DE3827297C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit Laserstrahlung, die zum Verschweißen eines Werkstücks mit einem an der Fügestelle konvex gebogenen weiteren Werkstück im wesentlichen parallel zur Fügespaltebene und im wesentlichen senkrecht zur Fügelinie gerichtet eingestrahlt wird.

Ein derartiges Verfahren ist Gegenstand der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 37 13 975.4. Die überwiegend in einer einzigen Ebene linear polarisierte Laserstrahlung ist überwiegend parallel zur Fügespaltebene polarisiert. Damit wird bei streifendem Einfall des Laserlichts auf die zu fügenden Kanten oder Flächen eine große Reflexion der Laserstrahlung erreicht, so daß diese bei Vielfachreflexionen infolge der oben angegebenen Strahlführung relativ zu den zu fügenden Werkstücken bis zur Fügestelle oder in deren unmittelbare Nähe gelangt, ohne zuvor erheblichen Energieverlust zu erleiden. Infolgedessen wird der zum Fügen der Werkstücke aufzuschmelzende Werkstoff praktisch erst an der Fügestelle aufgeschmolzen, so daß es nicht erforderlich ist, einen wesentlichen Querdruck auszuüben, um eine hinreichend feste Verschweißung der Werkstücke miteinander zu erreichen.

Aus der US-PS 44 71 204 ist ein Verfahren zum Verschweißen von Kanten bekannt, bei der der Laserstrahl im wesentlichen parallel zur Fügeebene verläuft und im wesentlichen senkrecht zur Fügelinie gerichtet ist, wobei zwei Kanten derart zusammengeführt werden, daß sie einen sich verengenden Spalt bilden. Der Laserstrahl wird zum Spalt so ausgerichtet, daß er an den einander gegenüberliegenden Kantenflächen in das Spaltinnere reflektiert wird. Hierbei wird der wesentliche Teil der Strahlungsenergie absorbiert. Die Strahlungsenergie gelangt somit nicht genügend tief in den sich verjüngenden Spalt. Es sind Druckrollen erforderlich, die die miteinander zu verbindenden aufgeschmolzenen Flächen zusammendrücken. Infolge des Zusammendrückens tritt auf beiden Seiten des Spalts aufgeschmolzener Werkstoff aus. Als Nachteile dieser Schweißnaht sind beispielsweise deren Ungleichförmigkeit und die Gefahr von Porenbildung zu nennen.

Beim Fügen von Werkstücken mit Laserstrahlung ist es allgemein bekannt, den Laserstrahl vorzugsweise senkrecht zur Werkstückoberfläche auf das Werkstück bzw. auf den Fügebereich der zu fügenden Werkstücke zu fokussieren. Die Strahlungsintensität an der Fügestelle ist so groß, bei Stahl z. B. größer als 10⁶ W/cm², daß Werkstoff verdampft. Das führt zur Ausbildung eines Plasmas in Verbindung mit einer Dampfkapillare an der Fügestelle. Die an sich erwünschte Folge ist eine erhöhte Energieeinkopplung, so daß mit vergleichsweise großen Nahttiefen und/ oder Geschwindigkeiten gefügt werden kann. Der bei diesem Fügen erforderliche Leistungsbedarf wird wesentlich durch die für die Verdampfung des Werkstoffs benötigte Leistung beeinflußt. Diese Leistung ist insbesondere für Werkstoffe mit sehr unterschied­ lichen thermischen Eigenschaften entsprechend unterschiedlich. Das gilt z. B. für das Verschweißen von Werkstücken aus Aluminium mit Werkstücken aus Stahl. Infolgedessen ist das Fügen mit senkrecht auf die Werkstückoberfläche gerichtetem Laserstrahl nur bei extrem genauer Prozeßführung in wenigen Ausnahmefällen durchführbar.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die zur Verfügung stehende Strahlungsleistung zum Fügen der Werkstücke in auf deren Werkstoffe abgestimmter Weise genutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Laserstrahlung überwiegend senkrecht zur Spaltebene schwingt, daß der Laserstrahl zumindest überwiegend auf nur eines der zu fügenden Werkstücke gerichtet wird, das mit der Laserstrahlung angeschmolzen wird und daß das zweite Werkstück in die erstarrende Schmelze des ersten Werkstücks eingetaucht wird.

Als linear polarisierte Laserstrahlung steht also senkrecht zur Fügespaltebene polarisierte bzw. schwingende Strahlung zur Verfügung, die bei der vorgegebenen Fügegeometrie zu einer optimalen Energieabsorption führt, nämlich bei streifendem Einfall der Laserstrahlung in einen Fügespalt zwischen einander zugekehrten Werkstückflächen. Dann ist der in der zwischen den einander zugekehrten Flächen gelegenen Einfallsebene gemessene Einfallswinkel sehr groß, so daß wegen der senkrecht zur Spaltebene bzw. parallel zur Einfallsebene polarisierten Laserstrahlung eine entsprechend große Strahlungsabsorption erfolgt. Infolgedessen ist es möglich, die Strahlungsenergie genau an der gewünschten Stelle nahezu vollständig absorbieren zu lassen, was den Vorteil hat, daß auf die Ausbildung eines laserinduzierten Plasmas zur gesteigerten Energieeinbindung verrichtet werden kann. Damit entfallen auch die bei einem Fügen mit Plasma erforderlichen besonderen Maßnahmen, z. B. das Verhindern von Detonationen. Es genügt vielmehr, anzuschmelzenden und zu fügen. Zum Anschmelzen ist der Laserstrahl zumindest überwiegend auf nur eines der zu fügenden Werkstücke gerichtet. Demgemäß wird die vom Laserstrahl transportierte Energie auch nur im wesentlichen in dieses Werkstück eingekoppelt. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Energie unter Anwendung der senkrecht zur Spaltebene polarisierten Laserstrahlung in dasjenige der beiden Werkstücke einzukoppeln, welches die höhere Schmelztemperatur hat und demgemäß mehr Energie zum Aufschmelzen benötigt. Es wird daher das Fügen von Werkstücken erleichtert, die unterschiedliche Werkstoffe haben. Nach dem Anschmelzen des ersten Werkstücks wird das zweite Werkstück in die erstarrende Schmelze des ersten Werkstücks eingetaucht. Infolgedessen können Werkstücke aus Materialien mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen verbunden werden. Beispielsweise werden ein aus Stahl und ein aus Aluminium oder dessen Legierung bestehendes Werkstück gefügt. Die betreffenden Schmelztemperaturen sind etwa 600°C für Aluminium und 1600°C für Stahl. Das Eintauchen von Fügepartnern in ein Schmelzbad erfolgt bei dem oben beschriebenen streifenden Strahlungseinfall bei einem Länge-zu-Breite-Verhältnis des Schmelzbades von sehr viel größer als 1, so daß auch bei geringer Krümmung des konvex gebogenen Werkstücks eine hinreichende Eintauchtiefe auch über die erforderliche Länge zur Verfügung steht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Einfallswinkel des Laserstrahls bezüglich eines Werkstücks dem Brewster-Winkel des Materials dieses Werkstücks entspricht. Bei einer Einstrahlung des Laserstrahls unter einem dem Brewster-Winkel entsprechenden Winkel wird die Energie der Laserstrahlung nahezu vollständig an der Werkstückoberfläche absorbiert. Der Brewster-Winkel ist bei metallischen Werkstoffen sehr groß, so daß er bei Werkstücken mit einander zugekehrten Fügeflächen insbesondere dann gut ausgenutzt werden kann, wenn eine konvex gebogene Werkstückfläche vorhanden ist.

Um den Laserstrahl bei sehr engen Fügespalten genügend tief zwischen die Werkstücke einstrahlen zu können, ohne daß die Energie vorzeitig in das oder die Werkstücke eingekoppelt wird, wird der Laserstrahl als spaltparalleler Streifen ausgebildet. Das ist insbesondere erforderlich, wenn dickere Werkstücke gefügt werden sollen, deren Formveränderungen mit kleinen Radien problematisch ist.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß der Werkstoff plasmafrei aufgeschmolzen wird. Eine Materialverdampfung findet also nicht statt. Durch die fast vollständige Energieeinkoppelung in die Fügestelle ohne Entwicklung eines Plasmas bzw. einer Dampfkapillaren kann die zur Verfügung stehende Strahlungsleistung für den Fügeprozeß effizienter genutzt werden, und zwar sowohl effizienter hinsichtlich des Fügens mit Ausbildung eines laserinduzierten Plasmas, als auch hinsichtlich des bekannten plasmalosen Aufschmelzens von Werkstoff mit zirkularpolarisierter Laserstrahlung.

Um die unterschiedlichsten Fügekonfigurationen herstellen zu können, werden einerseits ein Rohr oder eine gekrümmte Platte als gebogenes Werkstück und andererseits ein gerader Steg oder eine gerade Platte als gerades Werkstück verwendet.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht zweier zu fügender Werkstücke,

Fig. 2 die Ansicht der Werkstücke der Fig. 1 in Richtung A, und

Fig. 3 die Abhängigkeit der Reflexion vom Einfallswinkel in diagrammatischer Darstellung.

In Fig. 1 sind zwei Werkstücke 4 und 6 dargestellt, die gefügt werden sollen. Das Werkstück 6 ist ein gerader Steg und das Werkstück 4 ist eine gebogene Platte. Infolgedessen schließen beide zwischen sich einen Fügespalt 5 ein, dessen Spaltebene in Fig. 2 mit 1 bezeichnet ist. In den Fügespalt 5 zwischen den Werkstücken 4, 6 strahlt ein Laser mit einem Laserstrahl 3. Die Strahlführung ist in Anpassung an die gegebene Werkstückgeometrie derart, daß der Strahl im wesentlichen parallel zur Fügespaltebene 1 und im wesentlichen senkrecht zur Fügelinie 8 gerichtet ist. Die Fügelinie 8 ist die Berührungslinie der Werkstücke 4, 6 bzw. die Berührungslinie der theoretischen Außenflächen der Werkstücke 4, 6 am Beginn der Verbindungsnaht 10.

Fig. 1 läßt außerdem erkennen, daß der Laserstrahl 3 als Streifen ausgebildet ist, der in der Fügespaltebene 1 bzw. im wesentlichen parallel zu dieser liegt. Durch diese Strahlformung wird erreicht, daß die Fügestelle 9 vergleichsweise tief im Spalt liegt, weil eine vorzeitige Bestrahlung der Werkstücke 4, 6 vermieden wird. Die Formung des Strahlquerschnitts in Anpassung an den Fügespalt erfolgt durch optische Linsen, wie Zylinder-, Meniskus-, sphärische Linsen usw. und/oder durch Spiegel, wie sphärische, elliptische oder parabolische Spiegel. Die Führung des Laserstrahls 3 erfolgt durch entsprechende oder plane Spiegel in herkömmlicher Weise. Die entsprechenden Bauteile sind daher nicht dargestellt.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Laserstrahlung bzw. deren elektrischer Vektor im wesentlichen senkrecht zur Spaltebene 1 schwingt. Es handelt sich also um eine parallel zur Einfallsebene liegende Polarisation der Laserstrahlung, wobei die Einfallsebene senkrecht zu den zu fügenden Flächen 6′, 4′ der Werkstücke 6, 4 liegt, weil der Laserstrahl 3 zumindest auf eine dieser Flächen trifft. Aus Fig. 2 ist daher ersichtlich, daß der Einfallswinkel 2 des Laserstrahls 3 bzw. der Laserstrahlung an der Fügestelle 9 bezüglich des Werkstücks 4 sehr groß ist, nämlich praktisch 90°. Der Einfallswinkel 2 kann durch eine entsprechende Ausrichtung des Laserstrahls 3 zum Werkstück 4 auch auf eine davon abweichende gewünschte Größe durch entsprechende Strahlführung eingestellt werden.

Aus Fig. 3 ist die Abhängigkeit der Reflexion linear polarisierter Laserstrahlung vom Einfallswinkel ersichtlich. Für p-polarisierte Laserstrahlung, die also parallel zur Einfallsebene schwingt, wie in Fig. 2 dargestellt, ergibt sich in der Nähe von 90° ein Minimum. Infolgedessen wird die Energie entsprechend polarisierter Laserstrahlung weitgehend in das Werkstück eingekoppelt. Die Kurve für p- polarisierte Laserstrahlung ist werkstoffabhängig, liegt jedoch für die hier in erster Linie in Rede stehenden metallischen Werkstoffe mit ihrem Minimum stets nahe 90°. Dieses Minimum wird als Brewster-Winkel bezeichnet. Infolgedessen führt gemäß der Fig. 1, 2 streifend bzw. nahezu tangential einfallende Laserstrahlung zu einer weitgehenden Energieabsorption, insbesondere wenn der Einfallswinkel 2 gleich dem Brewster-Winkel ist.

Bedingt durch den großen Einfallswinkel 2 des Laserstrahls bzw. infolge der Bestrahlung des Werkstücks 4 bereits vor der Fügelinie 8 wird auch schon weit vor der Fügelinie 8 Werkstoff aufgeschmolzen, so daß das Schmelzbad der Schmelze 7 sehr lang im Verhältnis zur Breite ist. Das ergibt sich auch durch die perspektivische Darstellung der Fig. 1, in der die Schmelzzone quergestrichelt dargestellt ist. In dieses Schmelzbad 7 wird das als Steg ausgebildete Werkstück 6 eingetaucht und verbindet sich mit der erstarrenden Schmelze 7. Die Form des Schmelzbades 7 bzw. dessen Länge ermöglicht das Vorheizen des Werkstücks 4, so daß auf diese Weise heiß-rißempfindliche Werkstoffe geschweißt werden können. In jedem Fall ist es möglich, das Fügen bzw. Schweißen durch Bestrahlung des Werkstücks 4 oder auch des Werkstücks 6 durchzuführen, indem Werkstoff lediglich angeschmolzen, aber nicht verdampft wird, so daß sich auch kein laserinduziertes Plasma ausbilden kann.

Die Werkstücke können auch abweichend von der Darstellung in Fig. 1, 2 ausgestaltet sein. Beispielsweise können beide Werkstücke konvex gekrümmt sein. Die zur Erzielung einer geraden oder in bestimmter Weise geformten Verbindungsnaht 9 erforderlichen Werkstückführungen sind herkömmlicher Art und werden daher nicht weiter beschrieben.

Claims (6)

1. Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit Laserstrahlung, die zum Verschweißen eines Werkstücks mit einem an der Fügestelle konvex gebogenen weiteren Werkstück im wesentlichen parallel zur Fügespaltebene und im wesentlichen senkrecht zur Fügelinie gerichtet eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung überwiegend senkrecht zur Spaltebene (1) schwingt, daß der Laserstrahl (3) zumindest überwiegend auf nur eines der zu fügenden Werkstücke (4) gerichtet wird, das mit der Laserstrahlung angeschmolzen wird und daß das zweite Werkstück (6) in die erstarrende Schmelze (7) des ersten Werkstücks (4) eingetaucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel (2) des Laserstrahls (3) bezüglich eines Werkstücks (4) dem Brewster-Winkel des Materials dieses Werkstücks (4) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (3) als spaltparalleler Streifen ausgebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff plasmafrei aufgeschmolzen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Stahl und ein aus Aluminium oder dessen Legierung bestehendes Werkstück gefügt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits ein Rohr oder eine Platte als gebogenes Werkstück (4) und andererseits ein Steg oder eine Platte als gerades Werkstück (6) verwendet werden.