DE3843841A1 - Laserstrahlschweissverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserstrahlschweiß­ verfahren, bei dem der Laserstrahl im Werkstück eine Schmelz­ zone mit einer darin mindestens zur Strahlquelle offenen Dampfkapillaren erzeugt.

Bei einem derartigen allgemein bekannten Schweißverfahren können insbesondere bei extremen Prozeßbedingungen Schmelzebe­ wegungen auftreten, die zu einer unbrauchbaren Schweißnaht füh­ ren. Die damit zusammenhängenden Vorgänge sind als "Humping"- Effekt bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es auch bei extremen Prozeßbedingungen nicht zur Ausbildung von den Schweißprozeß störenden Erscheinungen in der Schmelzzone kommt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Laserstrahl mit einer eine im wesentlichen vertikale Schmelzfront erzeu­ genden, entgegen der relativen Strahlvorschubrichtung gerichte­ ten Neigung angewendet wird.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß eine Neigung des La­ serstrahls ausgenutzt wird, um schädliche Schmelzebewegungen zu vermeiden. Die Neigung des Laserstrahls erfolgt entgegen der relativen Strahlvorschubrichtung in einem Ausmaß, durch das eine vertikale Schmelzfront erzeugt wird. Durch die vertikale Schmelzfront wird eine verstärkte Schmelzebewegung zur Naht­ oberseite hin verhindert und damit der "Humping-Effekt" un­ terdrückt.

Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Laserstrahlschweißverfahren, bei dem der Laserstrahl während des Schweißens im Werkstück eine Schmelzzone mit einer darin mindestens zur Strahlquelle offenen Dampfkapillaren erzeugt, wobei als Werkstück überlappende beschichtete, insbesondere verzinkte Bleche verwendet werden.

Beim Schweißen derartiger Bleche kommt deren Beschichtung mittig zwischen den miteinander zu verbindenden Blechen zu lie­ gen und wird dort beim Schweißen verdampft. Verdampfende Be­ schichtung, beispielsweise verdampfendes Zink, kann in der Dampfkapillaren einen derart großen Dampfdruck aufbauen, daß ein Schmelzeaustrieb erfolgt, sogenannte Schritzerbildung. Die­ ses kann durch eine verstärkte Plasmabildung im Dampf noch ver­ stärkt werden.

Auch demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu ver­ bessern, daß es nicht zur Ausbildung von den Schweißprozeß stö­ renden Erscheinungen in der Schmelzzone kommt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Laserstrahl mit einer eine austriebfreie Schmelze erzeugenden, in die relative Strahlvorschubrichtung gerichteten Neigung angewendet wird.

Durch die Neigung des Laserstrahls in Strahlvorschubrich­ tung bzw. in Schweißrichtung kann die senkrecht zur Kapillar­ front abdampfende Beschichtung direkt aus der Kapillare in Strahlrichtung entweichen, ohne einen übermäßigen Druck auf die Rückseite der Schmelze auszuüben. Letztere wird daher nicht aus der Schmelzzone hinausgeschleudert, Schritzerbildung wird also vermieden. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die in der Nahtrichtung erfolgende Vergrößerung der Dampfkapillaren.

Eine Vergrößerung der Dampfkapillaren in Strahlvorschub­ richtung kann zusätzlich auch dadurch erreicht werden, daß ein Laserstrahl mit elliptischem Querschnitt verwendet wird, dessen große Achse in die Strahlvorschubrichtung weist. Die dement­ sprechende Streckung des Laserstrahls flacht die Schmelzfront aufgrund der sich über eine größere Länge verteilenden Energie des Laserstrahls weiter ab, so daß der Beschichtungsdampf noch steiler aus der Dampfkapillaren entweichen kann. Ein ähnlicher Effekt kann dadurch erreicht werden, daß ein in Strahlvorschub­ richtung oszillierender geneigter Laserstrahl verwendet wird.

Es ist festgestellt worden, daß die vorbeschriebenen Ef­ fekte der Schmelzebewegung und des Schmelzeaustriebs von der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstück ab­ hängen. Sie treten mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit ver­ stärkt auf. Es ist daher vorteilhaft, daß die Neigung des Laserstrahls bei zunehmender Schweißgeschwindigkeit vergrößert wird. Durch eine Beeinflussung der Neigung des Laserstrahls kann also den geschwindigkeitsabhängigen unerwünschten Effekten gegengesteuert werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung eines oder mehrerer der vorbeschriebenen Verfahren hat die Merkmale, daß eine zur Werkstückoberfläche senkrechte Strahlzuführung mit einem Aus­ lenkspiegel vorhanden ist, von dem der Strahl zu einem exzen­ trisch angeordneten, die Schweißstelle des Werkstücks geneigt bestrahlenden Fokussierspiegel auslenkbar ist, und daß der Auslenkspiegel und der Fokussierspiegel unter Wahrung ihrer Relativlage gemeinsam um die Strahlachse der senkrechten Strahlzuführung verschwenkbar sind.

Vorteilhaft ist bei dieser Vorrichtung, daß die gewünsch­ ten Neigungsrichtungen durch einfaches Verschwenken zweier Spiegel einstellbar sind, so daß dieselbe Vorrichtung geeignet ist, unterschiedliche Verfahren durchführen zu können.

Die Vorrichtung ist so ausgestaltet, daß der Aus­ lenkspiegel und der Fokussierspiegel Zylinderspiegel sind, die den Laserstrahl mit unterschiedlichen Brennweiten elliptisch mit der großen Achse in der Vorschubrichtung und mit der kleinen Achse quer dazu fokussieren. In Verbindung mit der Schwenkbarkeit der Spiegel bzw. des sie tragenden Gehäuses wird erreicht, daß der geneigte Laserstrahl und damit sein elliptischer Strahlfokus entsprechend der zu schweißenden Kontur mitgedreht werden kann.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Schweißstelle eines Werk­ stücks im Querschnitt,

Fig. 2 die Ausbildung der Schweißstelle der Fig. 1 bei einer Neigung des Laserstrahls entgegen der relativen Vor­ schubrichtung,

Fig. 3 die prinzipielle Ausbildung einer Schweißstelle be­ schichteter Bleche,

Fig. 4 bis 6 die Schweißstelle der Fig. 3 bei Neigung des Laserstrahls in die Richtung seines relativen Vor­ schubs, und

Fig. 7 eine Prinzipsskizze einer Vorrichtung zur Durchfüh­ rung erfindungsgemäßer Laserstrahlschweißverfahren.

Beim Schweißen des Werkstücks 14 mit einem Laserstrahl 10 wird der Laserstrahl 10 und/oder das Werkstück 14 bewegt. Das Werkstück 14 besteht beispielsweise aus zwei stumpf anein­ andergestoßenen Bauteilen, die durch das Schweißen miteinander verbunden werden sollen. Der Laserstrahl 10 schmilzt den Werk­ stoff des Werkstücks 14 in einer Schmelzzone 19, die sich in­ folge der Relativbewegung des Laserstrahls 10 in dessen Rich­ tung 12 bewegt, so daß erstarrende Schmelze 13′ entsteht, durch die die beiden Bauteile des Werkstücks 14 miteinander verbunden werden. Dieses gilt für eine Druchschweißung des Werkstücks 14 sowie für die dargstellte Einschweißung.

Beim Schmelzen des Werkstoffs des Werkstücks 14 bildet sich bei entsprechender Energieeinkopplung eine Dampfkapillare 20 aus. Dabei entsteht eine Schmelzfront 11, die infolge der relativen Vorschubbewegung des Laserstrahls 10 geringfügig ge­ neigt ist. Die Temperatur Tf in der Schmelzfront 11 ist größer, als die Temperatur Tr im Schmelzrücken, so daß sich in­ folgedessen eine Schmelzebewegung um die Dampfkapillare 20 herum vom wärmeren Bereich zu kälteren Bereichen ergibt. Diese Bewegung erfolgt vornehmlich senkrecht zur Dampfkapillarfront und ist durch die Pfeile 21 der Fig. 1 angedeutet. Hieraus er­ gibt sich eine Schmelzebewegung zur Schweißnahtoberraupe hin.

Die relative Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls 10 ist aus Wirtschaftlichkeitsgründen möglichst groß. Bei hohen Geschwindigkeiten ergibt sich jedoch eine weniger tiefe aber stärker geneigte Dampfkapillare 20. Hierdurch erfolgt eine ver­ stärkte Schmelzebewegung zur Nahtoberfläche hin, auf deren Oberfläche sich Verwerfungen in Form von Klumpen bilden. Dies führt zu einem periodischen Zusammenziehen der Schmelze zu Tropfen, wenn die Schweißgeschwindigkeit eine kritische Grenze übersteigt. Dieser sogenannte "Humping"-Effekt tritt z.B. bei einer Werkstückdicke von etwa 0,1 mm im Bereich von Schweißge­ schwindigkeiten von mehr als 35 m/min auf. Derartige Werk­ stückdicken finden sich z.B. beim Dosenschweißen. Wächst die Werkstückdicke, so sinkt die kritische Geschwindigkeit, d.h. eine Materialhäufung an der Oberfläche der Naht tritt bei etwa 1,5 mm dicken Werkstücken bereits im Bereich ab 15 m/min Schweißgeschwindigkeit auf.

Fig. 2 zeigt einen Laserstrahl 10 mit einer Neigung entge­ gen der relativen Strahlvorschubrichtung 12, d.h. es wird von der Strahlachse 18 mit der Strahlvorschubrichtung 12 ein stump­ fer Winkel α, gebildet. Die dadurch erreichte Energieeinkopp­ lung in das Werkstück 14 bewirkt eine im wesentlichen senk­ rechte oder sogar eine leicht entgegen der Vorschubrichtung ge­ neigte Schmelzfront 11. Damit wird erreicht, daß eine ver­ stärkte Schmelzebewegung senkrecht zur Nahtoberfläche vermieden wird. In Fig. 2 ist die Schmelzebewegung durch die Pfeile 21 als im wesentlichen vorschubrichtungsparallel angedeutet. Bei großer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls 10 wäre die sich infolgedessen ausbildende Neigung der Schmelzefront 11 größer, so daß durch eine entsprechende größere Neigung des La­ serstrahls 10, also durch eine Vergrößerung des Winkels α, eine Kompensation unter Aufrechterhaltung der senkrechten Aus­ bildung der Schmelzfront 11 gemäß Fig. 2 erreicht werden kann.

In Fig. 3 ist das Verschweißen eines aus zwei Blechen be­ stehenden Werkstücks 14 mit mittig zwischen diesen Blechen an­ geordneter Beschichtung 22 dargestellt. Der Laserstrahl 10 ver­ dampft die Schicht 22 im Bereich der Schmelzzone 19. Der durch die Beschichtung 22 entstehende Dampf drückt jedoch auf den rückwärtigen Bereich der Schmelze 13, was durch die Pfeile 23 angedeutet wird. Hierdurch kommt es zu Schmelzeaustrieb, der sogenannten Schritzerbildung. Die dadurch erfolgende Störung der Schweißnaht ist unerwünscht, wie auch der durch den Schmel­ zeaustrieb auftretende Werkstoffverlust.

Dem Schmelzeaustrieb durch verdampfende Beschichtung 22 bei extremen Bedingungen, wie beim Schweißen von beschichteten Blechen im Überlapp und bei geringen Schweißgeschwindigkeiten, wird dadurch entgegengetreten, daß der Laserstrahl 10 in Rich­ tung seines relativen Vorschubs 12 geneigt wird, so daß also die Strahlachse 18 mit der Richtung 12 einen spitzen Winkel α bildet, vergleiche Fig. 4. Infolgedessen ergibt sich eine größere Neigung der Schmelzfront 11, so daß die Beschichtung 22 entsprechend den Pfeilen 23 durch die Dampfkapillare 20 ohne Einwirkung auf die rückwärtige Schmelze 13 abdampfen kann. Die zusätzliche Neigung des Laserstrahls 10 bewirkt also eine Ver­ größerung der Dampfkapillare 20 in Vorschubrichtung 12 zur Ver­ meidung von Schmelzeaustrieb.

Eine Unterstützung der Wirkung der vorbeschriebenen Nei­ gung des Laserstrahls 10 ergibt sich gemäß Fig. 5 dadurch, daß der Laserstrahl 10 einen elliptischen Querschnitt aufweist. Die Ausrichtung ist derart, daß seine große Achse A in der Richtung 12 angeordnet ist.

Fig. 6 zeigt einen Laserstrahl 10, der in den Richtungen 24 oszilliert, also in und entgegen der Strahlvorschubrichtung 12. Dabei versteht es sich, daß der Durchmesser des Laserstrahls 10 demjenigen der Fig. 3 entspricht.

In den beiden Fällen der Fig. 5, 6 wird eine in Vorschub­ richtung 12 erfolgende Vergrößerung bzw. Verlängerung der Dampfkapillare 20 in Vorschubrichtung erreicht und damit ein Abdampfen in den Richtungen der Pfeile 23 ohne Beeinträchtigung der rückwärtigen Schmelze 13.

Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung 25 in schematischer Darstel­ lung. Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse 26 bzw. Gestell auf, an dem die die erforderliche Strahlführung bewirkenden Teile befestigt sind. Dem Werkstück 14 wird der Laserstrahl 10 an die Schweißstelle 16 zugeführt, und zwar mit einer zur Werkstück­ oberfläche senkrechten Strahlachse 18, so daß der Laserstrahl 10 zunächst auf einen in der Strahlachse 18 angeordneten Aus­ lenkspiegel 15 trifft, der die Laserstrahlung auf einen z.B. parabolischen Fokussierspiegel 17 reflektiert, von dem aus die Laserstrahlung auf die Schweißstelle 16 fokussiert wird. Ein elliptischer Strahl kann erreicht werden, indem die Spiegel 15 und 17 durch Zylinderspiegel ersetzt werden, wobei aufgrund un­ terschiedlicher Brennweiten der Spiegel, der Spiegel 15 wegen der größeren Brennweite die längere Achse der Ellipse erzeugt und der Spiegel 17 den Strahl 10 in Richtung der kleineren Fo­ kusachse fokussiert. Der Fokussierspiegel 17 ist schwenkbar an­ geordnet, wie durch die strichpunktierten Linien angedeutet ist, um die Neigung des Laserstrahls gemäß den Fig. 2 und 4 bis 6 beeinflussen zu können. Stattdessen könnten die Spiegel 15, 17 auch gemeinsam schwenkbar sein, wenn der Strahlfleck des Laser­ strahls 10 an der Schweißstelle 16 ungeändert beibehalten wer­ den soll.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß sie eine Neigung des Laserstrahls 10 sowohl in als auch entge­ gen der in den vorgenannten Figuren mit 12 bezeichneten Strahl­ vorschubrichtung auf das Werkstück 14 gestrahlt werden kann.

Hierzu ist es lediglich erforderlich, daß das Gehäuse 26 um die Strahlachse 18 um 180 Winkelgrad gedreht wird.

Claims (7)

1. Laserstrahlschweißverfahren, bei dem der Laserstrahl wäh­ rend des Schweißens im Werkstück eine Schmelzzone mit einer darin mindestens zur Strahlquelle offenen Dampfka­ pillaren erzeugt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserstrahl (10) mit einer eine im wesentlichen vertikale Schmelzfront (11) erzeugenden, entgegen der relativen Strahlvorschubrichtung (12) gerich­ teten Neigung angewendet wird.

2. Laserstrahlschweißverfahren, bei dem der Laserstrahl wäh­ rend des Schweißens im Werkstück eine Schmelzzone mit einer darin mindestens zur Strahlquelle offenen Dampfka­ pillaren erzeugt, wobei als Werkstück überlappende be­ schichtete, insbesondere verzinkte Bleche verwendet wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (10) mit einer eine austriebfreie Schmelze (13) erzeugenden, in die relative Strahlvorschubrichtung (12) gerichteten Neigung angewendet wird.

3. Schweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Laserstrahl (10) mit elliptischem Querschnitt verwendet wird, dessen große Achse in die Strahlvorschubrichtung (12) weist.

4. Schweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein in Strahlvorschubrichtung (12) oszillierender geneigter Laserstrahl (10) verwendet wird.

5. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Neigung des Laserstrahls (10) bei zunehmender Schweißgeschwindig­ keit vergrößert wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung eines oder mehrerer der Ver­ fahren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine zur Werkstückoberfläche senkrechte Strahlzuführung mit einem Auslenkspiegel (15) vorhanden ist, von dem der Strahl (10) zu einem exzen­ trisch angeordneten, die Schweißstelle (16) des Werkstücks (14) geneigt bestrahlenden Fokussierspiegel (17) auslenk­ bar ist, und daß der Auslenkspiegel (15) und der Fokus­ sierspiegel (17) unter Wahrung ihrer Relativlage gemeinsam um die Strahlachse (18) der senkrechten Strahlzuführung verschwenkbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Auslenkspiegel (15) und der Fo­ kussierspiegel (17) Zylinderspiegel sind, die den Laser­ strahl (10) mit unterschiedlichen Brennweiten elliptisch mit der großen Achse (A) in der Vorschubrichtung (12) und mit der kleinen Achse quer dazu fokussieren.