DE2734759A1

DE2734759A1 - Laserstrahl-schweissgeraet

Info

Publication number: DE2734759A1
Application number: DE19772734759
Authority: DE
Inventors: Charles Michael Sharp
Original assignee: BOC Ltd
Current assignee: BOC Ltd
Priority date: 1976-08-03
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1978-02-09
Also published as: JPS5340661A; GB1542128A; FR2360376A1; JPS6110233B2; US4128753A

Description

W. 881

Augsburg, den 1. August 1977

BOC Limited,
Hammersmith House, London W6 9DX, England

Laserstrahl-Schweißgerät

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahl-Schweißgerät nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei der Herstellung tiefer Schweißnähte unter Verwendung eines Laserstrahls bildet sich gewöhnlich eine verdampftes Metall und ionisiertes Schweißgas enthaltende

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Plasmawolke über der Schweißzone zwischen den miteinander zu verschweißenden Werkstücken und dem Kopf des Schweißgeräts. Diese Plasmawolke absorbiert einen Teil der Energie des Laserstrahls, da dieser die Plasmawolke durchdringen muß, bevor er auf die Schweißzone auftrifft· Dadurch wird die aus dem Laserstrahl für die Schweißung verfügbare Energiemenge herabgesetzt.

Es ist schon vorgeschlagen worden, ein zwischen dem Kopf des Schweißgeräts und den Werkstücken endendes Rohr zu verwenden, durch welches ein quergerichteter Gasstrahl auf das Plasma geleitet wird, um die Plasmawolke aufzulösen. Dabei muß jedoch der Nachteil in Kauf genommen werden, daß durch den quergerichteten Gasstrahl Umgebungsluft in die Schweißzone mit hineingezogen wird, was zur Porosität der Schweißnaht und/oder zu Veränderungen der Schweißnahtzusammensetzung infolge von Oxidation führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere, nicht mit dem eben genannten Nachteil behaftete Möglichkeit der Beseitigung der genannten Plasmawolke zu finden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

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Unter dem verwendeten Ausdruck "Schutzgas" ist ein Gas zu verstehen, das die Schweißzone vor dem Zutritt von Umgebungsluft schützt und mit den Bestandteilen der Schmelze in der Schweißzone nicht reagiert und die Schweißung auch nicht in anderer Weise ungünstig beeinflußt. Ein bevorzugtes Schutzgas ist Helium.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung verläuft der Endabschnitt des erstgenannten Kanals im Betrieb bis zu einer kurz vor den zu verschweißenden Werkstücken gelegenen Stelle, wodurch die Abschirmung der Schweißzone gegen den Zutritt von Umgebungsluft unterstützt wird. Außerdem ist die Lage der Ausmündungsstelle des weiteren Kanals in den erstgenannten Kanal so gewählt, daß der quergerichtete Schutzgasstrahl so auf das Plasma auftrifft, daß im wesentlichen keine Luft in die Schweißzone hineingebracht wird.

Das Schweißgerät kann auch Abschirmmittel aufweisen, d.h. den Zugang von Umgebungsluft zur Schweißzone beschränkende Mittel, die fest am Gehäuse angeordnet sind und von einer im Endabschnitt des erstgenannten Kanals gebildeten öffnung aus in der gewünschten Strömungsrichtung des Schutzgases und des Plasmas durch diese öffnung verlaufen,

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Zur Fokussierung des Laserstrahls kann entweder eine durchlässige Optik oder eine reflektierende Optik Anwendung finden. Beispielsweise können die Mittel zur Fokussierung eine im erstgenannten Gehäusekanal angeordnete Linse oder einen außerhalb des Gehäuses angeordneten konkaven Spiegel aufweisen. Im ersteren Fall kann das Gehäuse einen Einlaß für unter Druck stehendes Schutzgas enthalten, der zwischen der Linse und dem Endabschnitt des erstgenannten Kanals in diesen ausmündet, so daß ein Schutzgasstrom in den erstgenannten Kanal hineingeleitet werden kann, um die Schweißzone abzuschirmen. Dieses Schutzgas kann auch zur Kühlung der Linse und zum Schutz der Linse vor Dampf und Spritzern aus der Schweißzone dienen.

Ferner kann das Schweißgerät Klemmvorrichtungen zum Aufspannen von zu verschweißenden Werkstücken auf eine Halterung aufweisen. Die Oberflächen der Klemmvorrichtungen sind dabei komplementär mit Oberflächen des Gehäuses ausgebildet, so daß die Oberflächen des Gehäuses und der Klemmvorrichtungen im Sinne einer Beschränkung der Zugangsmöglichkeit von Umgebungsluft in die Schweißzone miteinander zusammenwirken können. Das Gehäuse und die Klemmvorrichtungen können relativ zueinander beweglich sein, wodurch eine kontinuierliche

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Schweißnaht zwischen zwei mittels der Klemmvorrichtungen gehaltenen Werkstücken herstellbar ist. In diesem Fall können längsverlaufende Flächen der Klemmvorrichtungen komplementär zu seitlichen Flächen des Gehäuses ausgebildet sein, so daß diese Flächen während der gesamten Relativbewegung zwischen dem Gehäuse und den Klemmvorrichtungen im Sinne einer Beschränkung des Umgebungsluftzutritts zur Schweißzone zusammenwirken.

Die Stelle der Ausmündung des genannten weiteren
Kanals im Gehäuse in den erstgenannten Kanal ist dabei mit Bezug auf die Relativbewegungsrichtung zwischen
dem Gehäuse und den Klemmvorrichtungen so gewählt, daß der quergerichtete Schutzgasstrahl aus dem weiteren
Kanal jeweils über die zuletzt hergestellten Schweißnahtbereiche strömt.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Schweißgerät nach der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch das in Fig. 1 gezeigte Schweißgerät,

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und

Pig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Schweißgeräts nach der Erfindung.

In allen Darstellungen sind zur Bezeichnung gleicher Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Die Pig. 1 und 2 zeigen ein Laserstrahl-Schweißgerät mit einem Gehäuse 10, das aus drei miteinander verschraubten Gehäuseteilen 11, 12 und 13 besteht. Durch in allen drei Gehäuseteilen hergestellte Bohrungen ist ein vertikal durch das Gehäuse verlaufender Kanal I¹J gebildet, der einen optischen Weg für einen Laserstrahl 15 darstellt, der beispielsweise von einem 2-kW-Kohlendioxidlaser erzeugt wird. Eine in dem den Gehäuseteil 11 durchdringenden Abschnitt des Kanals angeordnete Linse 16 fokussiert den Laserstrahl auf die Stoßstelle zwischen zwei stumpf miteinander zu verschweißenden Werkstücken 17 und 18.

Die Linse 16 bildet zusammen mit dem innerhalb des Gehäuseteils 11 verlaufenden Abschnitt des Kanals Ik eine Kammer 19, in welche durch einen Einlaßkanal 20 unter Druck stehendes Heliumgas eingeleitet wird. Durch

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den Auslaß der Kammer 19, der durch den Endabschnitt 21 des Kanals 14 im Bereich der Gehäuseteile 12 und 13 gebildet ist, tritt ein Heliumstrom aus.

Das Helium füllt zunächst die Kammer 19 aus und kommt mit der Linse 16 in Berührung, wodurch diese gekühlt und auch vor Dampf und Spritzern aus der Schweißzone geschützt wird. Der aus dem Kammerauslaß austretende Heliumstrom trifft auf die Schweißzone auf und schirmt diese gegen ein Eindringen von Umgebungsluft ab.

Das Gehäuseteil 13 ragt bis nahe an die Werkstücke, heran, auf welche der Laserstrahl fokussiert ist« Die durch den Laserstrahl erzeugte, eine große Eindringtiefe aufweisende Schweißung erzeugt über der Schweißzone eine aus Metalldampf und ionisiertem Schweißgas bestehende Plasmawolke, die sich in den, den Gehäuseteil 13 durchdringenden Abschnitt des Kanals 14 hinein erstreckt.

Durch das Gehäuseteil 13 hindurch verläuft eine Bohrung 22 mit geringem Durchmesser und mündet in den Endabschnitt des Kanals 14 aus. Diese, einen weiteren Kanal bildende Bohrung 22 steht mit einem Gaseinlaß 23 im Gehäuseteil 12 über einen Verbindungskanal 24 in Verbindung. Dem Einlaß 23 wird Helium unter Druck zuge-

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führt, um einen eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasstrahl zu erzeugen, der durch die Bohrung 22 hindurch quer in den Kanal I^ eingeleitet wird, wo er auf die genannte Plasmawolke auftrifft und diese durch einen diametral gegenüber der Ausmündung der Bohrung 22 in der Wandung des Kanals 14 im Gehäuseteil 13 gebildeten Schlitz 25 wegspült. Da die Schweißzone und das Plasma durch das Gehäuseteil 13 im wesentlichen vollständig umschlossen sind, besteht keine oder nur sehr geringe Wahrscheinlichkeit des Hineinziehens von Umgebungsluft durch den schnell strömenden Heliumstrahl.

Die Werkstücke 17 und 18 sind mittels Klemmvorrichtungen 26 und 27 auf einen genuteten Tisch 28 aufgespannt, der beispielsweise mittels einer Zugspindel unter dem Gehäuse 10 vorbei horizontal in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Pfeiles verschiebbar ist, so daß eine kontinuierliche Schweißnaht zwischen den beiden Werkstücken herstellbar ist.

Die Strömungsrichtung des schnell strömenden Heliumstrahls aus der Bohrung 22 verläuft derart entlang der Schweißnaht, daß er jeweils zuerst die zuletzt hergestellten Schweißnahtbereiche überstreicht, die noch teilweise geschmolzen sind. Dadurch wird Luft von

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diesen Bereichen ferngehalten. Bei der oben beschriebenen Konstruktion braucht der Schlitz 25 nur verhältnismäßig kurz zu sein, um das Bohren der Bohrung 22 zu erleichtern. Der Schlitz 25 ist deshalb durch ein gesondertes Abschirmungsteil 30 verlängert, das am Gehäuseteil 12 angeschraubt ist.

Die einander gegenüberliegenden Längsflächen der Klemmvorrichtungen 26 und 27 sind gemäß Fig. 2 abgestuft und somit komplementär zu den Seitenflächen des Gehäuses 10 ausgebildet, so daß nur schmale Zwischenräume zwischen diesen Flächen vorhanden sind. Diese Flächen wirken deshalb im Sinne einer Beschränkung des Umgebungsluftzutritts zur Schweißzone miteinander zusammen.

Bei einer praktischen Ausführungsform des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Geräts beträgt der Durchmesser des Endabschnitte des Kanals 14 im Gehäuseteil etwa 6 mm, der Durchmesser der Bohrung 22 etwa 2 mm, und der Heliumdurchsatz durch den Einlaß 20 und die Bohrung 22 etwa 5 l/min· Die relativen Strömungsmengen des in die Einlasse 20 und 23 eingeleiteten Gases müssen natürlich sorgfältig gewählt werden, um zwar eine bestmögliche Plaemaabspülung zu erreichen, jedoch auch einen ausreichenden Schutz der Linse 16 sicherzustellen.

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Pig· 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schweißgeräts, bei welcher der Laserstrahl 15 nicht mittels einer Linse, sondern mittels eines goldbeschichteten konkaven Spiegels 29 fokussiert wird, der außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet ist. Bei dieser Konstruktion besteht das Gehäuse aus zwei durchgebohrten Teilen, die zusammen einen vertikalen Kanal 14 mit kleinerem Durchmesser als bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 bilden. Es ist wiederum eine Bohrung im Gehäuse vorgesehen, um einen schnell strömenden Heliumstrahl quer in den Kanal 14 einzuleiten, um während des Schweißvorgangs erzeugtes Plasma durch einen Schlitz 25 abzuführen. Bei der letzteren Ausführungsform ist jedoch der Endabschnitt 21 des Kanals 14 so eng, daß eine wirksame Abschirmung der Schweißzone ohne Unterstützung durch einen axialen Schutzgasstrom im Kanal 14 erzielt wird.

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Claims

Dipl. ΐΐίο.B. HOLZEB

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Patentansprüche

( IJ Laserstrahl-Schweißgerät, mit einem Gehäuse, das einen Kanal zur Bildung eines optischen Weges für einen Laserstrahl aufweist, und mit Mitteln zum Hindurchlenken des Laserstrahls durch den Kanal und zum Fokussieren des Laserstrahls auf eine außerhalb des Gehäuses gelegene Schweißstelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt des Laserstrahls (15) mit geringer Distanz vor einem Endabschnitt (21) des genannten Kanals (14) liegt, daß weiter das Gehäuse (10) einen weiteren Kanal (22) enthält, der in den Endabschnitt (21) des erstgenannten Kanals (14) ausmündet und einen Schutzgasstrahl transversal in den erstgenannten Kanal einleitet, so daß der Schutzgasstrahl auf sich während des Schweißvorgangs bildendes Plasma im Endabschnitt (21) des erstgenannten Kanals auftrifft, und daß die Wandung des Endabschnitts des erstgenannten Kanals eine derart angeordnete öffnung (25) enthält, daß der Schutzgasstrahl Plasma durch diese öffnung hindurch aus der Schweißzone herausspülen kann.

2 ο Schweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls (15) eine im erstgenannten Kanal

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angeordnete Linse (16) enthalten.

3. Schweißgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) einen Einlaß (20) für unter Druck stehendes Schutzgas aufweist, der an einer zwischen der Linse (16) und dem Endabschnitt (21) des erstgenannten Kanals (14) in diesen einmündet,

4. Schweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls einen außerhalb des Gehäuses (10) angeordneten konkaven Spiegel (29) aufweisen.

5» Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch fest am Gehäuse (10) angeordnete Abschirmmittel (30), die sich stromab der in der Wandung des Endabschnitts (21) des erstgenannten Kanals (14) gebildeten öffnung (25) in der beabsichtigten Strömungsrichtung des Schutzgases und Plasmas durch die öffnung (25) erstrecken.

6. Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Klemmvorrichtungen (26, 27) zum Aufspannen von miteinander zu verschweißenden Werkstücken auf eine Halterung vorgesehen sind, die zu den

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benachbarten Gehäuseoberflächen komplementär ausgebildete Oberflächen aufweisen, derart, daß die Gehäuseoberflächen und die Oberflächen der Klemmvorrichtungen im Sinne einer Beschränkung der Zutrittsmöglichkeit von Umgebungsluft zur Schweißzone miteinander zusammenwirken.

7. Schweißgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) und die Klemmvorrichtungen (26, 27) relativ zueinander beweglich angeordnet sind, derart, daß eine kontinuierliche Schweißnaht zwischen zwei mittels der Klemmvorrichtungen gehaltenen Werkstücken (17, 18) hergestellt werden kann, und daß die Klemmvorrichtungen mit längsverlaufenden Oberflächenbereichen komplementär zu Seitenflächenbereichen des Gehäuses (10) ausgebildet sind.

8. Schweißgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausmündung des im Gehäuse (10) gebildeten weiteren Kanals (22) in den Endabschnitt (21) des erstgenannten Kanals (I¹O mit Bezug auf die Relativbewegungsrichtung zwischen dem Gehäuse und den Klemmvorrichtungen (26, 27) so gelegen ist, daß der Schutzgasstrahl jeweile längs der zuletzt geschweißten Bereiche der Schweißnaht gerichtet werden kann.

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