DE3121555C2

DE3121555C2 - Process for processing steel using laser radiation

Info

Publication number: DE3121555C2
Application number: DE3121555A
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: 1983-11-17
Also published as: DE3121555A1

Abstract

Bei dem Behandlungsverfahren wird der Stahl durch ein Laserstrahlenbündel (16) derart behandelt, daß dieses sowie ein Gasstrahl (32) gleichzeitig auf einen Arbeitspunkt des Stahls gerichtet werden, um ein Plasma (34) um den Arbeitspunkt herum zu erzeugen. Ein anderer Gasstrahl (42) wird unter einem spitzen Winkel zur Austrittsrichtung des Laserstrahlenbündels zu dem Arbeitspunkt abgegeben, um das Plasma gegen die Stahloberfläche zu drücken, wobei durch Ändern des spitzen Austrittswinkels des zweiten Gasstrahls die Form und die Lage des Plasmas verändert werden kann.In the treatment process, the steel is treated by a laser beam (16) in such a way that it and a gas beam (32) are simultaneously directed onto an operating point of the steel in order to generate a plasma (34) around the operating point. Another gas jet (42) is emitted at an acute angle to the exit direction of the laser beam to the working point in order to press the plasma against the steel surface, whereby the shape and position of the plasma can be changed by changing the acute exit angle of the second gas jet.

Description

dadurch gekennzeichnet,characterized,

f) daß die Düse (30) um die Längsachse der ersten Bohrung (306J am Halter (58) drehbar ist.f) that the nozzle (30) is rotatable about the longitudinal axis of the first bore (306J on the holder (58).

2. Verfahren zum Bearbeiten von Stahl mittels einer Vorrichtung nach An:- iruch 1 mit einer auf einen Arbeitspunkt des Stahls gerichteter Laserstrahlung und einem dazu koaxialen ersten Gasstrahl zum Ausbilden einer Plasmawolke um den Arbeitspunkt herum, wobei zum Andrücken der Plasmawolke an den Stahl ein zweiter Gasstrahl im spitzen Winkel zur Strahlrichtung des Laserstrahls auf den Arbeitspunkt gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrahl um die Laserstrahlachse zum Einstellen der Ablenkrichtung der Plasmawolke gedreht wird.2. Method for processing steel by means of a device according to An: - iruch 1 with a a working point of the steel directed laser radiation and a first gas beam coaxial therewith to form a plasma cloud around the working point, with the Plasma cloud to the steel a second gas jet at an acute angle to the direction of the laser beam is directed to the working point, characterized in that the second gas jet around the Laser beam axis is rotated to adjust the deflection direction of the plasma cloud.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Stahl nach dem Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens, z. B. zum Schweißen, Härten, Bohren, Oberflächenabschrecken oder Schneiden von Stahlgegenständen.The invention relates to a method for machining steel according to claim 1 and to a device to carry out this procedure, e.g. B. for welding, hardening, drilling, surface quenching or Cutting steel objects.

Aus der GB-PS 15 91 793 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Metallen mittels Laserstrahlung bekannt, wobei die durch einen zum Laserstrahl koaxialen Gasstrom im Bereich des Werkstückes erzeugte Plasmawolke durch einen zweiten schräg auftreffenden Gasstrahl in ihrer Form geändert werden kann.From GB-PS 15 91 793 a method and a device for processing metals by means of Known laser radiation, the gas flow coaxial to the laser beam in the area of the The shape of the plasma cloud generated by a second inclined gas jet impinging on the workpiece can be changed.

Aus der DE-OS 23 38 514 ist es bekannt, mehrere Kühlmitteldüsen konzentrisch zur Strahlrichtung des Laserstrahls anzuordnen. Eine Formänderung der Plasmawolke ist nicht vorgesehen und auch nicht möglich, vielmehr bleibt diese bei jeder Betriebsbedingung symmetrisch zur Laserstrahlachse.From DE-OS 23 38 514 it is known to have a plurality of coolant nozzles concentric to the jet direction of the Arrange the laser beam. A change in shape of the plasma cloud is not intended and also not possible, but it remains symmetrical to the laser beam axis under all operating conditions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der aus der GB-PS 91 793 bekannten Art anzugeben, daß eine einfache Einstellung der Richtung des zweiten Gasstrahls möglich ist, um eine gezielte Ablenkung der Plasmawolke zu erreichen.The invention is based on the object of a method and a device from the GB-PS 91 793 known way to indicate that a simple adjustment of the direction of the second gas jet is possible to achieve a targeted deflection of the plasma cloud.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst Dabei wird ein Gas zusammen mit einem Laserstrahlenbündel abgegeben, um ein Plasma zu erzeugen; ein zweiter beweglicher Gasstrahl drückt das Plasma in die gewünschte Richtung zu dem zu bearbeitendem Metall, etwa zur Frontseite einesThis object is achieved with the features of the patent claims. In this case, a gas is combined delivered with a laser beam to generate a plasma; a second moving gas jet pushes the plasma in the desired direction towards the metal to be processed, for example towards the front of a

ίο Arbeitspunktes, beispielsweise einem Schweißpunkt und einem Abschreckpunkt sowie den beiden Seiten einer Arbeitslinie. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß der Wirkungsgrad der Energieabsorption des Basismaterials erhöht wird, da die Position des geschmolzenen Abschnitts des Metalls gesteuert werden kann und da die Ausdehnung des Plasmas minimal gehalten werden kann, so daß man einen schmalen, tiefen, geschmolzenen Abschnitt erhält Dadurch ist es möglich, den von der Wärme beeinflußten Bereich des Metalls sehr klein zu halten und beispielsweise eine Schwächung des geschweißten Materials beim Schweißen zu vermeiden. Beim Abschrecken der Oberfläche von Stahl mit Hilfe eines Laserstrahls kann die Tiefe des abgeschreckten Bereichs des Stahls gesteuert werden. Die Form des erzeugten Plasmas kann dabei durch Ändern 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. Diese Maßnahmen können dazu eingesetzt werden, um die Bearbeitung von Stahl unter Einsatz von einem oder mehreren Laserstrahlen zu verbessern.ίο working point, for example a welding point and a quench point and both sides of a working line. It is particularly advantageous that the efficiency of energy absorption of the base material is increased as the position of the molten Section of the metal can be controlled and since the expansion of the plasma can be kept to a minimum can, so that you get a narrow, deep, molten portion. This makes it possible to use the To keep heat affected area of the metal very small and, for example, a weakening of the to avoid welded material when welding. When quenching the surface of steel using a laser beam, the depth of the quenched area of the steel can be controlled. The shape of the generated plasma can thereby by changing the exit direction of the compressing the plasma Gas jet can be changed. Changing the shape of the plasma causes changes in shape of the heated part of the steel. These measures can be used to stop the processing of steel using one or more laser beams.

Fig. la eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Laser-Schweißverfahrens, Fig. Ib eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Neigungswinkels des Gasstrahls,La is a schematic illustration for explanation of the laser welding process according to the invention, FIG. 1b a schematic illustration for explanation the angle of inclination of the gas jet,

F i g. 2a eine schematische Querschnittsansicht einer durch Laser-Schweißen erhaltener· Schweißnaht, wobei das Plasma nicht gesteuert wurde.F i g. 2a is a schematic cross-sectional view of a · weld obtained by laser welding, where the plasma was not controlled.

Fig. 2b eine Querschnittsansicht der mit dem erfindungsgemäßen Laser-Plasmaschweißverfahren erhaltenen Schweißnaht, wobei das Plasma gesteuert wurde,2b shows a cross-sectional view of the obtained with the laser plasma welding method according to the invention Weld seam, where the plasma was controlled,

F i g. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Laser-Schweißverfahrens, wobei zwei Basismaterialien mit unterschiedlichen Dicken verschweißt wurden,F i g. 3 shows a schematic illustration to explain the laser welding method according to the invention, wherein two base materials with different thicknesses were welded,

Fig. 4a eine Querschnittsansicht der mit dem Laser-Schweißverfahren gemäß Fig. 3 erhaltenen Schweißnaht, wobei die Plasmasteuerung unzureichend war, undFIG. 4a shows a cross-sectional view of the one obtained with the laser welding method according to FIG. 3 Weld where the plasma control was inadequate, and

Fig.4b eine Querschnittsansicht der mit dem Laser-Schweißverfahren gemäß F i g. 3 erhaltenen Schweißnaht, wobei die Plasmasteuerung ausreichend war, und4b shows a cross-sectional view of the with the laser welding method according to FIG. 3 received Weld, where the plasma control was sufficient, and

Fig.5 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Laser-Schweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nach Fig. la ist eine Düse 40 zum Abgeben eines Gasstrahl unter einem Neigungswinkel gegenüber einer Düse 30 vorgesehen, mit der das Lascrstrahlenbündel 16 und das das Plasma erzeugende Gas 32 koaxial zugeführt werden. Ein Gasstrahl 42 wird zur Oberfläche des Gegenstandes 26 gemäß Fig. la abgegeben. Die Mittellinie I₂ der Düse 40 oder des Gasstrahls 42 hat (Fig. Ib) Winkel λ und Φ zur Mittellinie /ι des Laserstrahlenbündeis 16. Falls die Mittellinie /ι des Laserstrahls die z-Achse und die Schweißlinie (z. B. die5 shows a cross-sectional view of an embodiment of a laser welding device for carrying out the method according to the invention.
According to FIG. 1 a, a nozzle 40 is provided for emitting a gas jet at an angle of inclination with respect to a nozzle 30, with which the laser beam 16 and the gas 32 generating the plasma are supplied coaxially. A gas jet 42 is emitted to the surface of the object 26 according to FIG. La. The center line I _{2 of} the nozzle 40 or the gas jet 42 has (Fig. Ib) angles λ and Φ to the center line / ι of the laser beam bundle 16. If the center line / ι of the laser beam is the z-axis and the welding line (z. B. the

in F ί g. 3 gezeigte stumpfe Fläche 14) die x-Achse ist, so hat eine Projektion der Mittellinie h des Gasstrahls 42 auf die durch die x- und z-Achsen definierte Ebene einen Winkel Φ zur x-Achse (90° — θ zur z-Achse) und einen Winkel « auf der durch die x- und y-Achse definierten Ebene (Winkel λ zur x-Aehse}. Der Winkel o. kann entweder positiv oder negativ sein. Wenn Gasstrahl 42 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-Achs2 aufweist, d. h. in Elickenriphtung 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 Andrükken 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 Schweißwirkungsgrades. Die-y-Komponente drückt das Hasma 34 an die linke oder rechte Seite der Schweißlinie, uad zwar je nach der Größe des Winkels α 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 der Oberflächenbereich des geschmolzenen Teils reduziert und in den geschmolzenen Teil umgewandelt wird. Daher wird ein schmaler, tiefgeschmolzener Teil erhalten.in F ί g. 3) is the x-axis, a projection of the center line h of the gas jet 42 onto the plane defined by the x- and z-axes has an angle Φ to the x-axis (90 ° - θ to the z-axis ) and an angle on the plane defined by the x and y axes (angle λ to the x axis}. The angle o. can be either positive or negative. When gas jet 42 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-Achs2, ie in Elickenriphtung of the object 26. Thereby, a deep fused portion formed the velocity vector of the gas jet 42 also has components in the direction of the x -. and y-axis on the x-component of the plasma causes Andrükken 34, so that the energy of the plasma is effectively utilized for heating of this part against a part of the welded base materials this causes a Zunah. me of the welding efficiency. The -y component presses the hash 34 against the left or right side of the weld line, depending on the size of the angle α strongly or only to a small extent. This function of the y component is extremely effective for welding two base materials of different thicknesses, as will be explained in more detail below. If the gas jet is blown obliquely to the plasma mass, as stated above, the circumferential area of the plasma mass is further cooled by the gas jet 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 central section, an active supply of energy to the weld seam of the base materials is brought about. This leads to a minimization of the plasma mass, so that, for example, the surface area of the molten part is reduced and converted into the molten part. Hence, a narrow, deep-melted part is obtained.

In Fig. Ib bedeutet der Pfeil Fdie Schweißrichtung, d. h. die Bewegungsrichtung des Laserstrahls 16 relativ zum Werkstück 26.In Fig. Ib the arrow F means the welding direction, d. H. the direction of movement of the laser beam 16 relative to the workpiece 26.

Die Plasmasteuerv/irkung des dos Plasma zusammendrückenden Gasstrahls wird mit Bezug auf die F i g. 2a und 2b beim Stumpfschweißen zweier Basismaterialien 10 und 12 näher erläutert Die F i g. 2a zeigt den Fall, bei dem keine Pissmasteuerung vorgenommen wird, während die F i g. 2b den Fall mit Plasmasteuerung erläutert. In Fig.2a hat der geschmolzene, schraffierte Teil 11 die Form eines Weinglases, während in Fig.2b der geschmolzene Abschnitt 11 faßförmig ist Der Vergleich dieser geschmolzenen Abschnitte zeigt deutlich, daß die Plasmasteuerung außerordentlich wirkungsvoll ist, um einen schmalen, tiefgeschmolzenen Abschnitt gemäß Fig.2b zu erhalten. Im Falle der F i g. 2b ist die Richtung des das Plasma zusammendrükkenden Gasstrahls gegeben durch den Winkel « = 0° und θ=45».The plasma control effect of the dos plasma compressing Gas jet is with reference to the F i g. 2a and 2b when butt welding two base materials 10 and 12 explained in more detail. 2a shows the case in which no pissma control is carried out is, while the F i g. 2b explains the case with plasma control. In Fig.2a the melted, hatched Part 11 the shape of a wine glass, while in Fig.2b the melted portion 11 is barrel-shaped. Comparison of these melted portions shows It is clear that the plasma control is extremely effective for a narrow, deeply melted one To get section according to Fig.2b. In case of F i g. 2b the direction of the gas jet compressing the plasma is given by the angle = 0 ° and θ = 45 ».

Gemäß Fig.3 werden zwei Basismaterialien IC und 12 mit unterschiedlicher Dicke miteinander verschweißt. Bei verschiedenen Bearbeitungsprozessen in der Eisen- und Stahlindustrie werden eine große Anzahl von Schweißverfalireii angewendet. Beispielsweise wird nach dem Warmwalzen ein Stahlband abgebeizt, geglüht und kaltgewalzt Bei diesen Verfahren werden Stahlband-Spulen miteinander stumpf verschweißt Im letzteren Fall ist das Mate *i«l dieser Spulen unterschiedlich dick, beispielsweise 6 mm bei der Stahlbandspule und 3 mm bei der Anfangsspde. In F i g. 3 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 166 eingestrahlt In diesem Fall wird ein nicht zu verschweißender Teil des Bäsismaterials 10 geschmolzen. Um dies zu vermeiden, werden die Laserstrahlenbündel gemäß den durchgezogenen Linien 16 ausgerichtet wobei der Teil des Basismaterials 12, der von der stumpfen Fläche 14 einen Abstand aufweist, geschmolzen wird. In beiden Fällen kann jedoch ein zufriedenstel-Iendes Schweißergebnis nicht erreicht werden. Demgegenüber wird hier das Plasma 34 gegen das Basismaterial 10 gedrückt indem der Gasstrahl 42 unter einem geeigneten Neigungswinkel λ abgegeben wird. In diesem Fall werden geschmolzene AKchnitte ausgebildet die die beiden Seilen der sumpfen Fläche überbrücken, und diese Basismaterialien 10 und 12 können fest entlang der stumpfen Räche 14 miteinander verschweißt werden.According to Figure 3, two base materials IC and 12 welded together with different thicknesses. With various machining processes in A great number of welding processes are used in the iron and steel industry. For example, will After hot rolling, a steel strip is pickled, annealed and cold rolled Steel-band coils butt-welded to one another. In the latter case, the material of these coils is different thick, for example 6 mm for the steel tape reel and 3 mm for the starting spde. In Fig. 3 is the thicker one Coil through the base material 10 and the thinner coil through the base material 12 indicated Base materials are to be welded together by conventional laser beam welding, the Laser beam irradiated according to dashed lines 166. In this case, a is not the welding part of the base material 10 melted. In order to avoid this, the laser beam bundles are aligned according to the solid lines 16 wherein the portion of the base material 12 spaced from the blunt surface 14 is melted will. In both cases, however, a satisfactory welding result cannot be achieved. In contrast is here the plasma 34 is pressed against the base material 10 by the gas jet 42 under a suitable angle of inclination λ is given. In in this case, molten A-cuts are formed the two ropes of the swampy surface bridge, and these base materials 10 and 12 can be firmly along the butt 14 with each other be welded.

Die F^;g.4a und 4b sind Querschnittsansichten der Basismaterialien mit unterschiedlicher Dicke, die mit dem beschriebenen Verfahren verschweißt worden sind. Die F i g. 4a zeigt einen Fall, wo die Plasmasteuerung unzureichend vorgenommen worden ist, während die Fig.4b 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.The F ^; g.4a and 4b are cross-sectional views of the base materials of different thicknesses that have been welded using the method described. The F i g. 4a shows a case in which the plasma control has been carried out insufficiently, while FIG. 4b shows a case in which the plasma control has been carried out in a satisfactory manner can be moved advantageously.

In dem Fall, wo das Schweißen entlang einer gekrümmten Schweißlinie vorgenommen werden soll, muß die Plasmaandruckrichtung entsprechen^ der Schweißlinie geändert werden, in diesem Fall wird der Gasabgabewinkel « so geändert, daß er mit der Richtung der gekrümmten Schweißlinie am Schweißpunkt konform geht und daß das Plasma gegen den Schweißabschnitt des Basismaterials gedlückt wird. Falls erforderlich, kann der Gasabgabewinkel <x größer oder kleiner als die Tangente an der SchweißlinieIn the case where welding is to be done along a curved welding line, the direction of plasma pressure must correspond to the welding line, in this case the Gas delivery angle «changed to match the direction of the curved weld line at the weld point conforms and that the plasma is pressed against the weld portion of the base material. If necessary, the gas delivery angle <x can be larger or smaller than the tangent on the weld line

'5 ausgebildet werden, um das Plasma stärker an eines der stumpf anstoßenden Basismaterialien zu drücken.'5 can be designed to make the plasma more responsive to one of the to press butt abutting base materials.

Die Fig.5 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Schweißdüse. Gemäß F ί g. 5 weist diese Schweißdüse eine Linse 50 aus KCl auf, durch die die5 shows a cross-sectional view of an exemplary welding nozzle. According to F ί g. 5 indicates this Welding nozzle has a lens 50 made of KCl through which the

so Konvergenz und die Abbildung des Laserstrahlbündels bewirkt wird und die durch einen Linsenhalter 52 gehalt: η wird; die Düse 30 wird durch Halter 54,56 und 58 gehalten. Die Düse 30 ist ferner mit einer Bohrung 306 versehen, durch die das Laserstrahlbündijl und der Gasstrahl zum Erzeugen des Plasmas geführt werden. Das das Plasma erzeugende Gas wird der Düse 30 durch eine Gaszuführußgsbohrung 54a zugeführt. Die Düse 30 ist am Halter 58 frei drehbar um die Längsachse der Bohrung 30b befestigt. Die Drehstellung der Düse 30 wird durch eine Schraube 60 fixiert Der Halter £3 ist an seinem unteren Abschnitt mit einer Düse 62 versehen, durch die ein Schutzgas abgegeben wird. Die Düse 62 ist mit einer Bohrung 67a zum Einleiten des Schutzgases, mit Bohrungen 62i> zum Abgeben des Schutzgases sowie mit einer Bohrung 62c zum Einleiten eines Gasstrahls versehen. Ein Rohr oder ein Schlauch 64 zum Zuführen des Gasstrahls ist in die Bohrung 62c eingesetzt Die Düse 39 ist an ihrem unterenso convergence and the imaging of the laser beam is effected and which is held by a lens holder 52: η is; the nozzle 30 is supported by holders 54,56 and 58 held. The nozzle 30 is also provided with a bore 306 through which the laser beam bundle and the Gas jet are guided to generate the plasma. The gas generating the plasma is passed through the nozzle 30 a Gaszuführußgsbohrung 54a supplied. The nozzle 30 is freely rotatable on the holder 58 about the longitudinal axis of the Bore 30b attached. The rotary position of the nozzle 30 is fixed by a screw 60. The holder £ 3 is on its lower portion is provided with a nozzle 62 through which a protective gas is emitted. The nozzle 62 is with a hole 67a for introducing the protective gas, with holes 62i> for dispensing the protective gas and provided with a bore 62c for introducing a gas jet. A pipe or hose 64 for Feeding the gas jet is inserted into the bore 62c. The nozzle 39 is at its lower

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 30i> auf. Da die Bohrung 62cder 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 Arbeitspunkt P abgegeben. Da die Düse 30 drehbar ist, kann der Austrittswinkel λ des Gasstrahls durch Drehen der Düse 30 in der gewünschten Weise eingestellt werden. In der in Fig.5 dargestellten Vorrichtung liegt der Gasaustrittswinkel θ fest.Circumferential portion provided with an annular groove 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 30i>. Since the bore 62c of the nozzle 62 ends in the groove 30a, the gas supplied through the pipe or hose 64 is released to an operating point P via the bore 63c, the groove 30a and the bore 30c. Since the nozzle 30 is rotatable, the exit angle λ of the gas jet can be adjusted in the desired manner by rotating the nozzle 30. In the device shown in Figure 5, the gas exit angle θ is fixed.

In der vorstehend erläuterten Schweißdüse 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 ex. leicht durch Drehen der Düse 30 gesteuert werden. Die automatische Steuerung des Winkels λ kann leicht dadurch ausgeführt werden, daß man die Düse 30 mit Hilfe eines Servomotors dreht.In the welding nozzle explained above, the small, lightweight nozzle 30 is rotatable and the pipe or hose 64 for the gas supply is stationary, that is to say it is attached to the nozzle 62. This allows the gas exit angle ex. can be easily controlled by rotating the nozzle 30. The automatic control of the angle λ can be easily carried out by rotating the nozzle 30 by means of a servo motor.

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 weld line.

Um sicherzustellen, daß die Bohrung 306 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 Heliums beträgt 24,588 V, während die von Ar 15,760 V und die von N₂ 14,53 V beträgt. In diesem 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 Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird. Ein auf eine hohe Temperatur erhitztes Gas mit zweiatomigen Molekülen befindet sich in einem energetisch hohen Zustand wegen seiner kinetischen Energie und seiner elektronischen Anregungsenergie. Daher neigt das Gas im vorstehend erläuterten Zustand leicht zur Konversion in ein Plasma. In vorteilhafter Weise liegt der Gasaustrittswinkel tx im Bereich von -90° bis +90" und der Winkel θ im Bereich von 30 bis 80°. Wenn der Winkel θ nahe oder gleich 0° 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. kein Plasma erzeugt wird.In order to ensure that the bore 306 for discharging the gas jet operates satisfactorily, the pressure, the pressure distribution, the gas discharge angle and the type of gas should preferably be selected in a suitable manner. Helium (He) with a high electrolytic dissociation voltage over argon (Ar) or nitrogen (N ₂ ) is preferred as the gas for generating the plasma. The electrolytic dissociation voltage of helium is 24.588 V, while that of Ar is 15.760 V and that of N _{2 is} 14.53 V. In this, helium (He) is particularly preferred, since this is particularly effective for the required minimal generation of the plasma. Further, it is preferred that the helium is supplied at a low flow rate. A gas with diatomic molecules heated to a high temperature is in a high energy state because of its kinetic energy 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 tx is advantageously in the range from -90 ° to +90 "and the angle θ in the range from 30 to 80 °. If the angle θ is close to or equal to 0 °, the plasma is only blown along the surface of the base material In this case, the result is essentially the same as when no gas is used, ie no plasma is generated.

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 plasma controlling gas can be selected from a group of different gases such as argon (Ar), helium (He) and nitrogen (N ₂ ). Of these gases, argon (Ar) and helium (He) do not cause any problem. However, when nitrogen (N ₂ ) is used, the heated portion is nitrided. Therefore, if nitration is not desired, the use of nitrogen is preferably avoided.

example 1

Zwei rostfreie Stahlbänder (SUS 304) 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 F i g. 5 bestrahlt, wobei durch die Bohrung ein ein Plasma erzeugendes HeliumgasTwo stainless steel strips (SUS 304) each 3 mm thick are attached to their sheared ends butt connected to each other. The blunt surface is with a laser beam through an irradiation hole of 3 mm in diameter using a laser according to FIG. 5 irradiated, being through the bore a plasma-generating helium gas

abgegeben wird. Der Laser weist eine Ausgangsleistung von 2 kW auf und ist mit einer Fokussrerungslinse mit einer Brennweite von 7,62 cm versehen. Gleichzeitig mit der Bestrahlung durch das Laserstrahlbündel wird ein das Plasma kontrollierendes Heliumgas zu dem mit dem Laserstrahlenbündel bestrahlten Abschnitt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter/Minuten durch eine Bohrung von I mm Durchmesser abgegeben. Dadurch wird die stumpf anliegende Oberfläche verschweißt. In diesem Fall betrugen die Austrittswinkel θ und α 45° bzw. 0° d. h., der das Plasma steuernde Gasstrom wird entlang der Schweißlinie abgegeben. Das das Plasma erzeugende Heiliumgas wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/Minuten abgegeben, und die Schweißgeschwindigkeit beträgt 15 m/Sekunden.is delivered. The laser has an output power of 2 kW and is equipped with a focus reduction lens provided a focal length of 7.62 cm. Simultaneously with the irradiation by the laser beam, a the plasma controlling helium gas to the portion irradiated with the laser beam with a Flow rate of 10 liters / minute delivered through a bore 1 mm in diameter. As a result, the butt-fitting surface is welded. In this case the exit angles were θ and α 45 ° or 0 ° d. That is, the gas flow controlling the plasma is emitted along the welding line. The Heilium gas generating the plasma is released 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 Hüle eines wiederholten Biegetests mit einem Biegewinkel von 90° abgeschätzt. Die Ergebnisse werden nachstehend zusammen mit Ergebnissen aus bekannten Schweißverfahren aufgeführt:The quality of the weld seam of the stainless steel strips thus formed is repeated with one another Bending tests estimated with a bending angle of 90 °. The results are below Listed together with results from known welding processes:

Verfahrenprocedure Anzahl dernumber of wiederholtenrepeated BiegevorgängeBending operations Verfahren nach Beispiel 1Procedure according to example 1 4343 LaserplasmaverfahrenLaser plasma process 1010 (ohne Plasmasteuerung)(without plasma control) TIG-SchweißverfahrenTIG welding process 2525th SAW-SchweißverfahrenSAW welding process 55 AbbrennstumpfschweißenFlash butt welding 1616

Aus den vorstehenden ErgeDnissen zeigt sich, daß die Sehweißfestigkeit der erhaltenen Schweißnaht dem Stand der Technik deutlich überlegen ist.From the above results it can be seen that the strength of the weld seam obtained is the same The state of the art is clearly superior.

Example 2

Zwei rostfreie Stahlbänder von jeweils 6 mm Dicke werden an ihren abgeschnittenen Ende aneinander stumpf angelegt. Die stumpfe Fläche wird in der gleichen Weise wie bei Beispiel 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 Hehumgases durch eine Bohrung mit 3 mm Durchmesser: 30 Liter/Minute. Die Austrittswinkel θ und « für das das Plasma steuernde Heliumgas betragen 45° bzw. 0°. Die Schweißgeschwindigkeit, bei der eine Unternaht stabilTwo stainless steel strips, each 6 mm thick, are attached to each other at their cut ends butt laid out. The blunt surface is welded in the same way as in Example 1, however with the following other parameters: 5 kW laser output power, 12.7 cm focal length of the focusing lens (Converging lens), flow rate of the helium gas controlling the plasma through a bore with a diameter of 1 mm: 15 liters / minute, flow rate of the helium gas generating the plasma through a bore with a diameter of 3 mm: 30 liters / minute. The exit angles θ and «for the that Plasma-controlling helium gas is 45 ° and 0 °, respectively. The welding speed at which a bottom seam is stable

produziert wird, wurde ermittelt Das Ergebnis ist nachstehend zusammen mit dem Ergebnis eines anderen Laser-Schweißverfahrens aufgeführt:is produced, has been determined The result is listed below along with the result of another laser welding process:

Verfahrenprocedure

Schweißgeschwindigkeit Welding speed

Verfahren nach Beispiel 2 2,1 m/minMethod according to Example 2 2.1 m / min

Anderes Laser-Schweißverfahren 1,3 m/minOther laser welding process 1.3 m / min

Aus den vorstehenden Ergebnissen zeigt sich, daß das Schweißen mit einer Schweißgeschwindigkeit durchgeführt werden kann, die etwa das l,6fache eines anderen Laserschweißverfahrens beträgt.From the above results, it is found that welding was carried out at a welding speed which is about 1.6 times that of another laser welding process.

Beispiel 3Example 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 dieA stainless steel belt 3 mm thick and a stainless steel belt 6 mm thick are attached to their Mechanically sheared edges butt against each other. The blunt surface is corresponding to the Welded method according to Example 1, but the focal point of the laser beam increases by 1 mm the tape with 3 mm thickness was added and the Austrittswinkel θ und <x für das das Plasma steuernde Gas 45° bzw. 90° betrugen.Exit angle θ and <x for that controlling the plasma Gas were 45 ° and 90 °.

Die Schweißnaht der so verschweißten, rostfreien Stahlbänder wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 untersucht. Das Ergebnis ist zusammen mit Ergebnissen bekannter Schweißverfahren nachstehend dargestellt:The weld seam of the stainless steel strips thus welded was made in the same manner as in Example 1 examined. The result is shown below along with results of known welding methods shown:

Verfahrenprocedure Anzahl dernumber of

wiederholtenrepeated

BiegevorgängeBending operations

Gemäß Beispiel 3 Laser-SchweißverfahrenAccording to example 3 Laser welding process

SAW-Schweißverfahren Abbrenn-StumpfschweißenSAW welding process Flash butt welding 33 oder mehr kein Schweißen 15 bis 20 15 bis 2C kein Schweißen33 or more no welding 15 to 20 15 to 2C no welding

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Schweißfestigkeit der erhaltenen Schweißnaht dem Stand derTechnik deutlich überlegen ist.From the above, it can be seen that the weld strength of the weld seam obtained is clearly superior to the prior art.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for processing steel with

a) a converging lens (50) for focusing a laser beam (16) on an operating point in the Area of steel,

b) a holder (54,56, 58) arranged in the beam direction behind the lens (50) with a Passage for the focused laser beam,

c) a device (54a, J for dispensing a first gas beam (32) coaxial with the laser beam (16) into the passage.

d) a nozzle (30) arranged behind the holder in the direction of the beam, through which the laser beam (16) and the first gas beam (22) through a first bore (30b) coaxially to one another onto the work point (P) , forming a plasma cloud (34) exit directed, and with

e) a second bore (30ς) in the nozzle (30) for Delivery of a second gas jet (42) directed towards the working point, its velocity vector a component in the direction of the first gas jet (32) has,