DE4118791A1 - Welding aluminium@ alloy parts - using constant power laser beam with simultaneous pulsed laser beam to maintain presence of plasma above weld area - Google Patents

Welding aluminium@ alloy parts - using constant power laser beam with simultaneous pulsed laser beam to maintain presence of plasma above weld area

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Abstract

Method of welding Al and Al alloy parts used a constant power laser beam with a pulsed laser beam which is focused onto the welding area at the same time as the constant power laser beam or in advance of the latter. ADVANTAGE - The pulsed laser beam ensure the presence of a plasma above the welding area which thereby ensures a stable welding process free from plasma smoke generation and weld faults.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Aluminium und dessen Legierungen mit einem Laserstrahl.The invention relates to a method for welding Aluminum and its alloys with a laser beam.

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.When welding aluminum or its alloys, power densities of 2 to 5 · 10 6 watts / cm 2 are required, which must be maintained along the weld joint during the entire welding period so that a sufficient part of the radiation energy is absorbed. The absorption depends on the wavelength of the radiation and the material. For the coupling of the radiation energy into the aluminum or its alloys, it is necessary to generate a plasma on the surface of the material. In practice, however, when welding aluminum with a cw-CO 2 laser beam for unknown reasons, the plasma cloud is torn off again and again and thus welding defects in the weld seam, so that stable welding is not possible.

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.Another problem with the Welding of aluminum or its alloys stands when driving around corners because of the dyna properties of the guide machines mix the Ge speed must be reduced. With the required high power densities, this leads to a Burn aluminum or its alloys. Becomes however, the power density decreases as this Example when welding steels based on them specific material properties is possible the welding process with aluminum and can only after longer heating of the welding point again be ignited, namely when the plasma is has formed.

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.To protect the weld pool from harmful gases protective gases such as argon and helium blown coaxially or laterally onto the seam. At the Deep welding, for example from a material thickness of 2 mm, the expanding plasma cloud will also become upper half of the material surface, where it has a shielding and has no coupling effect, blown away, whereby the penetration conditions are improved. When welding around corners and with frequent directions Changes such as those in three-dimensional Welding of body panels occur in many different ways, is a lot of effort when supplying protective gas from the side required to the blowing direction to the cutting direction adjustment because of a coaxial shielding gas supply at higher shielding gas pressures, weld pool disturbances are generated. Short focal lengths of, for example, 150 mm, like them  have to be used for welding only a small working distance to the workpiece and complicate the side shielding gas supply.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein stabiles Verfahren zum Schweißen von Aluminium oder dessen Legierungen zu schaffen.The invention is therefore based on the object stable process for welding aluminum or to create its alloys.

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.Starting from that in the preamble of claim 1 considered state of the art, this task solved according to the invention with in the characterizing part of claim 1 specified features.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are in the Subclaims specified.

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.It is therefore essential for the method according to the invention that the simultaneous action of the constant laser beam and the laser beam pulses on the aluminum or its alloys. Simultaneous action is understood here to mean the action of the cw laser and the laser beam impulses on the material at the same time, it being possible for the action points on the material surface to be spatially identical or spatially separated. Cw-CO 2 laser beams (wavelength range from 9 µm to 11 µm, preferably 10.6 µm) and CO 2 laser beam pulses (wavelength range from 9 µm to 11 µm, preferably 10.6 µm) are preferred, but cw-CO are also suitable 2 laser beams in combination with YAG laser beam pulses or cw solid-state laser beams with YAG laser beam pulses. To protect the weld pool from harmful gases from the air, an inactive protective gas (argon, helium, nitrogen) is blown onto the seam. The welds produced in this way, preferably with a TEA pulse laser and a cw-CO 2 laser, enable a continuous welding process with high weld quality. An even weld bead is formed.

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.The inventor performs this surprising result in the generation of the plasma by the short-term incident with high power densities to the aluminum or its alloys CO 2 -Laserstrahlimpulse to back to ensure a plasma formation at the material surface, while the cw-CO beam 2 laser their power density can be varied, it being possible for the power densities to fall below 2 to 5 · 10 6 watts / cm 2 . This ensures a continuous welding of aluminum or its alloys, whereby changes in direction at reduced welding speeds are irrelevant, since the plasma required for the coupling of the cw-CO 2 laser beams is always available, even when the machine is at a standstill or by the TEA-CO 2 laser, laser pulses focused on the material surface are generated immediately.

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. Fig. 1 to 4 show macro pictures of the 2.5 mm thick materials AlMgSi1 and AlLi 2.5 Cu. Fig. 1 shows the surface bead when welding the AlMgSi1 material with cw-CO 2 laser beams. The power of the cw-CO 2 laser beam was 2750 watts at a travel speed of 2 meters / minute and an inert gas supply of argon or helium of 10 liters / minute. You can see an irregular welding bead with severe constrictions. It was not possible to weld through the 2.5 mm thick sheet with the exclusive use of cw-CO 2 laser beams. Towards the end of the weld, the welding process broke off.

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 Fig. 2, the same AlMgSi1 alloy was welded with the same parameters, but with additional laser beam pulses from a TEA-CO 2 laser focused on the weld joint. The TEA laser had an energy of 160 mJoule with a pulse frequency of 80 heart and a pulse duration of 50 nano-seconds. The surface bead that forms has a uniform cant with a constant width. Continuous welding was achieved.

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 Fig. 3, the laser beam pulses from the TEA-CO 2 laser were switched off during the welding process. The width of the weld seam is immediately reduced, ie the welding process is torn off . As shown in Fig. 3, the welding process can be continued immediately by switching on the CO 2 laser beam immediately.

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. Fig. 4 shows the surface of an AlLi 2.5 Cu alloy, in which the weld beads shown with 473 a, b, c show impulses without additional laser beam and the weld beads 474 a, b, c with additional laser beam pulses from a TEA-CO 2 lasers were welded. As can be seen from this comparison, the welding process breaks off in an uncontrolled manner without the use of CO 2 laser beam pulses.

Im Gegensatz hierzu kommt es zu einer kontinuierlichen Durchschweißung bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Schweißraupen 474a, b, c.In contrast to this, the weld beads 474 a, b, c produced by the method according to the invention are continuously welded through.

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.In the case of the 475 welding bead, the beginning was welded using the method according to the invention and then the laser beam pulses were switched off. As can be seen from this picture, the welding process can continue for a short time due to the expanding and briefly existing plasma, in order to subsequently tear off completely. Due to the short-term existence of the plasma, it is also advantageously possible to focus the laser beam pulses in advance on the weld joint of the aluminum or its alloys.

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.1. A method for welding aluminum and its alloys with a laser beam, characterized in that the aluminum or its alloys are welded with a temporally constant (cw) laser beam, while at the same time or in advance laser beam pulses are focused on the welds. 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.2. The method according to claim 1, characterized, that the temporally constant laser beam waves length in the range between 9 µm and 11 µm and the Laser beam pulses have a wavelength in the range between 9 µm to 11 µm, preferably 10.6 µm, exhibit. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißprozesses ein inaktives Schutzgas auf das Aluminium und dessen Legierungen geblasen wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that an inactive during the welding process Shielding gas on the aluminum and its alloys is blown. 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. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that the beam power of the cw laser beams between 1500 watts and 5000 watts and the moving speed speed between 0 and 10 m / min with a sheet thickness is between 1.5 and 3 mm.   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.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized, that the beam power of the cw laser beams 2750 Watts and the travel speed at 2 m / min a sheet thickness of 2.5 mm. 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.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized, that the energy of the laser pulses 160 mJ, the pulse frequency is 80 Hz and the pulse duration is 50 nsec.
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