DE3121555A1

DE3121555A1 - Method for controlled alteration of the shape of a heated part made of steel by means of laser radiation

Info

Publication number: DE3121555A1
Application number: DE19813121555
Authority: DE
Inventors: Katsuhiro Yokohama Minamida; Shigehiro Fujisawa Yamaguchi
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1981-05-29
Publication date: 1982-12-23
Also published as: DE3121555C2

Abstract

In the treatment method, the steel is treated by means of a laser beam bundle (16) in such a way that this and a gas jet (32) are directed simultaneously at a working point on the steel in order to generate a plasma (34) around the working point. Another gas jet (42) is delivered to the working point at an acute angle in relation to the direction of emergence of the laser beam bundle in order to force the plasma against the steel surface, it being possible to alter the shape and the position of the plasma by changing the acute angle of emergence of the second gas jet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln vonThe invention relates to a method for treating

Stahl unter Verwendung von-Laserstrahlen, etwa zum Verschweißen, Härten, Bohren oder Schneiden von Stahlgegenständen.Steel using laser beams, e.g. for welding, hardening, Drilling or cutting steel objects.

Bekanntlich weisen Laserstrahlen eine sehr hohe Energiedichte auf. Die Energiedichte bei Arbeitsverfahren unter Einsatz von Laserstrahlen kann ohne weiteres das 100 000-fache gegenüber Lichtbogenschweißverfahren erreichen. So hat etwa die Sauerstoff-Acetylen-Flamme eine Leistungsdichte: von etwa 103 Wjcm2 und ein Argon-Lichtbogen (200A) eine Leistungsdichte von etwa 1,5 x 10 W/cm2. Demgegenüber zeigen Elektronenstrahlen eine Leistungsdichte von etwa 109W/cm2 und kontinuierlich arbeitende Laser (Dauerstrich-Laser) eine Leistungsdichte von 10 W/cm2. Die Leistungsdichte von gepulsten Lasern beträgt bis zu etwa 1013 W/cm2. Der Einsatz von Laserstrahlen mit derartig großen Energiedichten ermöglicht die einfache Bearbeitung von Stahl, wie Oberflächenabschrekkung, Schweißen, Bohren oder Schneiden. Das Oberflächenabschrecken, das Schweißen oder das Bohren von Stahl erfolgt entsprechend der eingesetzten Energiedichte. Bei der Oberflächenabschreckung beträgt die Energiedichte etwa 1,8 x 101 J/cm2, beim Schmelzen (Schweißen) etwa 1,9 x 103 J/cm2 und zum. Verdampfen (Bohren und Schneiden) etwa 4,9 x 104 J/cm2. Wenn somit in einem vorgegebenen Zeitraum die Energiezufuhr gering ist, tritt kein Schmelzen des Stahls ein, und demgegenüber wird die Oberfläche des Stahls durch das rasche Erhitzen und Kühlen abgeschreckt. Wenn andererseits die Energiezufuhr erhöht wird, beginnt der Stahl zu schmelzen und schließlich erfolgt eine Verdampfung des geschmolzenen Stahls.It is known that laser beams have a very high energy density. The energy density in working processes using laser beams can be without achieve another 100,000 times that of arc welding processes. So had For example, the oxygen-acetylene flame has a power density of about 103 Wjcm2 and an argon arc (200A) has a power density of about 1.5 x 10 W / cm2. In contrast Electron beams exhibit a power density of about 109W / cm2 and are continuous working lasers (continuous wave lasers) have a power density of 10 W / cm2. The power density of pulsed lasers is up to about 1013 W / cm2. The use of laser beams with such high energy densities enables easy machining of steel, such as surface quenching, welding, drilling or cutting. The surface quenching, the welding or drilling of steel is carried out according to the energy density used. In the case of surface quenching, the energy density is around 1.8 x 101 J / cm2, when melting (welding) about 1.9 x 103 J / cm2 and for. Evaporation (drilling and Cutting) approx. 4.9 x 104 J / cm2. If the energy supply is thus in a predetermined period of time is small, the steel does not melt and, on the other hand, the surface becomes of the steel is quenched by the rapid heating and cooling. If on the other hand As the energy input is increased, the steel begins to melt and eventually occurs an evaporation of the molten steel.

Wenn ein Laserstrahl mit einer Leistungsdichte von 106 W/cm² auf einen Metallgegenstand einwirkt, erhöht sich dessen Oberflächentemperatur innerhalb etwa 1 ßsez auf die Verdampfungstemperatur, so daß ein Teil der Oberfläche des Gegenstandes verdampft. In diesem außerordentlich kurzen Zeitraum wird jedoch praktisch keine Wärme durch das Innere des Gegenstandes aufgenommen, und daher tritt dort praktisch keine Temperaturerhöhung ein. Wenn ferner die Oberfläche des Gegenstandes abgedampft wird, wird die darunterliegende Schicht zu einer neuen Oberflächenschicht des Gegenstandes, und danach wird diese neue Oberflächenschicht abgedampft.When a laser beam with a power density of 106 W / cm² hits a Metal object, its surface temperature increases within about 1 ßsez to the evaporation temperature, so that part of the surface of the object evaporates. In this extremely short period of time, however, there is practically no Heat is absorbed through the interior of the object, and therefore occurs there practically no temperature increase. Further, when the surface of the object is evaporated becomes, the underlying layer becomes a new surface layer of the object, and then this new surface layer is evaporated.

Dadurch kann der Gegenstand mit Hilfe des Laserstrahls ausgebohrt oder geschnitten werden.This allows the object to be drilled out with the aid of the laser beam or be cut.

Wenn ein Laserstrahl mit einer Leistungsdichte Von 105 W/cm2 oder weniger auf einen Metallgegenstand einwirkt, sind einige Millisekunden erforderlich, um die Oberflächentemperatur des Gegenstandes bis zu seiner Verdampfungstemperatur zu erhöhen. Während dieses relativ langen Zeitraums erreicht die darunterliegende Schicht des Gegenstandes die Schmelztemperatur. Dadurch kann geschweißt werden, indem der Bestrahlungszeitraum des Laserstrahls in geeigneter# Weise kontrolliert und diese Bestrahlung unterbrochen wird, bevor die Oberfläche des Gegenstandes verdampft.When a laser beam with a power density of 105 W / cm2 or less acts on a metal object, a few milliseconds are required, the surface temperature of the object up to its evaporation temperature to increase. During this relatively long period of time, the underlying Layer of the object the melting temperature. This allows welding by properly controlling the irradiation period of the laser beam and this irradiation is interrupted before the surface of the object evaporates.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Metallbearbeitungsverfahren für Stahl mit Hilfe von Laserstrahlen anzugeben, wobei die Form des erhitzten Bereichs des Stahls gesteuert und überwacht wird.The invention is based on the object of a metalworking method for steel with the help of laser beams, specifying the shape of the heated area of the steel is controlled and monitored.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren für Stahlgegenstände unter Verwendung von Laserstrahlen anzugeben, wobei die Form des geschmolzenen Materialteils gesteuert wird, um den von der Wärme beeinflußten Bereich der Schweißnaht so klein wie möglich zu halten und eine Schwächung des geschweißten Materials beim Schwei-Ben zu vermeiden.The invention is also based on the object of a welding method for steel objects using laser beams to specify, with the shape of the molten material part is controlled to be affected by the heat Keep the area of the weld as small as possible and weaken the welded Materials when welding.

Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bearbeitungsverfahren zum Abschrecken der Oberfläche von Stahl mit Hilfe eines Laserstrahls anzugeben, wobei die Tiefe des abgeschreckten Bereichs des Stahls gesteuert wird.In addition, the invention is based on the object of a machining method specify for quenching the surface of steel with the help of a laser beam, wherein the depth of the quenched area of the steel is controlled.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die Form des erzeugten Plasmas kann dabei vorzugsweise durch Än#dern der Austrittsrichtung des das Plasma zusammendrückenden Gasstrahls verändert werden. Die Veränderung der Form des Plasmas verursacht Änderungen in der Form des erhitzten Teils des Stahls.The object according to the invention is achieved in particular by the features of the claims solved. The shape of the generated plasma can be preferred by changing the exit direction of the gas jet compressing the plasma to be changed. The change in the shape of the plasma causes changes in the shape of the heated part of the steel.

Diese Maßnahmen können dazu eingesetzt werden, um die Bearbeitung von Stahl unter Einsatz von einem oder mehreren Laserstrahlen zu verbessern.These measures can be used to improve the processing of steel using one or more laser beams.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Änderung der Oberflächentemperatur T der Oberflächenschicht und der 5 Oberflächentemperatur T eines zu bearbeitenss den Materials und der Zeit, wenn das Material mit Laserstrahlen bestrahlt wird, Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines üblichen Schweißverfahrens unter Einsatz eines Laserstrahls, Fig. 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung des und 4 erfindungsgemäßen Laser-Schweißverfahrens, wobei ein Gasstrahl in Verbindung mit den Laserstrahlen verwendet wird.The invention is described below with reference to the accompanying drawing explained in more detail. The figures show: FIG. 1 a graphic representation to explain the FIG Relationship between the change in the surface temperature T of the surface layer and the 5 surface temperature T of the material to be machined and the time when the material is irradiated with laser beams, Fig. 2 is a schematic representation to explain a common welding process using a laser beam, 3 shows schematic representations to explain the laser welding process according to the invention and 4, a gas beam being used in conjunction with the laser beams.

Fig. 5a eine schematische Darstellung eines durch Laserbestrahlung ohne Verwendung eines Gases erhaltenen geschmolzenen Abschnitts, Fig. 5b schematische Darstellungen von geschmolzenen Ab-und 5c schnitten, die erfindungsgemäß durch Laserbestrahlung in Verbindung mit einem Gasstrahl erhalten wurden, Fig. 6a eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Laser-Schweißverfahrens, Fig. 6b eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Neigungswinkels des Gasstrahls, Fig. 7a eine schematische Querschnittsansicht einer durch Laser-Schweißen erhaltenen Schweißnaht, wobei das Plasma nicht gesteuert wurde, Fig. 7b eine Querschnittsansicht der mit dem erfindungsgemäßen Laser-Plasmaschweißverfahren erhaltenen Schweißnaht, wobei das Plasma gesteuert wurde, Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Laser-Schweißverfahrens, wobei zwei Basismaterialien mit unterschiedlichen Dicken verschweißt wurden, Fig. 9a eine Querschnittsansicht der mit dem Laser-Schweißverfahren gemäß Fig. 8 erhaltenen Schweißnaht, wobei die Plasmasteuerung unzureichend war, und Fig. 9b eine Querschnittsansicht der mit dem Laser-Schweißverfahren gemäß Fig. 8 erhaltenen Schweißnaht, wobei die Plasmasteuerung ausreichend war, und Fig. 10 eine Que#rschnittsansicht einer Ausführungsform einer Laser-Schweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.5a shows a schematic representation of a laser irradiation molten portion obtained without using a gas, Fig. 5b are schematic representations of melted sections and sections 5c, which according to the invention by laser irradiation in connection with a gas jet, Fig. 6a a schematic representation to explain the laser welding process according to the invention, 6b shows a schematic illustration to explain the angle of inclination of the gas jet, Fig. 7a is a schematic cross-sectional view of one obtained by laser welding Weld seam where the plasma was not controlled, FIG. 7b shows a cross-sectional view the weld seam obtained with the laser plasma welding process according to the invention, wherein the plasma was controlled, Fig. 8 is a schematic illustration for explanation of the laser welding process according to the invention, wherein two base materials with different Thicknesses were welded, FIG. 9a a cross-sectional view of the with the laser welding process weld seam obtained according to FIG. 8, the plasma control being inadequate, and FIG. 9b shows a cross-sectional view of the with the laser welding method according to FIG. 8, where the plasma control was sufficient, and FIG. 10 a cross-sectional view of an embodiment of a laser welding device for Implementation of the method according to the invention.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es wesentlich, daß ein Gas strahl zu einem Arbeitspunkt des Stahls gerichtet wird, wobei Laserstrahlen zur Erzeugung eines Plasmas den Arbeitspunkt bestrahlen. Der Gasstrahl bewirkt die Erzeugung eines Plasmas, um den Arbeitspunkt herum und drückt das Plasma gegen den Stahl. Ferner ist die Richtung des Gasstrahls zum Arbeitspunkt variabel. Dies bedeutung, daß durch Veränderung der Richtung des Gas strahls die Form des erwärmten Abschnitts des Stahls gesteuert werden kann.In the method according to the invention, it is essential that a gas beam is directed to a working point of the steel, with laser beams to Generating a plasma irradiate the working point. The gas jet causes the generation of a plasma around the working point and presses the plasma against the steel. Furthermore, the direction of the gas jet to the working point is variable. This means that by changing the direction of the gas jet the shape of the heated section of the steel can be controlled.

Die Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur T 5 der Oberflächenschicht und der Temperatur T s der darunter liegenden Oberflächenschicht des Stahls in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdauer der Laserstrahlen auf dem Stahl. Gemäß Figur 1, wobei die Laserstrahlen eine große Leistungsdichte von 106 W/cm2 oder mehr aufweisen, erreicht die Oberflächenschicht des Stahls dessen Verdampfungstemperatur oder geht über diese hinaus, wobei dies -innerhalb einer Mikrosekunde geschieht, und danach ist die Oberflächenschicht vom Stahl abgedampft. Da in diesem Fall die Bestrahlungsdauer außerordentlich kurz ist, kann die darunterliegende Schicht von der Oberflächenschicht her nur eine geringe Energiemenge absorbieren, und daher ist die Temperaturzunahme der darunter liegenden Oberflächenschicht außerordentlich gering. Die Verdampfung der Oberflächenschicht bewirkt jedoch, daß die darunter liegende Schicht zu einer neuen Oberflächenschicht des Stahls wird, und danach wird die neue Oberflächenschicht durch die Bestrahlung mit den Laserstrahlen abgedampft.Fig. 1 shows the relationship between the temperature T 5 of the surface layer and the temperature T s of the underlying surface layer of the steel as a function of the length of time the laser beams are irradiated on the steel. According to Figure 1, wherein the laser beams have a high power density of 106 W / cm2 or more, the surface layer of the steel reaches its evaporation temperature or goes down beyond this, which happens within a microsecond, and after that the surface layer has evaporated from the steel. Because in this case the exposure time is extremely short, the underlying layer can be separated from the surface layer absorb only a small amount of energy, and therefore the temperature increase the underlying surface layer is extremely small. The evaporation the surface layer, however, causes the underlying layer to become one new surface layer of the steel becomes, and after that the new surface layer becomes evaporated by the irradiation with the laser beams.

Wenn die Laserstrahlen eine geringere Leistungsdichte vön 105 Wjcm2 oder weniger aufweisen, muß die Laserbestrahlung des Stahls während mehrerer Millisekunden fortgesetzt werden, um die Temperatur der Oberflächenschicht bis zu deren Verdampfungstemperatur Tv zu erhöhen. Während dieser relativ langen Bestrahlungszeit erhöht sich die Temperatur der darunter liegenden Oberflächenschicht und erreicht ihre Schmelztemperatur TM In diesem Fall kann die Temperatur der darunter liegenden Schicht die Schmelztemperatur TM erreichen, bevor die Temperatur der Oberflächen-schicht selbst ihre Verdampfungstemperatur TV erreicht. Dies gestattet das Verschweißen von Stahl durch Steuern der Energie- oder Leistungsdichte und der Bestrahlungsdauer der Laserstrahlen.If the laser beams have a lower power density of 105 Wjcm2 or less, the laser irradiation of the steel must be for several milliseconds continued to increase the temperature of the surface layer up to its evaporation temperature Increase Tv. During this relatively long exposure time, the temperature increases the underlying surface layer and reaches its melting temperature TM In In this case, the temperature of the underlying layer can be the melting temperature TM reach their evaporation temperature before the temperature of the surface layer itself TV achieved. This allows steel to be welded by controlling the energy or power density and the duration of irradiation of the laser beams.

In Fig. 1 ist ferner die Raumtemperatur TR eingezeichnet.In Fig. 1, the room temperature TR is also shown.

Gemäß Fig. 2 werden Basismaterialien 10 und 12 einem Stumpfschweißverfahren unterworfen. Dies bedeutet, daß die Basismaterialien 10 und 12 an der dazwischenliegenden stumpfen Fläche 14 miteinander verschweißt werden, indem diese von einem nach unten gerichteten Laserstrahl von einem C02-Laser 20 bestrahlt wird, der unmittelbar oberhalb der stumpfen Fläche 14 angeordnet ist.According to FIG. 2, base materials 10 and 12 are butt welded subject. This means that the base materials 10 and 12 on the intermediate butt surface 14 are welded together by pulling them down from one Directed laser beam is irradiated by a C02 laser 20, which is immediately above the blunt surface 14 is arranged.

Wenn das Schweißen durch einen energiereichen Strahl, wie einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl erfolgt, wird in den Basismaterialien keine besondere Schweißnut erzeugt, und die stumpfe Fläche 14 selbst ist der zu verschweißende Abschnitt. Der oder die Laserstrahlen werden so gerichtet, daß sie zu diesem Abschnitt konvergieren und am Punkt 16a fokussiert sind. Bei Bestrahlung mit den Laserstrahlen wird ein tiefes Loch 22 mit einem geringen Durchmesser in dem bestrahlten Abschnitt der stumpfen Fläche gebildet. Dieses Loch wird als Schlüsselloch 22 bezeichnet. Der das Schlüsselloch 22 umgebende Bereich wird geschmolzen und bildet einen Schmelzabschnitt 18. Wenn sich die Laserstrahlen 16 und die Basismaterialien 10 und 12 relativ zueinander bewegen, wird das Schlüsselloch 12 entsprechend bewegt. Mit der Bewegung des Schlüssellochs 22 wird der Schmelz abschnitt 18 bewegt, während sich der vorangehend geschmolzene Abschnitt verfestigt und eine Schweißnaht 24 bildet. Durch diesen Vorgang entlang der stumpfen Fläche 14 wird der Schweißvorgang ausgeführt. Gemäß Fig. 2 erfolgt das Schweißen in der durch den Pfeil F angegebenen Richtung. Wenn die Laserstrahlen 16 zum Schweißen bewegt werden, bedeutet der Pfeil F die Bewegungsrichtung der Laserstrahlen 16. Wenn andererseits die Basismaterialien zum Schweißen bewegt werden, werden diese entgegen dem Pfeil F bewegt.When welding by a high-energy beam, such as a laser beam or electron beam occurs, no special welding groove is made in the base materials is generated, and the butt surface 14 itself is the portion to be welded. Of the or the laser beams are directed to converge on this section and are focused at point 16a. When irradiated with the laser beams, a deep hole 22 with a small diameter in the irradiated portion of the blunt Surface formed. This hole is referred to as keyhole 22. The keyhole 22 surrounding area is melted and forms a melt section 18. If the laser beams 16 and the base materials 10 and 12 relative to one another move, the keyhole 12 is moved accordingly. With the movement of the keyhole 22, the melting section 18 is moved while the previously melted Solidified section and a weld 24 forms. Through this process along The welding process is carried out on the blunt surface 14. According to FIG. 2 takes place welding in the direction indicated by arrow F. When the laser beams 16 are moved for welding, the arrow F indicates the direction of movement of the laser beams 16. On the other hand, when moving the base materials for welding are moved against the arrow F.

Das Laserschweißen wird unter anderem durch die~nachstehenden Faktoren beeinflußt: 1. Die Laserleistung 2. Die Energiedichte des Laserstrahls oder der Laserstrahlen 3. Die Absorptionsfähigkeit der Materialoberfläche für die Laserenergie 4. Die thermische Leitfähigkeit und das thermische Diffusionsverhältnis der Basismaterialien und 5. Die spezifische Wärme, die Dichte, die Wärmekapazität, die Schmelztemperatur und die Schmelzwärme der Basismaterialien.Laser welding is influenced by the following factors, among others affects: 1. The laser power 2. The energy density of the laser beam or the Laser rays 3. The ability of the material surface to absorb the laser energy 4. The thermal conductivity and the thermal diffusion ratio of the base materials and 5. The specific heat, the density, the heat capacity, the melting temperature and the heat of fusion of the base materials.

Insbesondere der Faktor 3, d.h. die Absorptionsfähigkeit der Materialoberfläche für die Laserenergie ist wesentlich. Wenn die Oberflächen des Basismaterials für den Laserstrahl eine hohe Reflektivität aufweisen, so werden diese ohne# zu Schweißen reflektiert. Die meisten Stahlsorten haben eine Oberfläche mit einer Reflektivität gegenüber Laserstrahlen von 50 % oder mehr. Daher sollte die Reflektivität vermindert werden, um die Absorptionsfähigkeit der# Basismaterialien für die Laserenergie zu erhöhen. Hierfür sind unter anderem die folgenden Maßnahmen ergriffen worden: 1. Ausnutzung der Multireflektion aufgrund einer erhöhten Oberflächenrauhigkeit, 2. Erhöhung der Absorptionsfähigkeit für die Laserenergie durch die Ausbildung einer dünnen Oxidschicht auf den Oberflächen der Basismaterialien und 3. Verwendung eines Laserplasmas.In particular the factor 3, i.e. the absorption capacity of the material surface for the laser energy is essential. When the surfaces of the base material for If the laser beam has a high reflectivity, these are welded without # reflected. Most types of steel have a surface with reflectivity against laser beams of 50% or more. Therefore, the reflectivity should be reduced to increase the absorption capacity of the base materials for the laser energy raise. For this purpose, the following measures, among others, have been taken: 1. Utilization of the multi-reflection due to an increased surface roughness, 2. Increase in the absorption capacity for the laser energy through the formation of a thin oxide layer on the surfaces of the base materials and 3. using a Laser plasma.

Wenn gemäß Fig. 3 ein Gas 32, beispielsweise Argon (Ar), Helium (He) oder Stickstoff (N2) durch eine Öffnung 32 in eine Düse 30 eingeleitet und koaxial zu dem Laserstrahl 16 durch die Düse 30 abgegeben wird, so wird das abgegebene Gas augenblicklich auf eine außerordentlich hohe Temperatur durch die Oberflächenschicht des zu bearbeitenden Materials 26 erhitzt, die von der Oberfläche des Materials 26 verdampft und verteilt worden ist, so daß das Gemisch des Gases und des verdampften Materials ein Plasma 34 bildet. Dies wird als sogenanntes Laserplasma bezeichnet. Wenn das Plasma 34 erzeugt wird, wird durch dieses der Hauptteil der Energie des Laserstrahls absorbiert, während der verbleibende, geringere Teil der Energie direkt durch den Gegenstand 26 absorbiert wird. Andererseits steigt die Temperatur des Plasmas 34 zunehmend an, wenn dieses die Laserenergie absorbiert. Dieses Plasma mit hoher Temperatur bildet eine Sekundärquelle für die Heizenergie, die den Gegenstand 26 erwärmt. Dadurch ist die Form des geschmolzenen Teils des Gegenstandes eine Kombination aus einem geschmolzenen Abschnitt A aufgrund des Plasmas 34, sowie eines gesch#molzenen Abschnitts B (d.h. einem Schlüsselloch und dem umgebenden Bereich) aufgrund des einfallenden Laserstrahls (vgl. Fig. 4).If, according to FIG. 3, a gas 32, for example argon (Ar), helium (He) or nitrogen (N2) introduced into a nozzle 30 through an opening 32 and coaxially to which the laser beam 16 is emitted through the nozzle 30, the emitted gas instantly to an extremely high temperature through the surface layer of the material to be processed 26 is heated by the surface of the material 26 has been vaporized and dispersed so that the mixture of the gas and the vaporized Material forms a plasma 34. This is known as what is known as laser plasma. When the plasma 34 is generated, the majority of the energy of the The laser beam absorbs the remaining, smaller part of the energy directly is absorbed by the article 26. On the other hand, the temperature of the increases Plasma 34 increases as it absorbs the laser energy. This plasma with high temperature forms a secondary source for the heating energy that the object 26 heated. Thereby the shape of the melted part of the article is a combination from a melted section A due to the plasma 34, as well as a melted one Section B (i.e. a keyhole and the surrounding area) due to the incident laser beam (see. Fig. 4).

Wenn, wie vorstehend ausgeführt, das Laserstrahlschweißen im Kombination mit einem Gasstrahl erfolgt, so wird das Plasma erzeugt. Dabei wird die Energie des Laserstrahls durch das Plasma absorbiert, was zu einer Reduktion des Anteils der Laserenergie führt, der direkt durch das-Material absorbiert wird. In diesem Fall wird jedoch die absorbierte Energie durch das Plasma zu dem Gegenstand verteilt. Daher ist der hierbei erzielte Energiewirkungsgrad um ein Mehrfaches des 10-fachen größer als bei direkter Bestrahlung des Materials mit dem Laserstrahl ohne Verwendung eines Gasstrahls, wo ein Hauptteil des eingestrahlten Laserstrahls reflektie#rt wird Die Figuren 5a bis 5c erläutern die vorstehenden Phänomene.If, as stated above, the laser beam welding in combination takes place with a gas jet, the plasma is generated. Thereby the energy of the laser beam is absorbed by the plasma, resulting in a reduction in the proportion which carries laser energy that is absorbed directly by the material. In this In this case, however, the absorbed energy is distributed through the plasma to the object. Therefore, the energy efficiency achieved here is a multiple of 10 times larger than when the material is directly irradiated with the laser beam without use of a gas beam, where a main part of the incident laser beam is reflected will Figures 5a to 5c explain the above phenomena.

In Fig. 5a erfolgt keine Gaszufuhr, und das Schweißen erfolgt mit einer Schweißgeschwindigkeit V = 2,5 mm/Sekunden mit einem-Laserstrahl mit einem Durchmesser W1. In Fig. Sb wird zur Erzeugung eines Plasmas ein Gasstrahl zugeführt, und das Schweißen erfolgt bei einer Schweißgeschwindigkeit V = 20 mm/Sekunden unter Verwendung eines Laserstrahls mit einem Durchmesser W2. In Figur 5c wird zur Erzeugung eines Plasmas ein Gasstrahl zugeführt, und das Schweißen erfolgt bei einer Schweißgeschwiffdigkeit V = zu2 ,5 2,5 mm/Sekunden, und der Durchmesser des Laserstrahls beträgt W2. Der schraffierte Teil kennzeichnet den geschmolzenen Anteil des Materials.In Fig. 5a, there is no gas supply and welding is also carried out a welding speed V = 2.5 mm / seconds with a laser beam with a Diameter W1. In Fig. 5b, a gas jet is supplied to generate a plasma, and welding takes place at a welding speed of V = 20 mm / seconds below Using a laser beam with a diameter W2. In Figure 5c is used to generate A gas jet is supplied to a plasma, and the welding takes place at a welding speed V = to 2.5 mm / seconds, and the diameter of the laser beam is W2. Of the hatched part indicates the molten part of the material.

Gemäß Fig. 5a erfolgt nur ein geringes Schmelzen. Im Gegensatz dazu erfolgt bei Fig. 5c,'wo die Schweißgeschwindigkeit gleich der in Fig. 5a ist, ein erheblich stärkeres Schmelzen. Selbst im Fall der Figur 5b, wo die Schweißgeschwindigkeit etwa das 10-fache der Schweißgeschwindigkeit in Figur 5a beträgt, erhält man eine tiefe Schmelze.According to FIG. 5a, there is only slight melting. In contrast to takes place in FIG. 5c, where the welding speed is the same as that in FIG. 5a considerably stronger melting. Even in the case of Figure 5b, where the welding speed is about 10 times the welding speed in Figure 5a, one obtains a deep melt.

Selbstverständlich wird auch im Fall der Figur 5a eine tiefere Schmelze erzielt, wenn der Strahldurchmesser s#oweit reduziert wird, daß man eine höhere Energiedichte erhält.Of course, a deeper melt is also used in the case of FIG. 5a achieved when the beam diameter is so reduced that one has a larger one Maintains energy density.

Der so erzeugte geschmolzene Abschnitt ist jedoch nicht so tief #wie im Falle der Figur 5c.However, the molten section thus created is not as deep # as in the case of Figure 5c.

Die Erzeugung des Plasmas durch eine Kombination der L#aserstrahlen mit dem Gasstrahl ermöglicht eine Erhöhung des Wirkungsgrades für die Wärmeenergie. Gemäß Figur 4 hat jedoch der Einsatz des Plasmas den Nachteil, daß aufgrund der Beeinflussung der Form des geschmolzenen Teils durch die Masse des Plasmas es unmöglich ist, den geschmolzenen Abschnitt in einer schmalen und tiefen Form zu erhalten, was an sich beim Laserstrahlschweißen charakteristisch ist.The generation of the plasma by a combination of the laser beams with the gas jet enables an increase in the efficiency for the thermal energy. According to Figure 4, however, the use of the plasma has the disadvantage that due to the It is impossible to influence the shape of the molten part by the mass of the plasma is to get the molten section in a narrow and deep shape, which in itself is characteristic of laser beam welding.

Im Hinblick auf diese Tatsache ist die Gegenwart des Plasmas an sich bis zu einem gewissen Grade nachteilig, so daß diese Nachteile der Wirkung des Plasmas vermieden oder zumindest gesteuert werden sollten. Der Einsatz des Gasstrahls in Kom- bination mit dem Laserstrahl ist ferner vorteilhaft zur Gasabschirmung des zu schweißenden Arbeitsteils# wie beim Lichtbogenschweißen. Da ein Gasstrahl mit hoher elektrolytischer Dissoziationsspannung nicht leicht in ein Plasma umgewandelt wird, ist die Verwendung einer großen Menge eines derartigen Gases (z.B. He) bei hoher Strömungsgeschwindigkeit vorteilhaft zum Steuern der nachteiligen Wirkungen des Plasmas. Gemäß den Figuren 5b und c ist die Zunahme der Schweißgeschwindigkeit für diesen Zweck ebenfalls vorteilhaft. Um ferner die nachteilige Wirkung des Plasmas zu vermeiden oder zu steuern, ist es zweckmäßig, den Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit zum Arbeitsteil des Materials zu blasen, um das Plasma zu teilen und zu zersetzen.In view of this fact is the presence of the plasma in itself to a certain extent disadvantageous, so that these disadvantages of the action of the plasma should be avoided or at least controlled. The use of the gas jet in Com- Bination with the laser beam is also advantageous for gas shielding of the working part to be welded # as in arc welding. There is a gas jet with high electrolytic dissociation voltage is not easily converted into plasma the use of a large amount of such a gas (e.g. He) is involved high flow rate advantageous for controlling the adverse effects of the plasma. According to Figures 5b and c is the increase in welding speed also beneficial for this purpose. Furthermore, the adverse effect of the plasma To avoid or control, it is convenient to blow the gas jet at high speed to blow to the working part of the material to split and decompose the plasma.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf die Behandlung des Plasmas zum Schweißen, in dem dieses gegen das Basismaterial in eine gewünschte Richtung gedrückt wird.The present invention also relates to the treatment of the Plasmas for welding, in which this against the base material in a desired Direction is pressed.

Das erfindungsgemäße Prinzip sowie eine Ausführungsform werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren 6a, 6b und 8 näher erläutert.The principle according to the invention and an embodiment are described below explained in more detail with reference to FIGS. 6a, 6b and 8.

Nach Figur 6a ist erfindungsgemäß eine Düse 40 zum Abgeben eines Gasstrahl unter einem Neigungswinkel gegenüber einer Düse 30 vorgesehen, mit der das Laserstrahlenbündel 16 und das das Plasma erzeugende Gas 32 koaxial zugeführt werden.According to FIG. 6a, according to the invention, there is a nozzle 40 for emitting a gas jet provided at an angle of inclination with respect to a nozzle 30, with which the laser beam 16 and the plasma generating gas 32 are supplied coaxially.

Ein Gasstrahl 42 wird zur Oberfläche des Gegenstandes 26 gemäß Figur 6a abgegeben. Die Mittellinie 12 der Düse 40 oder des Gasstrahls 42 hat(Figur 6b) Winkel a und e zur Mittellinie 11 des Laserstrahlenbündels 16. Falls die Mittellinie 11 des Laserstrahls die z-Achse und die Schweißlinie (die vorstehend erwähnte stumpfe Fläche 14) die x-Achse ist, so hat eine Projektion der Mittellinie 12 des Gas strahls 42 auf die durch die x- und z-Achsen definierte Ebene einen Winkel a zur x-Achse (900 - e zur z-Achse) und einen Winkel a auf der durch die x- und y-Achse de- finierten Ebene (Winkel a zur x-Achse) Der Winkel a kann entweder positiv oder negativ :sein. Wenn der Gasstrahl 43 in dieser Weise abgegeben wird, so bewirkt er ein Andrücken des Plasmas 34 gegen die Oberfläche des Materials, da der Geschwindigkeitsvektor des Gasstrahls eine Komponente in Richtung der z-Achse aufweist, d.h. in Dickenrichtung des Gegenstandes 26. Dadurch wird ein tiefgeschmolzener Abschnitt ausgebildet. Der Geschwindigkeitsvektor des Gasstrahls 42 weist ferner Komponenten in Richtung der x- und y-Achsen auf. Die x-Komponente bewirkt ein Andrücken des Plasmas 34 gegen einen Teil der zu schweißenden Basismaterialien, so daß die Energie des Plasmas zum Erwärmen dieses Teils wirksam ausgenutzt wird. Dies bewirkt eine Zunahme des S'chweißwirkungsgrades. Die y-Komponente drückt das Plasma 34 an die linke oder rechte Seite der Schweißlinie F, und zwar je nach dem Winkel a stark oder nur in geringem Maße. Diese Funktion der y-Komponente ist zum Schweißen von zwei Basismaterialien mit unterschiedlichen Dicken außerordentlich wirkungsvoll, wie nachstehend näher erläutert wird. Wenn der Gasstrahl in schräger Richtung, wie vorstehend ausgeführt, zur Plasmamasse geblasen wird, wird ferner der Umfangsbereich der Plasmamasse durch den Gasstrahl abgekühlt und in eine lediglich aufheizende Gasatmosphäre umgewandelt, so daß lediglich der Mittelteil der Plasmamasse im Plasmazustand verbleibt; in diesem Mittelabschnitt wird eine aktive Energiezufuhr zur Schweißnaht der Basismaterialien bewirkt. Dies führt zu einer Minimalisierung der Plasmamasse, so daß beispielsweise in Figur 4 der Oberflächenbereich des geschmolzenen Teils A reduziert und in den geschmolzenen Teil B umgewandelt wird. Daher wird ein schmaler, tiefgeschmolzener Teil erhalten.A gas jet 42 becomes the surface of the object 26 according to FIG 6a submitted. The center line 12 of the nozzle 40 or of the gas jet 42 has (Figure 6b) Angle a and e to the center line 11 of the laser beam 16. If the center line 11 of the laser beam shows the z-axis and the weld line (the above-mentioned blunt Area 14) is the x-axis, it has a projection of the center line 12 of the gas jet 42 an angle α to the x-axis on the plane defined by the x- and z-axes (900 - e to the z-axis) and an angle a on the de- refined Plane (angle a to the x-axis) The angle a can either be positive or negative: When the gas jet 43 is emitted in this way, it causes a pressing of the plasma 34 against the surface of the material, since the velocity vector of the gas jet has a component in the direction of the z-axis, i.e. in the thickness direction of the article 26. A deep-melted portion is thereby formed. Of the The velocity vector of the gas jet 42 also has components in the direction of the x and y axes. The x component causes the plasma 34 to be pressed against it part of the base materials to be welded, so that the energy of the plasma is effectively used to heat this part. This causes an increase in the Welding efficiency. The y component pushes the plasma 34 to the left or right side of the weld line F, depending on the angle a strongly or only in small degree. This function of the y component is for welding two base materials extremely effective with different thicknesses, as detailed below is explained. If the gas jet is inclined, as stated above, is blown to the plasma mass, the peripheral area of the plasma mass is also through the gas jet is cooled and converted into a merely heating gas atmosphere, so that only the central part of the plasma mass remains in the plasma state; in this The middle section becomes an active energy supply to the weld seam of the base materials causes. This leads to a minimization of the plasma mass, so that for example in Figure 4, the surface area of the molten part A is reduced and in the molten part B is converted. Hence a narrow, deeply melted one Received part.

Die Plasmasteuerwirkung des das Plasma zusammendrückenden Gasstrahls wird mit Bezug auf die Figuren 7a und 7b näher erläutert. Die Figur 7a zeigt den Fall, bei dem keine Plasmasteuerung vorgenommen wird, während die Figur 7b den Fall mit Plasmasteuerung erläutert. In Figur 7a hat der geschmolzene, schraffierte Teil 11 die Form eines Weinglases, während in Figur 7b der geschmolzene Abschnitt 11 faßförm#g ist. Der Vergleich dieser geschmolzenen Abschnitte zeigt deutlich, daß die Plasmasteuerung außerordentlich wirkungsvoll ist, um einen schmalen, tiefgeschmolzenen Abschnitt gemäß Figur 7b zu erhalten. Im Falle der Figur 7b ist die Richtung des das Plasma zusammendrückenden Gasstrahls gegeben durch den Winkel a = Oo und G = 450 Die Figur 8 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei zwei Basismaterialien 10 und 12 mit unterschiedlicher Dicke miteinander verschweißt werden. Bei Verschiedenen Bearbeitungsprozessen in der Eisen- und Stahlindustrie werden eine große Anzahl von Schweißverfahren angewendet. Beispielsweise wird nach dem Warmwalzen ein Stahlband abgebeizt, geglüht und kaltgewalzt. Bei diesen Verfahren werden Stahlband-Spulen miteinander stumpf verschweißt oder eine Stahlbandspule mit einer Anfangsspule stumpf verschweißt. Im letzteren Fall ist das Material dieser Spulen unterschiedlich dick, beispielsweise 6 mm bei der Stahlbandspule und 3 mm bei der Anfangsspule. In Fig. 8 ist die dickere Spule durch das Basismaterial 10 und die dünnere Spule durch das Basismaterial 12 angedeutet. Wenn diese Basismaterialien durch übliches Laserstrahlschweißen miteinander verschweißt werden sollen, werden die Laserstrahlbündel gemäß den gestrichelten Linien 16 b eingestrahlt. In diesem Fall wird ein nicht zu verschweißender Teil des Basismaterials 10 geschmolzen. Um dies zu vermeiden, werden die Laserstrahlenbündel gemäß den durchyezogenen Linien 16 ausgerichtet,' wo bei der Teil des Basismaterials 12, der von der stumpfen Fläche 14 einen Abstand aufweist, geschmolzen wird. In beiden Fällen kann jedoch ein zufriedenstellendes Schweißergebnis nicht erreicht werden. Demgegenüber wird erfindungsgemäß das Plasma 34 gegen das Basismaterial 10 gedrückt, indem der Gasstrahl 42 unter einem geeigneten Neigungswinkel a abgegeben wird. In diesem Fall werden geschmolzene Abschnitte ausgebildet, die die beiden Seiten der stumpfen Fläche überbrücken, und diese Basismaterialien 10 und 12 können fest entlang der stumpfen Fläche 14 miteinander verschweißt werden.The plasma control action of the gas jet compressing the plasma is explained in more detail with reference to FIGS. 7a and 7b. Figure 7a shows the Case in which no plasma control is carried out, while FIG. 7b shows the case with Plasma control explained. In Figure 7a, the melted hatched portion has 11 the shape of a wine glass, while in Figure 7b the melted portion 11 barrel-shaped # g is. The comparison of these molten sections clearly shows that the plasma control is extremely effective at a narrow, deeply melted section to be obtained according to Figure 7b. In the case of Figure 7b, the direction of the is the plasma compressing gas jet given by the angle a = Oo and G = 450 The figure 8 shows an embodiment according to the invention, wherein two base materials 10 and 12 are welded together with different thicknesses. At different Machining processes in the iron and steel industry are becoming a large number applied by welding processes. For example, a steel strip is made after hot rolling Pickled, annealed and cold-rolled. In this process, steel tape reels are used butt-welded to one another or butt a steel tape reel with an initial reel welded. In the latter case, the material of these coils is of different thickness, for example 6 mm for the steel tape reel and 3 mm for the start reel. In Fig. 8 is the thicker coil through the base material 10 and the thinner coil through the Base material 12 indicated. When these base materials by ordinary laser beam welding are to be welded together, the laser beam according to the dashed lines Lines 16 b irradiated. In this case, it becomes a part that cannot be welded of the base material 10 melted. To avoid this, the laser beam bundles aligned according to the solid lines 16, where at the part of the base material 12, which is spaced from the blunt surface 14, is melted. In In both cases, however, a satisfactory welding result cannot be achieved will. In contrast, according to the invention, the plasma 34 is opposed to the base material 10 pressed by the gas jet 42 at a suitable angle of inclination a is delivered. In this case, molten portions are formed that represent the bridge both sides of the blunt surface, and these base materials 10 and 12 can be firmly welded together along the butt surface 14.

Die Figuren 9a und 9b sind Querschnittsansichten der Basismaterialien mit unterschiedlicher Dicke, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißt worden sind. Die Figur 9a zeigt einen Fall, wo die Plasmasteuerung unzureichend vorgenommen worden ist, während die Figur 9b einen Fall darstellt, bei dem die Plasmasteuerung in zufriedenstellender Weise vorgenommen worden ist. Ein Vergleich dieser Fälle zeigt deutlich, daß der geschmolzene Abschnitt durch Verwendung des das Plasma andrückenden Gasstrahls in vorteilhafter Weise verschoben werden kann.Figures 9a and 9b are cross-sectional views of the base materials with different thicknesses, which are welded with the method according to the invention have been. Figure 9a shows a case where the plasma control is inadequate has been made, while FIG. 9b shows a case in which the plasma control has been made in a satisfactory manner. A comparison of these cases clearly shows that the melted portion by using the plasma pressing Gas jet can be moved in an advantageous manner.

In dem Fall, wo das Schweißen entlang einer gekrümmten Schweißlinie vorgenommen werden soll, muß die Plasmaandruckrichtung entsprechend der Schweißlinie geändert werden.In the case where welding along a curved weld line is to be made, the plasma pressure direction must correspond to the welding line be changed.

In diesem Fall wird der Gasabgabewinkel a so geändert, daß er mit der Richtung der gekrummten Schweißlinie am Schweißpunkt konform geht und daß das Plasma gegen den Schweißabschnitt des Basismaterials gedrückt wird. Falls erforderlich, kann der Gasabgabewinkel a größer oder kleiner als die Tangente an der Schweißlinie ausgebildet werden, um das Plasma stärker an eines der stumpf anstoßenden Basismaterialien zu drücken.In this case, the gas discharge angle a is changed so that it is with conforms to the direction of the curved weld line at the weld point and that the Plasma is pressed against the welded portion of the base material. If required, the gas delivery angle a can be larger or smaller than the tangent on the welding line be formed to make the plasma more strongly to one of the butt-abutting base materials to press.

Die Figur 10 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Schweißdüse. Gemäß Figur 10 weist diese Schweißdüse eine Linse 50 aus KCl auf, durch die die Konvergenz und die Abbildung des Laserstrahlbündels bewirkt wird und die durch einen Linsenhalter 52 gehalten wird; die Düse 30 wird durch Halter 54, 56 und 58 gehalten. Die Düse 30 ist ferner mit einer Bohrung 30b versehen, durch die das Laserstrahlenbündel und der Gasstrahl zum Erzeugen des Plasmas geführt werden. Das das Plasma erzeugende Gas wird der Düse 30 durch eine Gaszuführungsbohrung 54a zugeführt.FIG. 10 shows a cross-sectional view of an inventive Welding nozzle. According to FIG. 10, this welding nozzle has a lens 50 made of KCl which the convergence and the imaging of the laser beam is effected and which held by a lens holder 52; the nozzle 30 is held by holders 54, 56 and 58 held. The nozzle 30 is also provided with a bore 30b through which the Laser beam and the gas beam to generate the plasma are guided. That the plasma generating gas is supplied to the nozzle 30 through a gas supply hole 54a.

Die Düse 30 ist am Halter 58 frei drehbar um eine Achse 30b befestigt. Die Drehstellung der Düse 30 wird durch eine Schraube 60 fixiert. Der Halter 58 ist an seinem unteren Abschnitt mit einer Düse 62 versehen, durch die ein Schutzgas abgegeben wird. Die Düse 62 ist mit einer Bohrung 62a zum Einleiten des -Schutzgases, mit Bohrungen 62b zum Abgeben des Schutzgases sowie mit einer Bohrung 62c zum Einleiten eines Gas strahls versehen. Ein Rohr oder ein Schlauch 64 zum Zuführen des Gasstrahls ist in die Bohrung 62c eingesetzt.The nozzle 30 is attached to the holder 58 so as to be freely rotatable about an axis 30b. The rotational position of the nozzle 30 is fixed by a screw 60. The holder 58 is provided at its lower portion with a nozzle 62 through which a protective gas is delivered. The nozzle 62 is provided with a bore 62a for introducing the protective gas, with bores 62b for releasing the protective gas and with a bore 62c for introducing it a gas jet provided. A tube or hose 64 for supplying the gas jet is inserted into the bore 62c.

Die Düse 30 ist an ihrem unteren Umfangsabschnitt mit einer Ringnut 30a versehen, die mit der Unterseite der Düse über eine Bohrung 30c verbunden ist. Die Bohrung 30c weist eine geringere Querschnittsfläche als die Bohrung 30b auf. Da die Bohrung 62c der Düse 62 in der Nut 30a endet, wird das durch das Rohr oder den Schlauch 64 zugeführte Gas über die Bohrung 63c, die Nut 30a und die Bohrung 30c zu einem Schweißpunkt P abgegeben. Da die Düse 30 drehbar ist, kann der Austrittswinkel a des Gas strahls durch Drehen der Düse 30 in der gewünschten Weise eingestellt werden. In der in Figur 10 dargestellten Vorrichtung liegt der Gasaustrittswinkel 8 fest. Ferner ist bei dieser Vorrichtung lediglich eine Bohrung 30c vorgesehen. Jedoch können im Rahmen der Erfindung mehrere Bohrungen 30c vorgesehen sein, um das Zuführungsmuster des Gas strahls in geeigneter Weise zu verändern.The nozzle 30 is provided with an annular groove at its lower peripheral portion 30a, which is connected to the underside of the nozzle via a bore 30c. The bore 30c has a smaller cross-sectional area than the bore 30b. Since the bore 62c of the nozzle 62 ends in the groove 30a, this is done through the pipe or the gas supplied to the hose 64 via the bore 63c, the groove 30a and the bore 30c delivered to a welding point P. Since the nozzle 30 is rotatable, the exit angle a of the gas jet set by rotating the nozzle 30 in the desired manner will. In the device shown in Figure 10, the gas exit angle is 8 fixed. Furthermore, only one bore 30c is provided in this device. However, within the scope of the invention, several bores 30c can be provided in order to to change the feed pattern of the gas jet in a suitable manner.

In der vorstehend erläuterten Schweiß' düse ist die kleine, leichte Düse 30 drehbar und das Rohr oder der Schlauch 64 für die Gaszufuhr stationär, d.h. es ist an der Düse 62 befestigt. Dadurch kann der Gasaustrittswinkel a leicht durch Drehen der Düse 30 gesteuert werden. Die automatische Steuerung des Winkels a kann leicht dadurch ausgeführt werden, daß man die Düse 30 mit Hilfe eines Servomotors dreht.In the welding nozzle explained above is the small, light one The nozzle 30 is rotatable and the tube or hose 64 for the gas supply is stationary, i. it is attached to the nozzle 62. As a result, the gas exit angle a can easily pass through Rotation of the nozzle 30 can be controlled. The automatic control of the angle a can can easily be carried out by moving the nozzle 30 with the aid of a servo motor turns.

Diese automatische Steuerung ermöglicht einen geeigneten und automatischen Schweißvorgang, beispielsweise entlang einer gekrümmten Schweißlinie.This automatic control enables a suitable and automatic Welding process, for example along a curved welding line.

Um sicherzustellen, daß die Bohrung 30b zur Abgabe des Gasstrahls zufriedenstellend arbeitet, sollten vorzugsweise der Druck, die Druckverteilung, der Gasabgabewinkel sowie die Gasart in geeigneter Weise ausgewählt werden. Als Gas zur Erzeugung des Plasmas ist Helium (He) mit hoher elektrolytischer Dissoziationsspannung gegenüber Argon (Ar) oder Stickstoff (N2) bevorzugt. Die elektrolytische Dissoziationsspannung des Helìums beträgt 24,588 V, während die von Ar 15,760 V und die von N2 14,53 V beträgt. In diesem Fall ist Helium (He) besonders bevorzugt, da dieses für die erforderliche minimale Erzeugung des Plasmas besonders wirkungsvoll ist. Ferner ist es bevorzugt, daß das Helium mit niedriger Strómungsgeschwindigkeit zugeführt wird. Ein auf eine hohe Temperatur erhitztes Gas mit zweiatomigen Molekülenbefindet sich in einem energetisch hohen Zustand wegen seiner kinetischen Dergie und seiner elektronischen Anregungsenergie. Daher neigt das Gas im vorstehend erläuterten Zustand leicht zur Konversion in ein Plasma. In vorteilhafter Weise liegt der Gasaustrittswinkel a im Bereich von -90° bis +90° und der Winkel 8 im Bereich von 30 bis 800. Wenn der Winkel e nahe oder gleich 00 liegt, wird das Plasma lediglich entlang der Oberfläche des Basismaterials geblasen. In diesem Fall ist das Ergebnis im wesentlichen gleich dem, wenn kein Gas verwendet wird, d.h.To ensure that the bore 30b to discharge the gas jet works satisfactorily, the pressure, the pressure distribution, the gas delivery angle and the type of gas can be selected appropriately. as The gas used to generate the plasma is helium (He) with a high electrolytic dissociation voltage preferred over argon (Ar) or nitrogen (N2). The electrolytic dissociation voltage of the helium is 24.588 V, while that of Ar is 15.760 V and that of N2 is 14.53 V. amounts to. In this case, helium (He) is particularly preferred as this is required for the minimal generation of plasma is particularly effective. It is also preferred that the helium is supplied at a low flow rate. One on one high temperature heated gas with diatomic molecules is in an energetic high state because of its kinetic dergy and its electronic excitation energy. Therefore, in the above-mentioned state, the gas tends to be easily converted into a Plasma. The gas exit angle a is advantageously in the range of -90 ° to + 90 ° and the angle 8 in the range from 30 to 800. If the angle e is close to or is 00, the plasma is only along the surface of the base material blown. In this case the result is essentially the same as if none Gas is used, i.e.

kein Plasma erzeugt wird.no plasma is generated.

Das .erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur beim Schwei-Ben sondern beispielsweise auch beim Abschrecken von Stahl eingesetzt werden.The method according to the invention can not only be used when welding but can also be used, for example, for quenching steel.

Gemäß Figur 6a wird eine Düse 30 an eine Stelle in der Nähe eines Teils von Stahlmaterial 26 gebracht, das abgeschreckt werden soll. Das Laserstrahlenbündel sowie ein das Plasma erzeugendes Gas werden glfzichzeitig auf den Abschreckabschnitt gerichtet, während ein das Plasma zusammendrükkender Gasstrahl 42 zum Abschnitt gerichtet wird. Das erhaltene Plasma 34 wird gegen den Abschreckabschnitt des Stahls 26 gedrückt. Die Wärme des Plasmas 34 wird auf den Stahl 26 übertragen und diffundiert in dessen Inneres.According to Figure 6a, a nozzle 30 is at a location near a Part of steel material 26 brought that quenched shall be. The laser beam and a gas generating the plasma are simultaneously directed at the quench section, while a compressing the plasma Gas jet 42 is directed to the section. The obtained plasma 34 is against the Quenching portion of the steel 26 pressed. The heat of the plasma 34 is on the Steel 26 transmits and diffuses inside.

Durch Bewegen der Düse 30 entlang einer Abschrecklinie des Stahls 26 kann ein Oberflächenabschnitt des Stahls 26 abgeschreckt werden. Bei diesem Abschrecken verursacht die Bewegung der Düse 30 eine rasche Abkühlung des Abschreckabschnittes wegen der raschen Diffus#ion der Wärme ins Innere des Stahls 26. Daher treten keine Glühphänomene an dem Grenzbereich zwischen dem Abschreckabschnitt und dem nicht abgeschreckten Abschnitts des Stahls auf.By moving the nozzle 30 along a quench line of the steel 26, a surface portion of the steel 26 can be quenched. With this quenching the movement of the nozzle 30 causes the quenching section to cool rapidly because of the rapid diffusion of heat into the interior of the steel 26. Therefore, none occur Annealing phenomena at the boundary between the quenching portion and the non quenched section of the steel.

Wie vorstehend ausgeführt können das das Plasma erzeugende Gas und das das Plasma steuernde Gas aus einer Gruppe verschiedener Gase ausgewählt werden, etwa aus Argon (Ar), Helium (He) und Stickstoff (N2). Von diesen Gasen verursachen Argon (Ar) und Helium (He) keinerlei Probleme. Wenn jedoch Stickstoff (N2) verwendet wird, wird der erhitzte Abschnitt nitriert. Wenn daher eine Nitrierung nicht erwünscht ist, wird vorzugsweise der Einsatz von Stickstoff vermieden.As stated above, the plasma generating gas and the gas controlling the plasma can be selected from a group of different gases, e.g. from argon (Ar), helium (He) and nitrogen (N2). Of these gases cause Argon (Ar) and Helium (He) no problems. However, if nitrogen (N2) is used the heated portion is nitrided. If, therefore, nitration is not desired the use of nitrogen is preferably avoided.

Beispiel 1 Zwei rostfreie Stahlbänder (SUS304) von jeweils 3 mm Dicke werden an ihren abgescherten Enden miteinander stumpf verbunden. Die stumpfe Fläche wird mit einem Laserstrahlenbündel durch eine Bestrahlungsbohrung von 3 mm Durchmesser unter Verwendung eines Lasers gemäß Figur 10 bestrahlt, wobei durch die Bohrung ein ein Plasma erzeugendes Heliumgas abgegeben wird. Der Laser weist eine Ausgangsleistung von 2 kW auf und ist mit einer E>kussierungslinse mit einer Brennweite von 7,62 cm versehen. Gleichzeitig mit der Be- strahlung durch das Laserstrahlenbündel wird ein das Plasma kontrollierendes Heliumgas zu dem mit dem Laserstrahlenbündel bestrahlten Abschnitt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter/Minuten durch eine Bohrung von 1 mm Durchmesser abgegeben. Dadurch wird die stumpf anliegende Oberfläche verschweißt. In diesem Fall betrugen die Austrittswinkel e und a 450 bzw. 00, d.h., der das Plasma steuernde Gasstrom wird entlang der Schweißlinie abgegeben. Example 1 Two stainless steel belts (SUS304) each 3 mm thick are butt-connected to each other at their sheared ends. The blunt surface is carried out with a laser beam through an irradiation hole 3 mm in diameter irradiated using a laser according to FIG. 10, with through the bore a plasma generating helium gas is emitted. The laser has an output power of 2 kW and is equipped with a focusing lens with a focal length of 7.62 cm. Simultaneously with the radiation through the laser beam a helium gas controlling the plasma becomes that with the laser beam irradiated section with a flow rate of 10 liters / minute a hole 1 mm in diameter. This makes the butt-fitting Welded surface. In this case the exit angles e and a were 450 or 00, i.e. the gas flow controlling the plasma is emitted along the welding line.

Das das Plasma erzeugende Heliumgas wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/Minuten abgegeben, und die Schweißgeschwindigkeit beträgt 15 m/Sekunden.The helium gas generating the plasma is at a flow rate of 20 liters / minute, and the welding speed is 15 m / seconds.

Die Qualität der so gebildeten Schweißnaht der rostfreien Stahlbänder wird mit Hilfe eines wiederholten Biegetests mit einem Biegewinkel von 900 abgeschätzt. Die Ergebnisse werden nachstehend zusammen mit Ergebnissen aus bekannten Schweißverfahren aufgeführt: Verfahren Anzahl der wie der holten Biegevorgänge Erfindungsgemäßes Verfahren 43 Laserplasmaverfahren (ohne Plasmasteuerung) 10 TI G-Schwei ßverfahren 25 SAW-Schweißverfahren 5 Abbrenn-Stumpfschweißen 16 Aus den vorstehenden Ergebnissen zeigt sicht daß die Schweißfestigkeit der erfindungsgemäß erhaltenen Schweißnaht dem Stand der Technik deutlich überlegen ist.The quality of the weld seam formed in this way on the stainless steel strips is estimated using a repeated bending test with a bending angle of 900. The results are presented below along with results from known welding processes listed: Method Number of bending processes carried out according to the invention Process 43 Laser plasma process (without plasma control) 10 TI G welding process 25 SAW welding process 5 Flash butt welding 16 From the above results shows that the weld strength of the weld seam obtained according to the invention is clearly superior to the state of the art.

Beispiel 2 Zwei rostfreie Stahlbänder von jeweils 6 mm Dicke werden an ihren abgeschnittenen Ende aneinander stumpf angelegt. Example 2 Two stainless steel strips, each 6 mm thick butt against each other at their cut end.

Die stumpfe Fläche wird in der gleichen Weise wie bei Bei- spiel 1 verschweißt, jedoch mit den folgenden anderen Parametern: 5 kW Laserausgangsleistung, 12,7 cm Brennweite der Fokussierungslinse (Sammellinse), Strömungsgeschwindigkeit des das Plasma steuernden Heliumgases durch eine Bohrung mit 1 mm Durchmesser: 15 Liter/Minute, Strömungsgeschwindigkeit des das Plasma erzeugenden Heliumgases durch eine Bohrung mit 3 mm Durchmesser: 30 Liter/Minute.The obtuse surface is created in the same way as with two game 1 welded, but with the following other parameters: 5 kW laser output power, 12.7 cm focal length of the focusing lens (converging lens), flow velocity of the helium gas controlling the plasma through a 1 mm diameter hole: 15 Liters / minute, flow rate of the helium gas generating the plasma through a bore with a diameter of 3 mm: 30 liters / minute.

Die Austrittswinkel e und CL für das das Plasma steuernde Heliumgas betragen 450 bzw. 00. Die Schweißgeschwindigkeit, bei der eine Unternaht stabil produziert wird, wurde ermittelt. Das Ergebnis ist nachstehend zusammen mit dem Ergebnis eines anderen Laser-Schweißverfahrens aufgeführt: Verfahren Schweißgeschwindigkeit erfindungsgemäßes Verfahren 2,1 m/min anderes Laser-Schweißverfahren 1,3 m/min Aus den vorstehenden Ergebnissen zeigt sich, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens das Schweißen mit einer Schweißgeschwindigkeit durchgeführt werden kann, die etwa das 1,6-fache eines anderen Laserschweißverfahrens beträgt.The exit angles e and CL for the helium gas controlling the plasma are 450 or 00. The welding speed at which a bottom seam is stable is produced has been determined. The result is below along with the The result of another laser welding process is listed: Welding speed process method according to the invention 2.1 m / min other laser welding method 1.3 m / min Off The above results show that with the aid of the method according to the invention the welding can be carried out at a welding speed that is approximately 1.6 times that of any other laser welding process.

Beispiel 3 Ein rostfreies Stahlband mit 3 mm Dicke und ein rostfreies Stahlband mit 6 mm Dicke werden an ihren mechanisch abgescherten Kanten stumpf aneinander angelegt. Die stumpfe Fläche wird entsprechend dem Verfahren gemäß Beispiel 1 verschweißt, wobei jedoch der Brennpunkt des Laserstrahlenbündels um 1 mm zu dem Band mit 3 mm Dicke versetzt wurde und die Austrittswinkel 9 und a für das das Plasma steuernde Gas 450 bzw. 900 betrugen. Example 3 A stainless steel belt with a thickness of 3 mm and a stainless one Steel strips with a thickness of 6 mm are butted together at their mechanically sheared edges created. The blunt surface is welded according to the method according to Example 1, however, the focal point of the laser beam is 1 mm to the band of 3 mm Thickness was offset and the exit angle 9 and a for the plasma controlling Gas were 450 and 900 respectively.

Die Schweißnaht der so verschweißten, rostfreien Stahlbänder wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 unter- sucht. Das Ergebnis ist zusammen mit Ergebni-ssen bekannter Schweißverfahren nachstehend -dargestellt: Verfahren Anzahl der wiederholten ten Biegevorgänge vorliegende Erfindung 32 oder mehr Laser-Schweißverfahren kein Schweißen TIG-Schweißverfahren 15 bis 20 SAW-Schweißverfahren 15 bis 20 Abbrenn-Stumpfschweißen kein Schweißen Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Schweißfestigkeit der erfindungsgemäß erhaltenen Schweißnaht dem Stand der Technik deutlich überlegen ist.The weld seam of the stainless steel strips welded in this way was in the same way as in example 1 seeks. The result is shown below together with the results of known welding processes: Method Number of repeated bending operations of the present invention 32 or more laser welding process no welding TIG welding process 15 to 20 SAW welding process 15 to 20 Flash butt welding No welding From the above it follows that that the weld strength of the weld seam obtained according to the invention corresponds to the prior art Technology is clearly superior.

Beispiel 4 Die Oberfläche von Kohlenstoff-Bandstahl wird durch Bestrahlen mit einem Laser-Strahlenbündel bei einer Abschreckgeschwindigkeit von 15 mm/sec abgeschreckt, und zwar unter Einsatz des gleichen Lasers wie bei Beispiel 1. Die Oberflächenabschreckung erfolgt unter den nachstehenden Bedingungen: Die Austrittswinkel s und a für das das Plasma steuernde Gas betrugen 450 bzw. 0°; als Gas für die Erzeugung des Plasmas wurde Heliumgas verwendet, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 Liter/min abgegeben wurde; als Gas zur Steuerung des Plasmas wurde Heliumgas verwendet, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 Liter/min abgegeben wurde; als Schutzgas diente Argon, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 Liter/min abgegeben wurde. In diesem Fall betrugen die Tiefe und die Breite des erhaltenen abgeschreckten Abschnitts jeweils 3 mm. Example 4 The surface of carbon steel strip is irradiated with a laser beam at a quenching speed of 15 mm / sec quenched using the same laser as in Example 1. The Surface quenching occurs under the following conditions: The exit angles s and a for the plasma controlling gas were 450 and 0 °, respectively; as gas for generation of the plasma, helium gas was used, which had a flow rate of 30 liters / min was delivered; the gas used to control the plasma was helium gas used, which was dispensed at a flow rate of 15 liters / min; argon was used as protective gas, which was released at a flow rate of 30 liters / min was delivered. In this case, the depth and width of the obtained were quenched section 3 mm each.

Wenn dagegen die Oberfläche des gleichen Kohlenstoff-Bandstahl durch ein anderes Laser-Wärmebehandlungsverfahren abgeschreckt wurde (bei gleicher Laser-Ausgangsleistung), so betrug die Tiefe des erhaltenen abgeschreckten Abschnitts lediglich 1,0 mm.If, on the other hand, the surface of the same carbon strip steel through another laser heat treatment process was quenched (with the same laser output power), thus the depth of the quenched portion obtained was only 1.0 mm.

Wie vorstehend ausgeführt, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, daß ein Gas zusammen mit einem Laserstrahlenbündel abgegeben wird, um ein Plasma zu erzeugen, und daß ein anderer Gasstrahl verwendet wird, um das Plasma in die gewünschten Richtungen zu einem zu bearbeitendem Basismaterial zu drücken, etwa zur Frontseite eines Arbeitspunktes, beispielsweise einem Schweißpunkt und einem Abschreckpunkt sowie den beiden Seiten einer Arbeitslinie. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders deshalb vorteilhaft, daß der Wirkungsgrad der Energieabsorption des Basismaterials erhöht wird, da die Position des geschmolzenen Abschnitts des Basismaterials gesteuert werden kann und da das Plasma minimal gehalten werden kann, um einen schmalen, tiefen, geschmolzenen Abschnitt zu erhalten.As stated above, the method according to the invention is distinguished characterized in that a gas is emitted together with a laser beam, to generate a plasma, and that another gas jet is used to generate the Plasma in the desired directions to a base material to be processed press, for example to the front of an operating point, for example a welding point and a quench point and both sides of a working line. The inventive Method is particularly advantageous in that the efficiency of energy absorption of the base material is increased as the position of the melted portion of the Base material can be controlled and since the plasma can be kept to a minimum, to get a narrow, deep, melted section.

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Claims

Process for the controlled deformation of a heated part Steel by means of laser radiation Process for controlled shape change a heated object made of steel by means of laser radiation, g e k e n n z e i c h n e t through the following process steps: (a) Irradiating an operating point the object made of steel with a laser beam, being coaxial with this to the working point a first gas jet is directed to a plasma around the working point generate, and (b) aligning a second gas jet to the working point in the tip Angle to the direction of the laser beam so that the plasma is pressed against the steel will.

2. The method according to claim 1, characterized in that the shape of the plasma is controlled by changing the directional angle of the second gas jet.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as Plasma generator gas helium is used.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that helium is used for the second gas jet.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that that the steel is quenched.

6. Application of the method according to one of claims 1 to 5, for Welding steel objects.

7. Application according to claim 6, characterized in -that the objects made of steel have different thicknesses.