuert wird, dass die zeitliche und räumliche Laser-Intensität die radiale Wärmeausbreitung in den Materialien möglichst gering ist, währenddem die axiale Wärmeausbreitung begünstigt wird.
4) Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Strahlung im transversalen Grundmode (TEMoo-Mode) erzeugt wird.
5) Verfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Laser-Strahlen so gesteuert wird, dass in den Materialien eine vorgegebene zeitlich variierende Energiezufuhr entsteht, die eine zeitliche und lokale Schwankung der Temperatur erzeugt, sodass sich durch Konvektion die Materialien im aufgeschmolzenen Volumen vermischen.
6) Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeschmolzene Volumen an der Materialoberfläche einen Durchmesser von ungefähr 0,1 mm aufweist.
7) Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Strahlen in Pulsen auf die Materialien einwirken, deren Einwirkungszeit ungefähr 1 msec beträgt.
8) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Materialien, Federmaterialien, magnetische Materialien, Kunststoffe, Dielektrika und Keramiken sind.
9) Verfahren nach Patentanspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Materialien aus einer Kombination von SmCOS mit Fe bestehen.
10) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die beigemischten Elemente die Schweissbarkeit der miteinander zu verschweissenden Materialien erhöht.
11) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die beigemischten Elemente die Schweissfestigkeit der miteinander zu verschweissenden Materialien erhöht.
12) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die beigemischten Elemente die Bildung von Warmrissen verhindern.
13) Verfahren nach Patentanspruch 2, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den beigemischten Elementen um Nb, Ti, Ta und bei den zu verschweissenden Materialien um eine Fe/Ni oder eine Cr/Fe/Ni Legierung handelt.
14) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die beigemischten Elemente in Form einer lokal auf ein oder mehrere der zu verschweissenden Materialien aufgewalzte Schicht an der Schweisstelle vorhanden sind.
15) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die beizumischenden Elemente in Form einer Folie an der Schweisstelle vorhanden sind.
16) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die beizumischenden Elemente in Form von Pulver an der Schweisstelle vorhanden ist.
17) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die beizumischenden Elemente in Form einer auf eines oder mehrere der- zu verschweissenden Materialien aufgedampfte Schicht an der Schweisstelle vorhanden ist.
18) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die beizumischenden Elemente in Form einer auf eines oder mehrere der zu verschweissenden Materialien aufgalvanisierte Schicht an der Schweisstelle vorhanden ist.
19) Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 zum Verschweissen zweier oder mehrerer Materialien mit jeweils spezifischen physikalischen Eigenschaften ohne Veränderung derselben ausserhalb der durch den Schweissvorgang aufgeschmolzenen Volumina.

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