DE3720249A1

DE3720249A1 - Verfahren zum schweissen oder schneiden von werkstuecken mit hilfe eines laserstrahls

Info

Publication number: DE3720249A1
Application number: DE19873720249
Authority: DE
Inventors: Marius-Christian Jurca
Original assignee: Individual
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 1987-06-19
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1988-12-29
Also published as: DE3720249C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von Werkstücken mit Hilfe eines Laser strahls, der an der Bearbeitungsstelle (Schweiß- oder Schneidstelle) eine Plasmawolke erzeugt. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß es keine große Differenzen zwischen Schweiß- und Schneidköpfen gibt, unterschiedliche Laserparameter führen zu den zwei Betriebsarten.

Im folgenden wird überwiegend auf das Schweißen Bezug genommen; die Überlegungen gelten auch in z. T. geänderter Form für das Schneiden eines Werkstücks einschließlich des Einstechens, des Bohrens von Löchern und so fort. Es steht allerdings nicht fest, ob es nicht günstiger ist, beim Schneiden mit dem Laserstrahl, die Plasmawolke "wegzublasen" und sie nicht an der Bear beitungsstelle zu halten.

Beim Schweißen von Metallen mit einem Laserstrahl (im Dauerstrich mit CO₂-Gas), gegebenenfalls auch unter Schutzgas (üblicherweise Ar oder He) wird über dem Schweißherd eine Plasmawolke erzeugt. Dies ist er forderlich, um die Laserstrahlenenergie in das Metall einkoppeln zu können. Ohne die Plasmawolke wird nämlich der Laserstrahl zu etwa 95% von der Metalloberfläche reflektiert. Mit der Plasmawolke steigt der Absorptions koeffizient auf über 95%, so daß das Schweißen möglich wird. Um eine Plasmawolke oder Plasmaschicht erzeugen zu können, muß die Laserstrahlintensität die Schwelle von etwa 10⁵ bis 10⁶ W/cm² überschreiten.

Bei den wünschenswerten höheren Bearbeitungsgeschwin digkeiten und auch bei höheren Laserleistungen weist nun die Plasmawolke die Tendenz auf, sich von der Metalloberfläche (Werkstückoberfläche) zu entfernen. Dies führt dazu, daß der Schweißvorgang unterbrochen und die jetzt schwebende Plasmawolke überhitzt wird.

Das geschilderte Problem wird durch einen falsch aus gelegten und quer zur Schweißrichtung auf die Schweiß stelle geblasenen Gasstrom (cross-jet) verstärkt. Der "cross-jet" muß nicht quer zur Schweißrichtung gerichtet sein. Durch diesen Gasstrom wird die Plasma wolke weggeblasen.

Eine schwebende Plasmaschicht schirmt die Metallober fläche also vom Laserstrahl ab.

Eine zusätzliche Schwierigkeit kann beim Schweißen unter Schutzgas auftreten: Das Metallplasma zündet eine schwebende Schutzgasschicht zu einer Plasmaschicht, die ebenfalls den Schweißvorgang unterbricht.

Zum Stand der Technik sei noch verwiesen auf die DE-OS 29 22 563, die diese Problematik schildert. Der DE-OS 34 24 825 kann der Gedanke entnommen werden, zum perio dischen Unterbrechen (Choppen) des Laserstrahls diesen in seiner Intensität entsprechend zu steuern. Das Choppen eines Laserstrahls bringt bei bestimmten An wendungen eine Reihe von Vorteilen mit sich. Die dort beschriebene Lösung ist aber unbefriedigend, insbesondere wegen der verhältnismäßig niedrigen, maximalen Chopp frequenz.

Schließlich sei noch hingewiesen auf die DE-OS 26 30 795, die schon den Gedanken beschreibt, beim Gravieren einer Platte mit Hilfe eines Laserstrahls die Plasmawolke zu Steuerungszwecken zu erfassen, weil die Plasmawolke ein Maß für die Menge des beim Gravieren abgetragenen Materials ist.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von Werkstücken mit Hilfe eines Laserstrahls vorzuschlagen, mit dem sich fühlbar höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten ohne die geschilderten Nachteile erzielen lassen. Auch soll der Laserstrahl gegebenenfalls periodisch unterbrochen (ge choppt) werden können und es soll auch möglich sein, die Qualität der hergestellten Schweißnaht bzw. Schneid stelle auf einfache Art und Weise zu überwachen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch ge kennzeichnet, daß ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, mit dem die Lage der Plasmawolke, bezogen auf die Bearbeitungsstelle, gesteuert wird.

Man kann beispielsweise die Lage der Plasmawolke mit Hilfe des elektromagnetischen Feldes so verändern, daß, angepaßt an einen Schneid- oder Schweißprozeß, der Ab schirmeffekt der Plasmawolke vermieden und die Laser energieeinkoppelung in das Werkstück optimiert wird. Dadurch wird also die entstehende Plasmaschicht oder Plasmawolke gewissermaßen auf die Metalloberfläche drücken, so daß diese dort permanent bleibt, auch bei höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Unter Verwendung eines elektrischen Feldes mit den Feldlinien parallel zur Laserstrahlachse kann die Plasmawolke ebenfalls auf die Metalloberfläche gedrückt werden. Die Verwendung der elektromagnetischen Felder kann auch gleichzeitig mit der Anlage des elektrischen Feldes erfolgen und alle diese Verfahrensweisen werden unter dem Begriff des elektromagnetischen Feldes subsummiert.

Durch diese Verfahrensführung wird also die Energie des Laserstrahls sehr gleichmäßig in den gerade bear beiteten (geschweißten oder geschnittenen) Werkstoff eingeleitet, wodurch die Qualität der Schweiß- oder Schneidstelle fühlbar erhöht wird, auch bei höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten.

Es ist auch von praktischem Interesse, den abschirmenden Effekt der Plasmaschicht zur Unterbrechung des Laser strahls auszunutzen. Dies erfolgt nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die Stärke und/oder Richtung des elektromagnetischen Feldes derart periodisch geändert wird, daß die Laserstrahleinkoppelung in das Werkstück durch eine entsprechende Verschiebung der Plasmawolke mit der Modulationsfrequenz unterbrochen oder vermindert wird.

Man kann das Verfahren auch zur Qualitätskontrolle der Schweißnaht bzw. Schneidstelle ausnutzen, zu welchem Zweck dann die Lage und/oder Dichte der Plasmawolke überwacht wird.

Wenn zwischen zwei leitfähigen Fühlern, die in der Nähe der Schweißstelle angebracht sind, eine Potential differenz angelegt und der zwischen diesen Fühlern über die Plasmawolke fließender Strom gemessen wird, so erhält man eine Kontrolleinrichtung für die Plasma bildung und für alle Effekte, die davon abhängen.

Es sei außerdem bemerkt, daß die Überwachung der Plasma wolke nur dann eine Schweißnaht-Qualitätskontrolle darstellt, wenn beim Schweißen der Laserstrahl exakt auf die Schweißfuge positioniert ist.

Es könnte sein, daß die Lage der Plasmawolke über der Schweißnaht von der Position des Laserstrahls in der Schweißfuge abhängt. In einem solchen Fall könnte man uneingeschränkt von einer Qualitätskontrolle der Schweißnaht sprechen. Eine solche Tatsache würde außerdem die Möglichkeit der Positionierung des Laserstrahls auf die Fuge anbieten, ähnlich wie in der DE-OS 35 43 681 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch und perspektivisch eine An ordnung zur Erläuterung der grundsätzlichen Zusammenhänge;

Fig. 2 ebenfalls schematisch und perspektivisch eine andere Anordnung;

Fig. 3 das in Fig. 1 verwendete Koordinatensystem mit weiteren Erläuterungen.

Fig. 1 zeigt ein einfaches Beispiel einer Schweiß stelle auf einem geradlinigen Draht, mit dem hier einfachheitshalber auch das Magnetfeld erzeugt wird. Die Trajektorie der geladenen Materie, die aus dem Schweißherd mit herausgeschleudert wird, wird durch so gekrümmt, daß die ionisierte Materie (= Plasma wolke) in der Nähe des Schweißherdes bleibt.

Dabei bedeutet:

I = Stromstärke durch den dick gezeichneten Leiter q = Ladung eines Teilchens, das sich mit bewegt = Teilchengeschwindigkeit = magnetische Feldlinien bzw. Flußdichte

Für die Lorenzkraft gilt: = q × .

Für +q hat die umgekehrte Richtung.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 werden die Teilchen, die senkrecht auf die Spulenfläche herausgeschleudert werden, nicht beeinflußt. Alle anderen Teilchen, die unter einem anderen Winkel herausgeschleudert werden, werden von in eine kreisförmige Bahn um die optische Achse des Systems (= Laserstrahl) gelenkt (s. auch Fig. 3).

Die beiden Anordnungen nach Fig. 1 und 2 zeigen ledig lich die Auswirkungen von zwei willkürlich gewählten Feldern.

Claims

1. Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von Werk stücken mit Hilfe eines aus einem Schweiß- oder Schneidkopf austretenden Laserstrahls, der über der Bearbeitungsstelle eine Plasmawolke erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, mit dem die Lage der Plasmawolke, bezogen auf die Bearbei tungsstelle, gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Plasmawolke mit Hilfe des elektro magnetischen Feldes so verändert wird, daß, angepaßt an einen Schneid- oder Schweißprozeß, der Abschirm effekt der Plasmawolke vermieden und die Laserener gieeinkoppelung in das Werkstück optimiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da die Stärke und/oder Richtung des elektromagnetischen Feldes derart periodisch geändert wird, daß die Laser strahleinkoppelung in das Werkstück durch eine ent sprechende Verschiebung der Plasmawolke mit der Modulationsfrequenz unterbrochen oder vermindert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage und/oder die Dichte der Plasmawolke überwacht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere leitfähige Fühler in der Nähe der Plasmawolke angebracht werden und der Strom, der sich durch die leitfähige Plasmawolke beim Anlegen einer Potentialdifferenz an die genannten Fühler einstellt, gemessen wird.