DE3926781A1 - Verfahren zum verschweissen mit laserstrahlung und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ver­ schweißen mit Laserstrahlung od.dgl. hochenergetischer Strah­ lung, bei dem zwei aneinander anliegende Werkstücke zwischen sich eine Beschichtung mit einem unter dem Schmelzpunkt des Werkstückmaterials liegenden Verdampfungspunkt haben, und bei dem eine auf die Bearbeitungsstelle gerichtete Gasströmung ver­ wendet wird.

Es ist bisher äußerst problematisch, oberflächenveredelte, nämlich oberflächenbeschichtete Werkstücke miteinander zu ver­ schweißen. Insbesondere ist es problematisch, verzinkte Bleche beispielsweise im Überlappstoß miteinander zu verschweißen. Die Problematik rührt daher, daß die Beschichtung aufgrund ihres niedrigen Verdampfungspunkts verdampft und entweichen muß. Beim Entweichen wird die verdampfte Beschichtung in die Schmelze der Bearbeitungsstelle und in deren Dampfkapillare eindringen und mittels der ihr eigenen Eruptionskraft von der Bearbeitungs­ stelle entweichen. Das eruptionsartige Entweichen der verdampf­ ten Beschichtung erfolgt unter Mitnahme von Schmelze. Infolge­ dessen entstehen im Bearbeitungsbereich Krater bzw. Löcher, die zu einer Zerstörung der Schweißnaht führen. Falls die Erup­ tionskraft der verdampften Oberflächenbeschichtung nicht mehr ausreicht, um die sich abkühlende Schmelze zu durchstoßen, bleiben Poren in der Schweißnaht zurück, die damit fehlerhaft ist.

Um die vorbeschriebenen negativen Auswirkungen auf die Schweißnaht zu vermeiden, ist es bekannt, zwischen den Werkstücken einen Spalt zu lassen, durch den die verdampfte Be­ schichtung entweichen kann. Ein derartiger Spalt ist jedoch nicht unproblematisch. Die Anordnung eines Spalts verursacht nämlich einen an sich unerwünschten zusätzlichen Aufwand beim Schweißen, indem z.B. Abstandsstücke verwendet werden müssen, oder indem die Werkstücke z.B. eine besondere Formgebung erfah­ ren müssen, wie eine Sickenbildung bei Blechen. Darüber hinaus ergeben sich Schwierigkeiten, wenn die Werkstücke dreidimensio­ nalen Verlauf haben. Es kommt dann immer wieder vor, insbeson­ dere bei industriellen Fertigungsprozessen, daß Stellen mit keinem Fügespalt vorhanden sind, so daß es hier zu fehlerhaftem Schweißen kommt, oder daß Stellen mit zu großem Fügespalt vor­ handen sind, so daß die Konstruktionsvorgaben nicht eingehalten werden bzw. mit einem Nahteinfall zu rechnen ist.

Aus der US-PS 46 84 779 ist bereits ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art bekannt, bei dem die Gasströmung gleich­ achsig mit der Laserstrahlung auf die Bearbeitungsstelle ge­ richtet wird. Mit dieser Gasströmung wird ein positiver Druck von oben erzeugt, der die sich beim Schweißen entwickelnden Gase zwischen den Werkstücken austreiben soll. Auch hierzu ist also ein Spalt erforderlich.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß be­ schichtete Werkstücke spaltlos und mit Entgasung durch die Dampfkapillare der Bearbeitungsstelle verschweißt werden kön­ nen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zusätzlich zu einer Bespülung der Bearbeitungsstelle mit einem Schutz- oder Ar­ beitsgas eine die Entgasung der verdampften Beschichtung aus der Dampfkapillaren der Bearbeitungsstelle fördernde Gas­ strömung verwendet wird.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß eine Gasströmung verwendet wird, die zusätzlich zu einer Bespülung der Arbeits­ stelle mit einem Schutz- oder Arbeitsgas eingesetzt wird. Diese Gasströmung kann so gerichtet und dimensioniert werden, daß eine Entgasung der verdampften Beschichtung bzw. auch anderer im Material vorhandener porenbildender Bestandteile aus der Dampfkapillaren erreicht wird. Zugleich erlaubt es die Gas­ strömung in ihrer Eigenschaft als zusätzliche Gasströmung, daß die herkömmliche Bespülung der Arbeitsstelle weiterhin ermög­ licht wird, beispielsweise um die Energieeinkopplung zu beein­ flussen und/oder die Bearbeitungsstelle von der Umgebungs­ atmosphäre abzuschirmen.

Infolge der Entgasung aus der Dampfkapillaren kann beim Verschweißen fugenlos gearbeitet werden. Die Gasströmung er­ zeugt nach dem Prinzip einer Wasserstrahlpumpe einen Unterdruck im Bereich der Bearbeitungsstelle, so daß die in die Dampfka­ pillare einströmenden Gase bzw. Beschichtungsdämpfe schnell ab­ gepumpt bzw. abgeführt werden. Der Anteil gasförmiger Bestand­ teile, die in die Schmelze eindringen, wird drastisch verrin­ gert, so daß ein eruptives Schmelzeaustreiben vermieden werden kann.

Um die Gasströmung möglichst wirksam einsetzen zu können, ist sie zumindest im wesentlichen werkstückoberflächenparallel gerichtet. Sie wird also nicht koaxial zur Laserstrahlung ange­ wendet, wie im vorbeschriebenen bekannten Verfahren, sondern praktisch senkrecht dazu.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Werkstücke durchge­ schweißt werden und an beiden Enden der Dampfkapillaren jeweils mit Gasströmung entgast wird. In diesem Fall kann die Dampfka­ pillare an ihren beiden Enden entgast und somit eine erheblich wirksamere Entfernung der verdampften Beschichtung erreicht werden.

Da die Dampfkapillare beim Durchschweißen zweier Werkstücke laserstrahlungsseitig wegen der von dort eingekop­ pelten Energie stets größer ist, als auf der laserstrahlabge­ wendeten Seite, wird zweckmäßigerweise so verfahren, daß die auf der laserstrahlabgewendeten Seite der Werkstücke wirkende Gasströmung stärker ist, als die laserstrahlseitige. Die stär­ kere Gasströmung auf der laserstrahlabgewendeten Seite des Werkstücks verstärkt den Entgasungseffekt, was dazu benutzt werden kann, die Entgasung auf beiden Seiten gleich groß zu halten, beispielsweise bei gleich dicken Werkstücken.

Es hat sich erwiesen, daß die eruptive Wirkung der ver­ dampften Beschichtung besonders dann herabgesetzt wird, wenn die Gasströmung in der Richtung des relativen Vorschubs der Werkstücke erfolgt. Das ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß das in Vorschubrichtung strömende Gas einen Mitnahmeeffekt des Beschichtungsdampfes in die auf der Rückseite der Dampfka­ pillare größere Schmelzemasse vermeidet.

Besonders vorteilhaft hat es sich des weiteren erwiesen, wenn das Gas der Gasströmung eine das Erweitern der Dampfka­ pillare bewirkende Strömungsgeschwindigkeit hat. Die Gas­ strömung reißt die Dampfkapillare insbesondere an der strahlab­ gewendeten Seite der Werkstücke auf bzw. trägt durch sein Strö­ mungsverhalten zu einem schnelleren Abtragen durch die Schmelz­ front insbesondere an der strahlabgewendeten Seite der Werkstücke bei.

Eine wesentliche weitere Verfahrensmaßnahme insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung der die Entgasung fördernden Gasströmung ist es, daß die Oberflächenspannung der Schmelze mittels erhöhter Energieeinkopplung und/oder durch chemische Gasreaktion herabgesetzt und/oder der Durchmesser der Dampf­ kapillare vergrößert wird. Die Herabsetzung der Oberflächen­ spannung der Schmelze fördert eine Entmischung der in die Schmelze eingedrungenen Gase und damit eine Herabsetzung des Mitnahmeeffekts der Gase beim Entweichen aus der Schmelze. Die Durchmesservergrößerung der Dampfkapillare vergrößert die Entgasungsrate ebenfalls. Um die der Erhöhung der Temperatur der Schmelze dienende verstärkte Energieeinkopplung und/oder eine Vergrößerung des Durchmessers der Dampfkapillaren zu bewirken, ist es beispielsweise möglich, die Streckenenergie zu vergrößern und gleichzeitig eine entsprechend geeignete Lage des Fokuspunktes im Werkstück zu wählen. Es ist aber auch möglich, chemische Gasreaktionen auszunutzen, beispielsweise die Gasreaktionen der Gase Sauerstoff oder Wasserstoff. - Sauerstoff kann zur Bildung von erst bei höheren Temperaturen verdampfenden Oxiden der Oberflächenbeschichtung benutzt werden, beispielsweise bei einer Verzinkung zur Bildung von Zinkoxid.

Eine Vorrichtung zur Durchführung eines der vorbeschrie­ benen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen mindestens eine flach winklig zu den Werkstücken gerichtete Düse vorhanden ist, die ein exakt dem Werkstück oberflächen­ paralleles Ende aufweist. Mit Hilfe des oberflächenparallelen Endes läßt sich eine sehr exakt werkstückoberflächenparallel gerichtete Gasströmung erzeugen, so daß der gewünschte Entgasungseffekt optimal ist.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung bei­ spielsweise angegebenen Schweißanordnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung durch zwei mitein­ ander zu verschweißende Werkstücke im Bereich einer Bearbeitungsstelle,

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Bearbeitungsstelle der Fig. 1, und

Fig. 3, 3a die Herstellung einer Überlappnaht an zwei ver­ zinkten Blechen.

Die in Fig. 1 dargestellten Werkstücke 1 und 2 sind Bleche, die auf ihren Außenseiten jeweils beschichtet sind, bei­ spielsweise verzinkt. Es ergibt sich eine zwischen den spaltlos angeordneten Werkstücken 1, 2 befindliche Beschichtung 3. Auf den Außenseiten 10, 10′ der Werkstücke 1, 2 sind jeweils Schich­ ten 3′′ vorhanden.

Es ist eine Bearbeitungsstelle 4 vorhanden, auf die ein Laserstrahl 11 gerichtet ist. Dieser bringt den im Bereich der Bearbeitungsstelle 4 befindlichen Werkstoff der Werkstücke 1, 2 zum Schmelzen, wobei sich eine Dampfkapillare 7 ausbildet.

Diese bewirkt infolge der Relativbewegung zwischen dem Laser­ strahl 11 einerseits und den Werkstücken 1, 2 andererseits in Richtung 8 eine vergleichsweise schmale Schmelzfront 12 sowie ein in Richtung 8 der Schmelzfront 12 gegenüberliegendes Bad von Schmelze 9 vergleichsweise größeren Ausmaßes. In Fig. 2 ist der Bereich 9′ der Schmelze 9 strichpunktiert dargestellt.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Dampfkapillare 7 nach außen offene Enden 7′, 7′′ hat, weil die Werkstücke 1, 2 durchge­ schweißt werden. Wegen der Energieeinkopplung mit dem Laser­ strahl 11 hauptsächlich im Bereich des Endes 7′ der Dampfkapil­ lare 7 ist dieses Ende 7′ im Durchmesser größer, als das ge­ genüberliegende Ende 7′′.

Im Bereich 13 ist die Schmelze 9 erstarrt und es hat sich eine Schweißnaht gebildet. Des weiteren ist in Fig. 1 noch eine Düse 14 dargestellt, mit welcher der Bearbeitungsstelle 4 ein Schutz- oder Arbeitsgas 6 zugeführt werden kann, beispielsweise um die Energieeinkopplung zu beeinflussen, oder um die Bearbei­ tungsstelle 4 abzuschirmen.

Durch die Pfeile 5, 5′ wird angedeutet, daß bei dem Schweiß­ verfahren eine Gasströmung verwendet wird, die werkstückober­ flächenparallel gerichtet ist. Es ist auf beiden Seiten 10, 10′ je eine Gasströmung 5 bzw. 5′ vorhanden, die jeweils die Enden 7′, 7′′ der Dampfkapillaren 7 überstreicht.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß durch den Laserstrahl 11 ein Bereich 15 der Beschichtung 3 erschmolzen bzw. verdampft wird, der wesentlich größer ist, als der Bereich 9′ der Schmelze 9. Der Beschichtungsdampf bzw. die verdampfte Be­ schichtung 3′ strömt entsprechend den Pfeilen 16 durch die schmale Schmelzfront 12 in die Dampfkapillare 7 bzw. in die gemäß Pfeil 17 sich um die Dampfkapillare 7 herumbewegende Schmelze 9. Die Gasströmung 5, 5′ bewirkt nun, daß an den Enden 7′, 7′′ der Dampfkapillaren 7 eine Entgasung der letzteren stattfindet, weil die Gasströmung 5, 5′ dort wie eine Was­ serstrahlpumpe wirkt und die Dampfkapillare 7 abpumpt, so daß kein Überdruck entstehen kann, der dazu beitragen würde, die verdampfte Beschichtung 3′ in die Schmelze 9 zu treiben bzw. sie dort zu halten, so daß es zu den unerwünschten Eruptions­ vorgängen käme.

Die Einstellung der Stärke der Gasströmung 5, 5′ wird auf die jeweiligen Erfordernisse abgestimmt, beispielsweise auf die Stärke der Beschichtung und damit auf die anfallenden Dampfmen­ gen der Beschichtung 3′ bzw. auf die Vorschubgeschwindigkeit und den Werkstoff der Beschichtung 3.

Fig. 1 läßt außerdem noch erkennen, daß die Stärke der Gas­ strömung, insbesondere der Gasströmung 5′ so eingestellt werden kann, daß die Dampfkapillare 7 erweitert wird. Die betreffende Erweiterung ist mit 18 bezeichnet. Die Stärke der Gasströmungen kann auf den Seiten 10, 10′ unterschiedlich sein. Fig. 1 zeigt auf der Seite 10′ durch einen dickeren Pfeil eine stärkere Gas­ strömung 5′, um hier die Dampfkapillare über deren Ende 7′ stärker zu entgasen, was wegen dessen geringeren Durchmessers vorteilhaft ist, wenn die Entgasung durch die beiden Enden 7, 7′ gleichgroß sein soll.

Das durch die Düse 14 zugeführte Schutz- oder Arbeitsgas 6 ist beispielsweise ein Inertgas, wie Helium, oder ein aktives Gas, wie Kohlendioxid. Für die Gasströmung 5, 5′ können auch diese Gase eingesetzt werden. Jedoch empfiehlt es sich in der Regel, ein insbesondere preiswertes Gas für die Gasströmung 5, 5′ zu verwenden, da der Verbrauch infolge der größeren Strö­ mungsgeschwindigkeit größer ist, als bei der Bespülung der Be­ arbeitungsstelle 14 mit einem Schutz- oder Arbeitsgas 6.

Es wurde oben bereits angesprochen, daß die Gasströmung 5, 5′ im Bereich der Enden 7′, 7′′ der Dampfkapillaren 7 einen die Entgasung der Dampfkapillaren 7 fördernden Unterdruck er­ zeugen kann. Andererseits hat die Gasströmung 5, 5′ insbesondere bei in Vorschubrichtung 8 erfolgender Strömung, bei der also der große Bereich der Schmelze 9 zuerst überstrichen wird, eine auf den Untergrund einwirkende Kraft. Es ergibt sich eine Ober­ flächen- bzw. Nahtformung, welche der eruptiven Kraft des aus der Schmelze 9 entweichenden Beschichtungsdampfes entgegen­ wirkt.

Fig. 3 zeigt die Seitenansicht zweier als verzinkte Bleche ausgebildeter Werkstücke 1, 2, die Abkantungen 1′, 2′ aufweisen, mit denen sie aneinanderliegen, so daß infolgedessen eine ein­ geschlossene Beschichtung 3 vorhanden ist, die in den Fig. 3, 3a durch einen verstärkten Strich symbolisiert ist. Zum Herstellen einer Verschweißung der beiden Abkantungen 1′, 2′ mit einer Schweißnaht 13 wird ein vertikal zu den Abkantungen 1′, 2′ ge­ richteter Laserstrahl 11 verwendet, dessen Strahlfleckbreite die Breite der Schweißnaht 13 bestimmt. Es ist eine Düse 14 für Arbeitsgas 6 vorhanden, mit dem die Bearbeitungsstelle 4 be­ spült wird. Die Düse 14 ist geneigt angeordnet.

Außerdem sind zwei Gasströmungsdüsen 19 vorhanden, welche dicht an die Abkantungen 1′, 2′ heranragen. Die Enden 19′ sind parallel zur Oberfläche der Abkantungen 1′, 2′ gerichtet, so daß werkstückoberflächenparallele Gasströmungen 5, 5′ in Vorschub­ richtung 8 der Werkstücke 1, 2 entstehen und im Bereich der hier nicht dargestellten Dampfkapillare 7 die oben beschriebenen Wirkungen erzeugen.

Fig. 3, 3a zeigen ein Ausführungsbeispiel für einen Über­ lappstoß verzinkter Bleche, der ohne Spalt verschweißt wird. Derartige Überlappstöße werden beispielsweise im Karosserie- und Behälterbau eingesetzt. Im Karosseriebau sind es vollver­ zinkte Motorhilfsträger, Federdome und andere Fahrwerksteile bzw. Schweißnähte im Bereich der Regenrinne.

Als Gas für die Gasströmung 5, 5′ wird beispielsweise Kohlendioxid oder ein Mischgas mit Sauerstoffanteilen ein­ gesetzt. Unter Mischgas wird hier ein Gemisch aus inerten und aktiven Gasen verstanden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Verschweißen mit Laserstrahlung od.dgl. hochenergetischer Strahlung, bei dem zwei aneinander an­ liegende Werkstücke (1, 2) zwischen sich eine Beschichtung (3) mit einem unter dem Schmelzpunkt des Werkstückmate­ rials liegenden Verdampfungspunkt haben, und bei dem eine auf die Bearbeitungsstelle (4) gerichtete Gasströmung (5, 5′) verwendet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich zu einer Bespülung der Bearbeitungsstelle (4) mit einem Schutz- oder Arbeitsgas (6) eine die Entgasung der verdampften Beschichtung (3′) aus der Dampfkapillaren (7) der Bearbeitungsstelle (4) fördernde Gasströmung (5, 5 ) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasströmung (5, 5′) zumindest im wesentlichen werkstückoberflächenparallel gerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Werkstücke (1, 2) durchge­ schweißt werden und an beiden Enden (7′, 7′′) der Dampfka­ pillaren (7) jeweils mit Gasströmung (5, 5′) entgast wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die auf der laserstrahlabgewendeten Seite (10′) der Werkstücke (1, 2) wirkende Gasströmung (5′) stärker ist, als die laserstrahlseitige (5).

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung (5, 5′) in der Richtung (8) des relativen Vor­ schubs der Werkstücke (1, 2) erfolgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas der Gasströmung (5, 5′) eine das Erweitern der Dampfka­ pillare (7) bewirkende Strömungsgeschwindigkeit hat.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenspannung der Schmelze (9) mittels erhöhter Energieeinkopplung und/oder durch chemische Gasreaktion herabgesetzt und/oder der Durchmesser der Dampfkapillare (7) vergrößert wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Schweißen mindestens eine flach winklig zu den Werkstücken (1, 2) gerichtete Düse (19) vorhanden ist, die ein dem Werkstück (1 oder 2) exakt oberflächenparalleles Ende (19′) aufweist.