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Las erschweißen
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(Zusatzanmeldung zu P 26 47 082.6-34) Die Erfindung betrifft ein
Verfahren für die kontinuierliche Nahtschweißung von Streifen von plattenförmigem
Material bei hoher Geschwindigkeit unter Verwendung eines Laserstrahls als Energiequelle
für das SchWreißen; die Erfindung bezieht sich auch auf die Schweißkonstruktion,
die mittels dieses Verfahrens hergestellt wird.
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Zwei Bedingungen müssen erfüllt sein, damit eine Nahtschweissung an
platte;förmigem Material bei hoher gleichförmiger Geschwindigkeit durchgeführt werden
kann. Die Schweißenergie muß den Werkstücken konzentriert zugeführt werden, so daß
die Erhitzung lokal ist; außerdem muß die Schweißkonstruktion schnell gebildet werden,
bevor sich die Wärme in die Masse des Metalls ausbreitet. Bisher war die Zusammensetzung
des Materials besonders signifikant für die Kontrolle der Schweißgeschwindigkeit,
insbesondere wenn es sich um ein leitendes Metall wie Aluminium handelte. Bei konventionellem
autogenem Schweißen und Elektroschweißen ist die Schweißgeschwindigkeit selbst für
leichtes metallisches Eichmaterial (gage metal material) auf weniger als 12 m/Min.
begrenzt, denn die Erhittung
ist nicht genügend lokal, wobei sich
ein wesentlicher Teil der Wärme in der Masse des Metalls und der Umgebung verliert.
Mit Hochfrequenz-Widerstandsschweißung wird eine Geschwindigkeit von 90 m bis 120
m/Min. erreicht, aber nur in einer begrenzten Zahl von Konfigurationen, wo die Kontaktfläche
eng ist und die Schweißenergie auf die Kontaktfläche konzentriert ist. Ein Elektronenstrahl
ist eine Energiequelle hoher Dichte, aber es ist eine Vakuumausrüstung notwendig,
damit ein Strahl hoher Energiedichte über eine akzeptable Distanz erhalten wird.
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Demgemäß sind alle bekannten Schweißverfahren entweder im eigentlichen
Sinne ungeeignet für das Schweißen von Werkstücken bei einer vernünftigen hohen
Geschwindigkeit von wenigstens 30 m/Min., besonders für Werkstücke aus Aluminium,
oder sie sind wegen Begrenzungen der Konfiguration und unzweckmäßiger Erfordernisse
bezüglich der Haltevorrichtung ungeeignet.
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Es wurde gefunden, daß eine kontinuierliche Nahtschweißung zwischen
bewegten Werkstücken aus plattenförmigem Material mit Hilfe eines Laserstrahls als
Energiequelle für das Schweissen hergestellt werden kann, wenn bestimmte kritische
Bedingungen erfüllt sind. Laserstrahlen wurden bisher erfolgreich als Quellen von
Energie hoher Dichte verwendet, und zwar für tief eindringende Schweißungen und
für das Punktschweißen.
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In allen früheren Anwendungen von Lasern auf dem Gebiet des Schweißens
war es das Ziel, höhere Energie für das tiefere Eindringen bereitzustellen. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf eine spezifische minimale Energiedichte
begrenzt.
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In dem erfendungsgemäßen Verfahren ist das Durchdringen durch den
Querschnitt der Werkstücke unerwünscht und bei gewissen Anwendungen sogar abträglich.
Anders ausgedrückt, das erfindungsgemäße
Verfahren ergibt eine
geschweißte Naht zwischen den Streifen von plattenförmigem Material, die außer an
den Enden der Naht nicht sichtbar ist. Irgendein Laser kann verwendet werden, obwohl
bei verringerter Laserenergie ein Kompromiß bezüglich der SchweiBgeschwindigkeit
zu schließen ist.
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Mit Hilfe eines 1 kW C02-kontinuierlichen Lasers wurden Schweißgeschwindigkeiten
bis zu ? 50 m/Min. erreicht, wobei ausgezeichnete Schweißqualitäten erzielt wurden,
Es wurde auch gefunden, daß die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung hergestellte
Schweißkonstruktion eine "Schmelzschweissung" ist, die hier definiert wird als Koaleszenz
zwischen den Grundmaterialien, was daher rührt, daß sie in der Schmelzzone in den
geschmolzenen Zustand übergeführt werden; die Schweißkonstruktion ist weiterhin
dadurch charakterisiert, daß in dem umgebenden Grundmaterial eine von der Hitze
beeinflußte Zone fehlt. Der Terminus von der Wärme beeinflußte Zone bezeichnet jenen
Teil des Grundmetalls, welcher der Schmelzzone benachbart ist, aber nicht geschmolzen
wurde, die mechanischen Eigenschaften oder die Mikrostruktur wurde jedoch durch
die Hitze beim Schweißen geändert. Wenn mit Hilfe eines üblichen Lichtmikroskops
bei hundertfacher Vergrößerung keine Änderungen der Mikrostruktur entdeckt werden
können, dann fehlt die von der Hitze beeinflußte Zone in der Nähe der Schmelzzone.
Unter diesen Umständen wären die Änderungen in der Mikrostruktur kleiner als 10
2mm. Alle bisher bekannten Schweißverfahren fuhren zu einer Schweißkonstruktion
mit einer klar erkennbaren Zone, die von der Hitze beeinflußt ist und mit freiem
Auge gesehen werden kann. Die konventionelle Laser- und Elektronenstrahlschweißung
führt zu Schweißkonstruktionen mit einer bedeutenden Zone, die von der Hitze beeinflußt
ist und die bei 50-facher Vergrößerung mit Hilfe eines Lichtmikroskops beobachtet
werden
kann.
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Das in der Hauptanmeldung P 26 47 082.6 beschriebene Verfahren zur
kontinuierlichen Nahtschweißung von ablaufenden Bahnen aus flächigem Material besteht
aus folgenden Schritten: Wenigstens eine der ablaufenden Bahnen wird gegen die andere
bewegt, wobei sich zwischen den ablaufenden Bahnen ein konvergierender V-Spalt ausbildet
eine Normalkraft von mehr als Null Pond wird im Bereich des Punktes angewandt, an
welchem die ablaufenden Bahnen zusammenlaufen, so daß sie in innigem Kontakt aufeinander
zu liegen kommen; ein Laserstrahl in den konvergierenden V-Spalt gerichtet wird,
so daß zwischen den ablaufenden aufeinanderliegenden Bahnen eine kontinuierliche,
geschweißte Naht entsteht.
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Mit dem in der Hauptanmeldung beanspruchten Verfahren erhält man
Gegenstände mit einer dichten kontinuierlichen Schweißverbindung, welche eine die
beiden Ausgangsmaterialien verbindendf F Schweißraupe aufweist, die durch die Abwesenheit
einer durch Hitze beeinflußten Umgebungszone charakterisiert ist.
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In der Hauptanmeldung wurde beschrieben, daß der Laserstrahl innerhalb
der Symmetrieebene und eines engen Brennpunktbereiches, der sich nur vom Konvergenzpunkt
abwärts erstreckt, fokussiert sein muß,wenn der Laserstrahl optimal ausgenützt werden
soll.
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In diesem Zusammenhang bedeutet optimale Verwendung der Laserstrahlenergie",
daß eine kontinuierliche Schweißkonstruktion erzielt werden kann, und zwar bei höchstmöglicher
Geschwindigkeit und geringster Laserstrahlenergie. Die Fähigkeit, die Laserstrahlenergie
möglichst gering zu halten und dennoch schnell zu schweißen, sollte nicht unterschätzt
werden, denn sie bedeutet einen wesentlichen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber
einem System, das sonst sehr von hoher Laserstrahlenergie abhängt,um eine kontinuierliche
Schweißkonstruktion bei hoher Geschwindigkeit zu erzielen.
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In der Hauptanmeldung P 26 47 082.6 wurde weiter ausgeführt, daß die
ablaufenden und zu verschweißenden Materialbahnen im Punkte des in Form eines V-Spaltes
erfolgenden Zusammenlaufs zweckmäßigerweise durch zwei Leitelemente mit gekrümmter
Oberfläche, vorzugsweise durch zwei Walzen A und B geführt werden, durch die zur
Kontaktbildung zwischen den beiden Bahnen auch die verlangte gegenseitige Anpressung
erfolgen kann.
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Um Mißverständnisse in den folgenden Beschreibungsteilen zu vermeiden,
seien vorab einige Begriffe klargestellt: Mit "Beru~hrungspunkt" zwischen den Walzen
A und B sei derjenige Punkt bezeichnet, der sich bei vollständig unelastischen und
unverformbaren Walzen bei deren gegenseitigem parallelen Aneinanderliegen ergibt
und der auf der geraden Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Walzenachsen
liegt.
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Als Konvergenzpunkt sei derjenige Punkt bezeichnet, an dem die in
Form eines V-Spaltes zusammengeführten ablaufenden Materialbahnen (unter dem Druck
der Walzen A und B) zusammenlaufen,
d.h., der Punkt, an dem sie
zuerst in berührenden Kontakt miteinander treten.
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Bei Verwendung im wesentlichen starrer Walzen stimmt der Berührungspunkt
in etwa mit dem Konvergenzpunkt überein, wie es in Anspruch 3 der Hauptanmeldung
zum Ausdruck kommt.
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Weitere Versuche mit dem in der Hauptanmeldung beanspruchten Verfahren
haben gezeigt, daß es für eine einwandfreie Verschweißung der Materialflächen wesentlich
auf die Art und Intensität der zusammenlaufenden Materialbahnen im Konvergenzpunkt
ankommt.
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Die Untersuchungen haben ergeben, daß in manchen Fällen bei Verwendung
starrer Leitelemente oder Walzen keine optimale Verschweißung erreicht wird.
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Diese Schwierigkeit wird entsprechend der vorliegenden weiteren Ausgestaltung
der in der Hauptanmeldung beanspruchten Erfindung durch Verwendung elastischer Leitelemente
oder Walzen beseitigt.
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Durch diese Maßnahme wird der berührende Kontakt zwischen den zusammengeführten
Materialbahnen verbessert. Selbstverständlich verschiebt sich dadurch der Konvergenzpunkt
mehr oder weniger vor den Berührungspunkt. Dieser Verschiebung ist bei der Fokussierung
des Laserstrahles entsprechend Rechnung zu tragen.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Es zeigen: Fig. 1 die bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in Draufsicht, Fig. 2 eine graphische Darstellung der Qualität der Schweißkonstruktion
als Funktion der Lage des Brennpunktes, und zwar unter Verwendung von Linsen mit
zwei verschiedenen Brennweiten, wobei die anderen Verfahrensparameter vorgegeben
sind, Fig. 3a bis 3e eine vergrößerte Darstellung des konvergierenden V, das sich
zwischen den Druckrollen ausbildet, um die Wirkung der folgenden Parameter auf das
Schweißen zu verdeutlichen: Lage des Brennpunktes, Brennweite und Durchmesser der
Druckrollen, Fig. 4a-b und 5a-b Fotografien der hindertfach vergrößerten geschweißten
Naht zwischen zwei Streifen von Aluminiumplatten bei einer Geschwindigkeit von 120
m und 150 m/Min.
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Auf Fig. 1 ist die Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Zwei Streifen von plattenförmigem Material 10 und 12 werden von den
Vorratsrollen 14 und 16 in Richtung aufeinander so gezogen, daß sich ein konvergierendes
V bildet, bei dem die Streifen 10 und 12 beim Konvergenzpunkt 18 übereinanderliegen.
Die Streifen 10 und 12merden durch die Druckrollen A und B miteinander in Kontakt
gebracht.
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Der Einfachheit halber soll für die folgende Erläuterung vorerst angenommen
werden, daß die Druckrollen A und B im wesentlichen starr sind und sich nicht abflachen
oder verformen, so daß der Konvergenzpunkt 18 mit dem Berührungspunkt zwischen den
Rollen in diesem Fall zusammenfällt. Leerlaufrollen 20 und 22 können verwendet werden,
um die Streifen 10 und 12 zu handhaben und um die Spannung in den Streifen beim
Ziehen aufrechtzuerhalten. Obwohl jedes Plattenmaterial 10 und 12 nach Fig. 1 aus
einem gewickelten Streifen kontinuierlicher Länge besteht, versteht es sich von
selbst, daß die Streifen des plattenförmigen Materials 10 und 12 nicht auf Streifen
kontinuierlicher Länge beschränkt sind. Wenn die Streifen des plattenförmigen Materials
eine im voraus bestimmte begrenzte Länge aufweisen, wäre eine andere Ausgabevorrichtung
nötig, um die Streifen zu verarbeiten, und zwar vorzugsweise nacheinander durch
die Druckrollen A und B. Es sind Abwickelvorrichtungen bekannt, die mit einer konventionellen
Ausrüstung verwendet werden können, um kontinuierlich und in kontrollierten Zeitintervallen
streifenförmiges Material begrenzter Länge entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
einzuführen.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Streifen
10 und 12 aus irgendeinem Metall oder Kunststoff bestehen, obwohl die Zusammensetzung
jedes Materials verträglich sein muß. Die Eigenschaften des Plattenmaterials, wie
z.B.
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seine Leitfähigkeit und sein thermisches Diffusionsvermögen
bedeuten
keine Einschränkung. Demgemäß eignet sich das Verfahren besonders für das Schweißen
von leitenden Metallen wie Aluminium und Kupfer. Zudem ist die Dicke des Materials
nur begrenzt durch Gesichtspunkte der praktischen Handhabung und der Geschwindigkeit.
Plattenmaterial der Dicke von nur 0,25 mm bis zu einer Plattendicke von 6 mm kann
mit Hilfe des erfin.
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dungsgemäßen Verfahrens leicht geschweit werden.
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Die Streifen 10 und 12 werden durch die Druckrollen A und B durch
die Greifvorrichtungen 24 und 96 gezogen, welche die Streifen unterhalb des Konvergenzpunktes
18 ziehen und ebenso entlang eines im voraus bestimmten und vorzugsweise unveränderlichen
Weges in Richtung des Pfeiles in Fig. 1. Obwohl es vorzuziehen ist, die Streifen
10 und 12 durch die Druckrollen A und B von unterhalb zu ziehen, können die Streifen
auch von einem Punkt oberhalb der Druckrollen zugeführt werden; alternativ können
die Druckrollen selbst angetrieben werden.
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Die Geschwindigkeit, mit der die Streifen durch die Rollen A und B
gezogen werden, ist eine Verfahrensvariable, die in einer noch zu diskutierenden
Weise beeinflußt wird.
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Eine konventionelle Quelle 30 für Laserenergie erzeugt einen Laserstrahl
32, der optisch durch eine Linse 34 oder irgendein anderes optisches Medium fokussiert
wird, und zwar auf das konvergierende V, das aus den bewegten Streifen 10 und 12
gebildient ist. Die Energie des Laserstrahls 32 ist kein kritischer Faktor für die
Erzeugung einer geschweißten Naht zwischen den bewegten Streifen; sie ist jedoch
eine der regelnden Variablen bei der Bestimmung der maximalen Geschwindigkeit, mit
der eine kontinuierliche Schweißung ausgeführt werden kann. Für irgendeinen
Laser
gegebener Energie besteht eine optimale Beziehung zwischen Brennweite, Lage des
Brennpunktes in Bezug auf den Konvergenzpunkt, Durchmesser des Strahls, Orientierung
des Strahls, Durchmesser der Druckrolle und Schweißgeschwindigkeit, welche eine
Schweißung akzeptabler Qualität erzeugt. Die richtige Fokussierung des Laserstrahls
32 auf das konvergierende V ist wesentlich , wenn man überhaupt eine Schweißung
erhalten will, abgesehen von der Energie des Lasers. Zudem kann durch eine richtige
Fokussierung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren eine optimale Ausnützung
der Laserenergie erreicht werden. Das Fokussieren des Laserstrahls wird ausführlich
in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 diskutiert.
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Die Druckrollen A und B haben eine kritische Funktion in Verbindung
mit dem richtigen Fokussieren des Laserstrahls, bei der praktischen Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Es wurde gefunden, daß die Streifen 10 und 12 beim Konvergenzpunkt
18 in innigem Kontakt miteinander sein müssen; zudem muß an dieser Stelle wenigstens
eine Nominal-Druckkraft gegen die Streifen ausgeübt werden. Das völlige Fehlen einer
Druckkraft führt dazu, daß eine kontinuierliche Schweißung zwischen den bewegten
Streifen selbst bei herabgesetzten Geschwindigkeiten und anderen optimalen Verfahrensvariablen
nicht durchgeführt werden kann. Die Größe der Kompressionskraft scheint nicht signifikant
zu sein, vorausgesetzt, daß wenigstens irgendein positiver Druck ausgeübt wird.
Ein zu großer Druck ist nachteilig und kann zu einer Verformung führen.
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Es versteht sich, daß die Schweißung, die zwischen den bewegten Streifen
ausgebildet wird, in dem Maße, wie die Streifen vorwärtsbewegt werden, kontinuierlich
sein muß. Ein Mangel an
Kontinuität der Naht bedeutet, daß überhaupt
keine Schweißung entstanden ist. Die Kontinuität der Schweißung kann mit freiem
Auge festgestellt werden oder indem die Naht durch Druck auf undichte Stellen geprüft
wird. Offensichtlich hängt die Qualität der Schweißung davon ab, daß wenigstens
gewisse minimale Druckerfordernisse erfüllt sind, die von der Anwendung der geschweißten
Streifen abhängen.
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Die Druckrollen A und B sind vorzugsweise konventionelle Quetschwalzen
mit einem kreisförmigen Umfang und von bestimmter Elastizität. Auch andere Vorrichtungen
können verwendet werden, vorausgesetzt, daß diese Vorrichtungen eine gekrümmte Kontur
annehmen, sobald sie den Konvergenzpunkt erreichen. Für eine bilaterale Schweißsymmetrie
sind die Durchmesser der Druckrollen A und B gleich.
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Die Fig. 2 und 3 verdeutlichen die Wichtigkeit des Fokussierens und
des Durchmessers der Druckrollen A und B für die Qualität der Schweißung.
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Um eine Schweißung zu verwirklichen, muß der Laserstrahl auf das konvergierende
V fokussiert werden, und zwar im wesentlichen oberhalb des Konvergenzpunktes.
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Wie bereits oben erwähnt, kann bei Verwendung im wesentlichen inkompressibler
Druckrollen A und B angenommen werden, daß der Konvergenzpunkt mit dem Berührungspunkt
zusammenfällt. Bei der praktischen Anwendung werden jedoch vorzugsweise elastische
Druckrollen verwendet, die sich im Berührungsbereich mit den Materialbahnen 10 und
12 verformen oder abflachen. Die Verformung oder Abflachung der Rollen bewirkt,
daß sich der Konvergenzpunkt, an dem die Streifen 10 und 12 zusammenlaufen, tatsächlich
vom
Berührungspunkt der Rollen wegverlagert, so daß der Konvergenzpunkt zwischen den
Streifen 10 und 11 in Bezug auf die Ablaufrichtung tatsächlich vor dem Berührungspunkt
liegt.
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Die Breite, die für das Fokussieren des Laserstrahles genommen wird,
hängt hauptsächlich ab von der Brennweite, dem Durchmesser des Strahls, dem Durchmesser
der Abquetschwalze und von der zu erreichenden Geschwindigkeit. Die Fig. 2 und 3a
bis 3e enthalten die Resultate einer Anzahl von Versuchen, die mit einem 1 kW kontinuierlichen
C02-Laser der Wellenlänge 10,6 Mikron durchgeführt wurden; der Ausgangsstrahl (TEMOO~-Mode)
hat einen Durchmesser von 1,25 cm; dieser Strahl wurde durch optische Linsen der
Brennweite 6,25 cm und 9,37 cm auf einen Brennpunkt mit dem Durchmesser von ungefähr
0,1 mm bei den Brennpunkten fl, f2 und f3 fokussiert. Eine weitere Anzahl von Brennpunkten
bezüglich des Berührungspunktes wurden verwendet, um die graphische Darstellung
in Fig. 2 zu erhalten.
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Extrapolation der Daten in Fig. 2 und 3 zeigt die Bedeutung der folgenden
Kriterien für eine kontinuierliche, schnelle Nahtschweißung, mit einer Geschwindigkeit
von wenigstens 30 m/Min: a) der Laserstrahl sollte im wesentlichen entlang der "Symmetrieebene"
eingeführt werden, welche als eine Ebene durch den Berührungspunkt 18 zwischen den
Druckrollen A und B definiert ist, die senkrecht zu der kürzesten Verbindung zwischen
den Mittelpunkten der Achsen der Rollen A und B verläuft und diese Verbindung schneidet.
Wenn der Laserstrahl außerhalb der Symmetrieebene liegt, aber in einer Ebene, die
parallel zur Symmetrieebene ist, wird eine nicht-symmetrische Schweißung zwischen
den Streifen gebildet. Das Ausmaß der Asymmetrie ist direkt proportional zu der
Abweichung von der
Symmetrieebene. Aber die Lage des Strahls innerhalb
der Symmetrieebene ist über einen weiten Bereich bis zu wenigstens + 300 einstellbar,
vorausgesetzt, daß der Brennpunkt relativ genau aufrechterhalten wird, wie im folgenden
erklärt wird; b) wenn eine optimale Ausnützung des Laserstrahls nicht erforderlich
ist und der Laserstrahl genügend Energie enthält, dann kann der Brennpunkt im wesentlichen
über dem Konvergenzpunkt 18 liegen. Wenn jedoch eine optimale Ausnützung erwünscht
ist, sollte der Brennpunkt des Lasers innerhalb eines engen Brennpunktbereiches
aufrechterhalten werden, der im wesentlichen vom Konvergenzpunkt bis zu einer Stelle
abwärts davon reicht. Der Ausdruck optimale Verwendung" bezeichnet die Fähigkeit,
eine kontinuierliche Schweißung bei höchstmöglicher Geschwindigkeit und bei möglichst
geringer Laserstrahl energie zu verwirklichen. Die Lage des Brennpunkts bezüglich
des Berührungspunktes als Funktion des Druckes ist in Fig. 2 dargestellt für eine
Linse der Brennweite 6,25 cm und 9,37 cm, wobei der Durchmesser des Strahls 1,25
cm beträgt. Die in Fig. 2 gezeigte Kurve stellt den Fall dar, bei dem die Druckrollen
A und B inkompressibel sind und der Berührungspunkt und der Konvergenzpunkt daher
zusammenfallen.
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Wenn dies nicht der Fall ist, kann die Lage des Brennpunktes nicht
auf den Berührungspunkt bezogen werden, wie in Fig. 2, sondern muß direkt auf den
Konvergenzpunkt bezogen werden.
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Der Brennpunktbereich innerhalb dessen eine akzeptable, kontinuierliche,
unterbrochene geschweißte Naht zwischen bewegten Streifen hergestellt wird, variiert
entsprechend
den Anderungen der anderen Verfahrensparameter. Für
den hier beschriebenen 1 kW C02-Laser, der innerhalb der Symmetrieebene auf zwei
bewegte Aluminiumstreifen (Geschwindigkeit wenigstens 120 m/Min., Druckrollen A
und B mit einem Durchmesser von 2,8 cm) fokussiert wird, ist der akzeptable Brennpunktbereich
nur ungefähr 1,75 mm breit für die Linse mit einer Brennweite von 6,25 cm und ungefähr
3,25 mm für die Linse mit der Brennweite von 9,37 cm. Es ist interessant und überraschend,
daß sich der Bereich des Brennpunktes nur vom Berührungspunkt abwärts erstreckt.
Der Bereich des Brennpunktes kann dadurch erweitert werden, daß der Durchmesser
der Druckrollen A und B verringert wird und/oder die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder
die Energie des Laserstrahls oder die Brennweite oder beide Faktoren erhöht werden.
Es wird jedoch angenommen, daß bei einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit eine annehmbare
Schweißung zwischen den Streifen nicht hergestellt werden kann, ohne daß der Strahl
auf einen Brennpunkt im wesentlichen am Konvergenzpunkt fokussiert wird oder jenseits
des Konvergenzpunktes, d.h. davon abwärts selbst mit einem Laserstrahl wesentlich
höherer Energie;
c) der Eintritt eines Laserstrahls konischer Geometrie
in ein konvergierendes V aus den vorangleitenden Streifen des Materials 10 und 12
kann den Strahl in Abhängigkeit von der Größe des konvergierenden Lichtbündels,
d.h.
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der Brennweite, der Lage des Brennpunktes und des Durchmessers der
Druckrolle verkürzen. Für die oben bezeichneten Lagen des Brennpunktes war eine
Verkürzung des Laserstrahls durch die Druckrollen unvermeidbar. Unter gewissen Umständen
kann das Verkürzen sogar erwünscht sein. Wenn der Laserstrahl die Druckrolle trifft,
wird ein Teil der Laserenergie in das konvergierende V und daher auch in die aktive
Schweißzone reflektiert, ein Teil wird von den bewegten Streifen absorbiert und
erscheint als Wärme und ein Teil wird diffus gestreut und geht so verloren. Je weiter
vom Konvergenzpunkt entfernt das Verkürzen erfolgt, desto mehr Laserenergie geht
verloren.
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Die Beziehung zwischen dem Verkürzen, wenn es überhaupt erfolgt, der
Lage des Brennpunktes, dem Durchmesser der Druckrolle und der Brennweite wird in
den Fig, 3a bis 3e gezeigt, wo der Durchmesser der beiden Rollen A und B zwischen
einem Wert von 2,8 cm und 5 cm variiert wurde; die optische Linse 34 wurde entlang
der optischen Achse verschoben und die Brennweite variierte von 6,25 cm bis 9,37
cm, wobei der Brennpunkt an den Positionen fl, f2 und f3 entstand. Es versteht sich,
daß der Durchmesser der Druckrollen A und B auch die zusätzliche
Dicke
der Streifen 10 und 12 umfaßt. Der Durchmesser des Laserstrahls betrug in jedem
Fall 1,25 cm. Für die Brennpunktposition fl, die abwärts vom Berührungspunkt 18
eine Grenze bildet, wie aus den Fig. 3a und 3b hervorgeht, erfolgte das Verkürzen
beim Punkt C, und zwar mit den Druckrollen A und B vom Durchmesser 2,8 cm und einer
Linse der Brennweite 6,25 cm wie aus der Fig. 3a hervorgeht; beim Punkt D erfolgt
die Verkürzung, wobei Druckrollen A und B vom Durchmesser 5 cm verwendet wurden
und die Linse derselben Brennweite wie in Fig.
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3b gezeigt wird. Mit einer Brennpunktposition f2, welche wie in Fig.
3c gezeigt, am Berührungspunkt 18 einen Abschluß bildet, erfolgte die Verkürzung
beim Punkt E, und zwar unter Verwendung inner Linse der Brennweite 6,25 cm und der
Druckrollen A und B vom Durchmesser 5 cm. Mit einem Strahl vom Durchmesser 1,25
cm und einer Linse der Brennweite 9,37 cm,deren Brennpunkt,wie aus Fig. 3b hervorgeht,bei
f1 liegt, und unter Verwendung der Druckrollen A und B vom Durchmesser 2,8 cm erfolgte
die Verkürzung am Punkt F, der näher am Berührungspunkt liegt als die Punkte C,
D und E. Daraus folgt, daß die Verkürzung des Strahls dadurch verringert werden
kann, daß die Brennweite vergrößert wird. Die empirische Bewertung der Schweißungen
in den Fig. 3a bis 4b zeigt, daß für eine Linse mit einer Brennweite von 6,25 cm
eine bessere Qualität der Schweißung erreicht wird, wenn Druckrollen mit einem kleineren
Durchmesser verwendet werden; für eine Linse mit einer Brennweite von 8,75 cm ergab
sich über einen breiteren Bereich eine überlegene Schweißung, wenn Druckrollen mit
kleinerem Durchmesser verwendet wurden. Unter sonst gleichen Bedingungen führen
also Druckrollen mit einem kleineren Durchmesser zu einer besseren Energieausnützung.
Wenn die Verkürzung genügend nahe am Konvergenzpunkt
erfolgt,
leitet die V-förmige Geometrie die Laserenergie in die Schweißzone. Die dritte Brennpunktposition
f3 wurde mit Hilfe eines Strahls vom Durchmesser 1,25 cm bewirkt, wie aus Fig. 3e
hervorgeht, mit einer Linse der Brennweite 6,25 cm und Druckrollen A und B vom Durchmesser
2,8 cm;der Punkt f3 begrenzt einen Ort gerade kurz vor dem Berührungspunkt 18, d.h.
etwas aufwärts vom Berührungspunkt. Ungeachtet der Tatsache, daß keine Verkürzung
erfolgt und der Brennpunkt nahe am Berührungspunkt 18 liegt, konnte hier keine kontinuierliche
Schweißung erzielt werden. Demgemäß ist die Energie des Laserstrahls nicht annähernd
so wichtig für die Erzielung einer kontinuierlichen Schweißung wie die Lage des
Brennpunktes, die Größe des konvergierenden Lichtkegels, welche durch die Brennweite
bestimmt wird und der Durchmesser des Strahls und der Durchmesser der Druckrollen,
die in den Absätzen (a), (b) und (c) erläutert wurde, wenn eine optimale Ausnützung
der Laserstrahlenergie erforderlich ist. Zudem gestatten die Eigenschaften der Geometrie
des konvergierenden V eine effektivere Absorption der Laserstrahlenergie, was zu
einer höheren Schweißgeschwindigkeit führt und eine Zusammenballung des geschweißten
Materials verhindert. Die Zusammenballung ist ein Problem, das bei Verfahren zur
Verschweißung von Ecken auf dünnem Material auftritt.
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Die obige Erörterung hat zur Voraussetzung, daß die Rollen A und B
unelastisch sind. Falls, wie vorzugsweise der Fall, elastische Rollen verwendet
werden, kann der Brennpunkt vor den Berührungspunkt verlagert werden, wodurch die
Verkürzung verringert wird, dennoch kann der Brennpunkt in oder hinter dem Konvergenzpunkt
gehalten werden, Dies trägt dazu bei, daß die Verkürzungsstelle ausreichend dicht
am Konvergenzpunkt gehalten werden kann, in ähnlicher Weise wie durch die Vergrößerung
der Brennweite oder die Verringerung des Rollendurchmessers. Eine zu starke Verkürzung
ist unerwünscht, da es zu einem unnötigen Vorheizen von großen Materialbereichen
führt, die überhaupt nicht verschmolzen werden sollen.
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Fotografien der Schweißkonstruktionen, die entsprechend dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt wurden, und zwar unter Verwendung des 1kW C02-Lasers und unter
Bedingungen, welche den oben diskutierten Kriterien genügen, werden in den Fig.
4a bis 4b und 5a bis 5b gezeigt, und zwar für Aluminiumstreifen der Dicke 0,15 mm,
wobei die Fig. 4a bis 4b die Schweißung zeigen, welche bei einer Schweißgeschwindigkeit
von 120 m erhalten wurde; die Figuren 5a bis 5b zeigen die Schweißkontruktion,
die
bei einer Schweißgeschwindigkeit von 150 m/Min. erhalten wurde. Die Fotografien
wurden mit einem konventionellen optischen Mikroskop bei hundertfacher Vergrößerung
aufgenommen. In jedem Falle hat die Schweißkonstruktion eine Mikrostruktur, die
für alle Schmelzschweißungen charakteristisch ist, aber bei dieser Vergrößerung
ist eine von der Hitze beeinflußte Zone nicht zu sehen. Eine von der Hitze beeinflußte
Zone ist, wie früher bereits bemerkt wurde, normalerweise mit blossemAuge zu sehen.
Beide Fig. 4 und 5 zeigen die Schweißkonstruktion der Länge nach, um die Kontinuität
der Schweißung entlang der Länge der Naht zu zeigen; auch der Querschnitt wird gezeigt.
Der Querschnitt der Schweißung, die bei einer Geschwindigkeit von 120 m/Min. erhalten
wurde, ist gleichförmiger als die Schweißung, die bei einer Geschwindigkeit von
150 m/Min. erhalten wurde, wie sich aus dem Vergleich der Fig. 4b und 5b ergibt.
Beide Schweißkonstruktionen sind symmetrisch und haben eine Dicke, die nur einen
Bruchteil der Dicke des Streifens beträgt. Die Dicke der Schweißkonstruktion ist
im wesentlichen unabhängig von der Dicke des Streifens.
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Die oben angeführten Beispiele betreffen Streifenmaterial aus Aluminium.
Auch Streifenmaterial anderer Zusammensetzungen wurde geprüft, wobei sich ergab,
daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Kohlenstoffstahl, rostfreien Stahl,
Kupfer, Messing und andere Materialien angewendet werden kann, die durch Kombination
der hier aufgeführten Metalle entstehen; in allen Fällen ergaben sich befriedigende
kontinuierliche Schweißungen. Demgemäß ist die vorliegende Erfindung nicht
auf
ein Streifenmaterial bestimmter Zusammensetzung beschränkt.
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Abgesehen von rostfreiem Stahl und Kohlenstoffstahl zeigte keine Schweißkonstruktion
eine von der Hitze beeinflußte Zone.
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Es versteht sich, daß bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung
viele Variationen möglich sind. Fig. 1 beschreibt das bevorzugte System, bei welchem
der Laserstrahl im wesen~ lichen innerhalb der Sp.metrieebene liegt und seine Hauptvektorkomponente
in Ausbreitungsrichtung zeigt; eine andere Ausführungsform bestünde darin, die Streifen
so zu legen, daß sich eine V-förmige Konfiguration ergibt und die Streifen bezüglich
des Laserstrahls so zu bewegen, daß die Hauptvektorkomponente des Strahls senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung steht.
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Eine kontinuierliche Nahtschweißung wird zwischen zwei Streifen eines
plattenförmigen Materials hergestellt, während die Streifen bewegt werden, daß zwischen
den bewegten Streifen eine V-förmige Anordnung hergestellt wird, beim Konvergenzpunkt
ein Druck angewendet wird und der Laserstrahl in das konvergierende V fokussiert
wird.