DE4118791A1 - Verfahren zum schweissen von aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Aluminium und dessen Legierungen mit einem Laserstrahl.

Beim Schweißen von Aluminium oder dessen Legierungen sind Leistungsdichten von 2 bis 5·10⁶ Watt/cm² er­ forderlich, die während der gesamten Schweißdauer entlang der Schweißfuge aufrecht erhalten müssen, damit ein ausreichender Teil der Strahlungsenergie absorbiert wird. Die Absorption ist von der Wellenlänge der Strah­ lung und vom Werkstoff abhängig. Für die Einkopplung der Strahlungsenergie in das Aluminium bzw. dessen Legierungen ist es erforderliche ein Plasma an der Werkstoffoberfläche zu erzeugen. In der Praxis kommt es jedoch beim Schweißen von Aluminium mit einem cw-CO₂-Laserstrahl aus nicht bekannten Ursachen immer wieder zum Abreißen der Plasmawolke und damit zu Schweißfehlern in der Schweißnaht, so daß ein stabiles Schweißen nicht möglich ist.

Ein weiteres bis heute noch nicht gelöstes Problem beim Schweißen von Aluminium oder dessen Legierungen ent­ steht beim Umfahren von Ecken, weil aufgrund der dyna­ mischen Eigenschaften der Führungsmaschinen die Ge­ schwindigkeit verringert werden muß. Bei den erforder­ lichen hohen Leistungsdichten führt dies zu einem Verbrennen des Aluminiums oder dessen Legierungen. Wird jedoch die Leistungsdichte verringert, wie dies zum Beispiel beim Schweißen von Stählen aufgrund deren spezifischen Werkstoffeigenschaften möglich ist, reißt der Schweißprozeß beim Aluminium ab und kann erst nach längerer Aufheizung der Schweißstelle wieder neu ge­ zündet werden, nämlich dann, wenn das Plasma sich gebildet hat.

Zum Schutz des Schmelzbades vor schädlichen Gasen aus der Luft werden Schutzgase, wie Argon und Helium, koaxial oder seitlich auf die Naht geblasen. Beim Tiefschweißen, zum Beispiel ab Werkstoffdicken von 2 mm, wird dadurch auch die expandierende Plasmawolke ober­ halb der Werkstoffoberfläche, wo sie eine abschirmende und keine einkoppelnde Wirkung hervorruft, weggeblasen, wodurch die Einbrandverhältnisse verbessert werden. Beim Schweißen um Ecken und bei häufigen Richtungs­ änderungen, wie sie zum Beispiel beim dreidimensionalen Schweißen von Karosserieblechen vielfältig auftreten, ist bei seitlicher Schutzgaszuführung ein hoher Aufwand erforderlich, um die Blasrichtung an die Schneidrich­ tung anzupassen, weil eine koaxiale Schutzgaszuführung bei höheren Schutzgasdrücken Schweißbadunruhen erzeugt. Kurze Brennweiten von beispielsweise 150 mm, wie sie beim Schweißen eingesetzt werden müssen, lassen nur einen kleinen Arbeitsabstand zum Werkstück zu und erschweren die seitliche Schutzgaszuführung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein stabiles Verfahren zum Schweißen von Aluminium oder dessen Legierungen zu schaffen.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Stand der Technik, ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach die gleichzeitige Einwirkung des konstanten Laserstrahles und der Laserstrahlimpulse auf das Alu­ minium bzw. dessen Legierungen. Unter gleichzeitiger Einwirkung wird hierbei die Einwirkung der cw-Laser­ strahlen und der Laserstrahlimpulse zur gleichen Zeit auf den Werkstoff verstanden, wobei die Einwirkstellen auf der Werkstoffoberfläche räumlich identisch oder räumlich getrennt sein können. Bevorzugt werden cw-CO₂ Laserstrahlen (Wellenlängenbereich von 9 µm bis 11 µm, vorzugsweise 10,6 µm) und CO₂-Laserstrahlimpulse (Wellenlängenbereich von 9 µm bis 11 µm, vorzugsweise 10,6 µm), jedoch eignen sich auch cw-CO₂-Laserstrahlen in Kombination mit YAG-Laserstrahlimpulsen bzw. cw-Festkörperlaserstrahlen mit YAG-Laserstrahlimpulsen. Zum Schutz des Schmelzbades vor schädlichen Gasen aus der Luft, wird ein inaktives Schutzgas (Argon, Helium, Stickstoff) auf die Naht geblasen. Die auf diese Weise mit vorzugsweise einem TEA-Impulslaser und einem cw-CO₂-Laser erzeugten Schweißnähte ermöglichen einen kontinuierlichen Schweißprozeß bei hoher Schweißnaht­ qualität. Es bildet sich eine gleichmäßige Schweißraupe aus.

Der Erfinder führt dieses überraschende Ergebnis auf die Erzeugung des Plasmas durch die kurzfristig mit hohen Leistungsdichten auf das Aluminium bzw. dessen Legierungen auftreffenden CO₂-Laserstrahlimpulse zu­ rück, die eine Plasmabildung an der Werkstoffoberfläche sicherstellen, während gleichzeitig die cw-CO₂-Laser­ strahlen in ihrer Leistungsdichte variiert werden können, wobei ein Unterschreiten der Leistungsdichten von 2 bis 5·10⁶ Watt/cm² möglich ist. Hierdurch wird eine kontinuierliche Schweißung von Aluminium bzw. dessen Legierungen sichergestellt, wobei Richtungs­ änderungen bei verringerten Schweißgeschwindigkeiten unerheblich sind, da das für die Einkopplung der cw-CO₂-Laserstrahlen erforderliche Plasma immer, selbst bei Maschinenstillstand, zur Verfügung steht bzw. durch die von dem TEA-CO₂-Laser auf die Werkstoffoberfläche fokussierten Laserimpulse sofort erzeugt wird.

Die Abb. 1 bis 4 zeigen Makroaufnahmen der 2,5 mm dicken Werkstoffe AlMgSi1 und AlLi 2,5 Cu. Abb. 1 zeigt die Oberflächenraupe bei Schweißung des Werk­ stoffes AlMgSi1 mit cw-CO₂-Laserstrahlen aussieht. Die Leistung des cw-CO₂-Laserstrahles betrug 2750 Watt bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 2 Meter/Minute und einer Schutzgaszufuhr von Argon bzw. Helium von 10 Liter/Minute. Man erkennt eine unregelmäßige Schweiß­ raupe mit starken Einschnürungen. Eine Durchschweißung des 2,5 mm dicken Bleches konnte bei der ausschließ­ lichen Verwendung von cw-CO₂-Laserstrahlen nicht er­ reicht werden. Gegen Ende der Schweißnaht kam es zum Abriß des Schweißprozesses.

In Abb. 2 wurde die gleiche Legierung AlMgSi1 bei gleichen Parametern, jedoch mit zusätzlich auf die Schweißfuge fokussierten Laserstrahlimpulsen eines TEA-CO₂-Lasers geschweißt. Der TEA-Laser wies dabei eine Energie von 160 mJoule bei einer Pulsfrequenz von 80 Herz und einer Pulsdauer von 50 Nano-Sekunden auf. Die sich ausbildende Oberflächenraupe weist eine gleich­ förmige Überhöhung bei konstanter Breite auf. Es konnte eine kontinuierliche Durchschweißung erzielt werden.

In Abb. 3 wurden die Laserstrahlimpulse des TEA-CO₂-Lasers während des Schweißprozesses abgeschaltet. Es kommt sofort zu einer Verringerung der Schweißnaht­ breite, d. h. zu einem Abriß des Schweißprozesses Durch unmittelbares Zuschalten der CO₂-Laserstrahl­ impulse kann, wie in Abb. 3 gezeigt, der Schweiß­ prozeß sofort kontinuierlich fortgeführt werden.

In Abb. 4 ist die Oberfläche einer Legierung AlLi 2,5 Cu dargestellt, bei der die mit 473 a, b, c darge­ stellten Schweißraupen ohne zusätzliche Laserstrahl­ impulse und die Schweißraupen 474a, b, c mit zusätz­ lichen Laserstrahlimpulsen eines TEA-CO₂-Lasers ge­ schweißt wurden. Wie sich aus dieser Gegenüberstellung ergibt, reißt der Schweißprozeß ohne den Einsatz von CO₂-Laserstrahlimpulsen unkontrolliert ab.

Im Gegensatz hierzu kommt es zu einer kontinuierlichen Durchschweißung bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Schweißraupen 474a, b, c.

Bei der Schweißraupe 475 wurde der Anfang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt und anschließend die Laserstrahlimpulse abgeschaltet. Wie dieser Ab­ bildung entnommen werden kann, kann der Schweißprozeß aufgrund des expandierenden und kurzzeitig bestehenden Plasmas noch eine geringe Zeit fortgesetzt werden, um anschließend vollständig abzureißen. Durch den kurz­ zeitigen Bestand des Plasmas ist es auch vorteilhaft möglich, die Laserstrahlimpulse im Vorlauf auf die Schweißfuge des Aluminiums bzw. dessen Legierungen zu fokussieren.

Claims (6)

1. Verfahren zum Schweißen von Aluminium und dessen Legierungen mit einem Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium bzw. dessen Legierungen mit einem zeitlich konstanten (cw) Laserstrahl geschweißt werden, während gleichzeitig oder im Vorlauf auf die Schweißstellen Laserstrahlimpulse fokussiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitlich konstante Laserstrahl eine Wellen­ länge im Bereich zwischen 9 µm bis 11 µm und die Laserstrahlimpulse eine Wellenlänge im Bereich zwischen 9 µm bis 11 µm, vorzugsweise 10,6 µm, aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißprozesses ein inaktives Schutzgas auf das Aluminium und dessen Legierungen geblasen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlleistung der cw-Laserstrahlen zwischen 1500 Watt und 5000 Watt und die Verfahrgeschwindig­ keit zwischen 0 und 10 m/min bei einer Blechdicke zwischen 1,5 und 3 mm ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlleistung der cw-Laserstrahlen 2750 Watt und die Verfahrgeschwindigkeit 2 m/min bei einer Blechdicke von 2,5 mm ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Laserimpulse 160 mJ, die Puls­ frequenz 80 Hz und die Pulsdauer 50 nsec ist.