DE69124232T2

DE69124232T2 - Laser und laserschweissenverfahren

Info

Publication number: DE69124232T2
Application number: DE69124232T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Mori; Yoshinori Nakata; Etsuo Yamazaki
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2011-06-01
Also published as: KR920703266A; KR960016156B1; JPH04333386A; JP2736182B2; WO1992015422A1; EP0527229A4; EP0527229B1; DE69124232D1; US5539180A; EP0527229A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserschweißen oberflächenbehandelter metallischer Werkstücke, insbesondere verzinkter Stahlbleche.
Die höhere Ausgangsleistung hat zu einer breiteren Anwendung von Laserschweißvorrichtungen geführt. So sollen insbesondere Stahlbleche zur Herstellung von Fahrzeugen verschweißt werden. Dabei handelt es sich oft um verzinkte Stahlbleche und das Schweißen mit Laserstrahlen soll stabil und schnell erfolgen.
Verschweißt man übereinanderliegende verzinkte Bleche, so wird die Überzugsschicht auf dem Stahlblech durch den Laserstrahl verdampft und damit entstehen viele Lunker. Liegen die Stahlbleche lückenlos übereinander, so bläst der Zinkdampf das aufgeschmolzene Basismetall ab und damit ist das Verschweißen unmöglich. Die Ursache liegt darin, daß Zink einen niedrigeren Schmelzpunkt als Eisen besitzt und da der Dampfdruck hoch ist, wird das aufgeschmolzene Eisen weggeblasen.
Somit wird beim Verschweißen aufeinanderliegender verzinkter Stahlbleche ein Spalt von einigen 100 µ zwischen den Stahlblechen vorgesehen, so daß der an den Oberflächen erzeugte Zinkdampf entweichen kann. Trotzdem ist es sehr schwierig, den Spalt fest einzustellen und so erfolgt das Laserstrahl-Verschweißen oft auch dann, wenn die Stahlbleche sich eng berühren.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zum Laser-Verschweißen oberflächenbehandelter Metalle wie verzinkter Stahlbleche zu schaffen, die miteinander in enger Berührung sind.
In einer weiteren Aufgabe der Erfindung sollen Lunker an oberflächenbehandelten metallischen Werkstücken wie verzinkter Stahlbleche möglichst vermieden werden.
JP-A-62-254992 schildert das Verschweißen von Aluminium mit einem Schutzgas, das aus einer sauerstoffenthaltenden Mischung besteht.
JP-A-1-44296 schildert eine Schweißvorrichtung mit automatischer Kontrolle eines Hilfsgases.
DE-A-39 26 781 schildert einen Laser zum Schweißen eines oberflächenbehandelten Metalls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1; im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ist die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt charakterisiert.
DE-A-39 26 781 schildert außerdem ein Verfahren zum Schweißen eines oberflächenbehandelten Metalls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6; im Kennzeichen des Patentanspruchs 6 ist die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt charakterisiert.
In bekannter Weise wird zum Schweißen kein Sauerstoffgas verwendet, da das Eisen Feuer fängt, doch trifft ein Laserstrahl auf ein oberflächenbehandeltes Metall wie verzinktes Stahlblech, in einer Atmosphäre eines Hilfsgases, das Sauerstoffgas oder ein Sauerstoffgasgemisch mit einem anderen Gas enthält, so fängt das Material Feuer und bildet eine Schmelze aus Sauerstoff und Eisen. Ein solcher Schmelzfleck hat eine geringe Viskosität und damit kann der Zinkdampf leicht entweichen.
Ferner reagieren Sauerstoff und Zink miteinander und bilden ein Zinkoxid oder Zinkperoxid anstelle von Dampf und deshalb wird beim Durchleiten eines Laserstrahls das Eisenoxid als Schlacke auf der Oberfläche des Stahlbleches ausgeschieden und der nicht-oxidierte Teil der Eisenschmelze verfestigt sich, um so eine starke Verschweißung zu erhalten. Die Zinkschicht auf dem Stahlblech ist dünner als das Stahlblech und damit tritt nach dem Verschweißen eine Schwächung auf.
Ferner ist die bei der Reaktion von Sauerstoff und Eisen erzeugte Hitze eine wesentliche Hilfe beim Verschweißen, und da die Art und Weise der Reaktion von der Konzentration des Sauerstoffgases, von dem anderen verwendeten Gastyp, dem Fokussieren des Strahls, der Impulsausbreitung und anderen Bedingungen abhängt, liefert das Vorhandensein von Sauerstoffgas den gewünschten Effekt.
Dementsprechend ist der Laser mit einer Zufuhreinheit zum Zuführen von Sauerstoffgas versehen, wenn mit dem Laserstrahl ein Schweißvorgang erfolgt.
Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Außenansicht eines Lasers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 Vorgänge beim Schweißen, nämlich Fig. 2(A) in Vorschubrichtung seitlich gesehen und Fig. 2(B) in Vorschubrichtung von vorne gesehen;
Fig. 3 einen Schweißvorgang ohne Sauerstoffgas, nämlich Fig. 3(A) in Vorschubrichtung seitlich gesehen und Fig. 3(B) in Vorschubrichtung von vorn gesehen;
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Schweißpunkt, nämlich Fig. 4(A) von rückwärts und Fig. 4(B) von oben;
Fig. 5 einen Schweißpunkt ohne Verwendung von Sauerstoffgas, nämlich Fig. 5(A) von rückwärts und Fig. 5(B) von oben;
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel mit drei verzinkten Stahlblechen übereinander und verschweißt;
Fig. 7 eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 ein Schaubild für den optimalen Bereich des Mischanteils von Hilfsgas bezüglich einer Vorschubgeschwindigkeit;
Fig. 9 einen optimalen Bereich des Mischanteils von Hilfsgas bezüglich der Dicke der Zinkschicht und
Fig. 10 einen optimalen Bereich für die Hilfsgasströmung bezüglich der Vorschubgeschwindigkeit.
Eine bestmögliche Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Laser, bei dem ein Laserstrahl 1 aus der fokussierenden Linse 2 austritt und durch eine Düse 8 hindurch auf verzinkte Stahlbleche 3a und 3b auftrifft. Die Linse 2 ist am Kopf 7 befestigt und die verzinkten Stahlbleche 3a und 3b sind auf einem Tisch 10e mit Klammern 10a, 10b, 10c und 10d festgelegt.
Sauerstoff- und Argongas werden von einem Sauerstoffgaszylinder 4a und einem Argongaszylinder 4b über Schläuche 5a und 5b zugeführt und in einem Mischer 6 vermischt, bevor sie über einen Schlauch 5c zum Kopf 7 gelangen und dann durch die Düse 8 auf einen Schweißpunkt 9 ausgestoßen werden. Das Sauerstoffgas verbindet sich mit dem Zink und bildet Zinkoxid und Zinkperoxid, also Feststoffe bei Unterdrückung der Verdampfung von Zink, um so das Entstehen von Lunkern zu kontrollieren und außerdem verbessert die bei der Mischung erzeugte Wärme den Schweißvorgang.
In diesem Fall beträgt die Dicke der verzinkten Stahlbleche 3a und 3b 0,9 mm, die Laserleistung beträgt 3 kW, die Vorschubgeschwindigkeit 1,5 m/min, das Verhältnis von Sauerstoffgas zu Argongas ist 4 : 1 und das Gesamtvolumen des Hilfsgases beträgt 20 l/min. Der Laserstrahl ist eine gepulste Welle.
Fig. 2(A) ist eine Seitenansicht der Schweißstelle bezüglich der Vorschubrichtung des Kopfes 7 und Fig. 2(B) eine Ansicht von vorne. Hier ergeben sich Rauchwolken des verdampften und ionisierten Gases 11 und 12 über und unter dem verzinkten Stahlblech 2a bzw. 3b. Ferner werden Spritzer 13 und 14 (austretendes geschmolzenes Metall) oben und unten erzeugt, jedoch von kleinem Volumen.
Fig. 3 zeigt den Zustand ohne Sauerstoffgas. Auch hier bilden sich Rauchwolken von verdampften und ionisiertem Gas 11 und 12 oberhalb und unterhalb der verzinkten Bleche 3a bzw. 3b und ebenso Spritzer geschmolzenen Metalls 13 und 14 oben und unten, hier jedoch von sehr hohem Volumen.
Es ergibt sich aus Fig. 2 und 3 die Möglichkeit, die Verdampfung von Zink und die Spritzer zu steuern, wenn man Sauerstoffgas mit dem Hilfsgas mischt.
Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung der Oberfläche eines Schweißpunktes, nämlich Fig. 4(A) die Rückseite und 4(B) die Oberseite. Die Abschnitte 22a und 22b von tiefgelbem Pulver und Abschnitte 21a und 21b von hellgelbem Pulver werden auf jeder Seite einer Wulst 23 erzeugt. Gemäß Fig. 4(B) hat die Wulst 23 einen teilweise entwickelten Schlakkeneinschluß 25. In diesem Beispiel werden ersichtlicherweise nur wenige Lunker erzeugt.
Fig. 5 zeigt eine Schweißstelle ohne Sauerstoffgas, nämlich Fig. 5(A) die Rückseite und Fig. 5(B) die Oberseite. Die Abschnitte 22a und 22b bestehen aus dunkelgelbem Pulver und die Abschnitte 21a und 21b aus hellgelbem Pulver, jeweils auf einer Seite der Wulst 23. In diesem Fall werden viele nicht durchgehende Lunker 26 und durchgehende Lunker 27 in der Wulst 23 erzeugt und ferner wird ein schwarzes Pulver 28 erzeugt, das das Vorhandensein von Zink und Kohlenstoff anzeigt, sowie viele Spritzer-Spuren 29 werden beobachtet.
Es ergibt sich so aus den Fig. 4 und 5, daß eine Mischung aus Sauerstoffgas und Argongas als Hilfsgas ein stabiles Verschweißen ergibt und dabei das Erzeugen von Lunkern minimal gehalten wird.
Eine Erhöhung des Sauerstoffanteils entsprechend einer höheren Schweißgeschwindigkeit liefert eine bessere Wirkung und es ist darüber hinaus auch notwendig, den Sauerstoffanteil bei einer höheren Ausgangsleistung zu vergrößern. Die gleiche Wirkung läßt sich mit Heliumgas, Stickstoffgas oder einer Mischung dieser beiden Gase mit Sauerstoff anstelle von Argongas erzielen. Da ferner die Dicke des Zinks auf dem verzinkten Stahlblech gering ist, ergeben sich keine Probleme mit der Schweißfestigkeit infolge der Schlacke, die sich bei Verwendung des Sauerstoffs ergibt.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel mit drei übereinander gestapelten verzinkten Stahlblechen, die dann verschweißt werden. Nur die verzinkten Stahlbleche 33a und 33b werden aufgeschmolzen und bilden eine Wulst 34. Dabei liegt der dem thermischen Einfluß ausgesetzte Bereich 32 außerhalb eines Schmelzbereichs 31, doch auf das verzinkte Stahlblech 33c wird kein thermischer Einfluß ausgeübt. Dieser Schweißvorgang wird bei Auswahl der Ausgangsleistung des Laserstrahls, der Frequenz, der Einschaltdauer und der Schweißgeschwindigkeit je nach Bedarf ausgeführt. Da der Schweißvorgang auf das verzinkte Stahlblech 33c nicht thermisch einwirkt, läßt sich dies zum Punktschweißen wirksam einsetzen oder in Fällen, wo eine Fläche gegenüber der verschweißten Fläche nicht thermisch beeinflußt werden muß.
Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der ein aus einem Laseroszillator 20 austretender Laserstrahl 1 zu einem Bearbeitungskopf 7 über ein Kreispolanmeter 21 und Flachspiegel 24a und 24b geführt wird. Dann tritt der Laserstrahl 1 durch eine fokussierende Linse 2 und fällt auf die verzinkten Stahlbleche 3a und 3b, um den Schweißvorgang auszuführen. Gleichzeitig werden Sauerstoffgas und Argongas aus einem Sauerstoffgaszylinder und Argongaszylinder 4b zugeführt über Ventile 30a und 30b in einen Mischer 6 und werden dort gemischt, bevor sie als Hilfsgas zur Düse 8 gelangen, über einen Gaseinlaß 70 des Kopfes 7, worauf sie auf die Schweißstelle 9 ausgestoßen werden.
Eine numerische Steuerung 50 steuert den Laseroszillator 20 und betätigt die Servomotoren 11a und 11b eines Tisches 10 entsprechend einem Programm. Ferner berechnet die numerische Steuerung den Mischanteil und das Stromvolumen des Hilfsgases in Übereinstimmung mit in einem Speicher 51 enthaltenen Daten und steuert die Ventile 30a und 30b dementsprechend. Dieser Vorgang stellt sicher, daß das Hilfsgas ein optimales Mischungsverhältnis und Strömungsvolumen jederzeit besitzt, um eine gute Schweißstelle zu erzielen.
Im folgenden sind optimale Hilfsgasbereiche für optimales Schweißen erläutert. Ein optimaler Bereich bedeutet, daß keine Lunker erzeugt werden und Schlacke minimal gehalten wird.
Fig. 8 zeigt den Bereich für ein optimales Mischungsverhältnis des Hilfsgases bezüglich der Vorschubgeschwindigkeit des Tisches. Dabei wird das Mischungsverhältnis R (= Ar/(Ar + =&sub2;)) des Hilfsgases im optimalen Bereich 60 verkleinert, wenn die Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit) F des Tisches 10 ansteigt; dies bedeutet, daß es nötig ist, den Anteil von Sauerstoff im Hilfsgas bei höherer Vorschubgeschwindigkeit F zu vergrößern.
Fig. 9 zeigt den optimalen Bereich des Mischungsverhältnisses des Hilfsgases bezüglich der Dicke der Zinkschicht. Hierbei wird das Mischungsverhältnis R (= Ar/(Ar + 0&sub2;)) des Hilfsgases im optimalen Bereich 61 verkleinert, wenn die Dicke t der Zinkschicht ansteigt; dies bedeutet, daß es nötig ist, den Anteil von Sauerstoff im Hilfsgas zu erhöhen, wenn sich die Dicke t der Zinkschicht vergrößert.
Fig. 10 zeigt den optimalen Bereich für den Durchfluß des Hilfsgases bezüglich der Vorschubgeschwindigkeit des Tisches. Hierbei ist es nötig, den Durchfluß L des Hilfsgases zu vergröl3ern, wenn die Vorschußgeschwindigkeit F ansteigt, doch hat F einen oberen Grenzwert und deshalb erhält man keinen zusätzlichen Effekt, auch bei noch größerem Durchfluß L, wenn der obere Grenzwert überschritten wird. In diesem Fall muß ein anderer Parameter, wie das Mischungsverhältnis R, verändert werden. Daten bezüglich der optimalen Bereiche des Hilfsgases abhängig von den vorgenannten Schweißbedingungen sind im Speicher 51 der Steuerung 50 abgespeichert und werden zum Einstellen des Mischungsverhältnisses R (= Ar/(Ar + 0&sub2;)) des Hilfsgases benutzt.
Vorstehend handelt es sich um verzinkte Stahlbleche, doch gelten die Ausführungen auch für andere oberflächenbehandelte Metalle, die mit Werkstoffen beschichtet sind, deren Schmelzpunkte geringer als die der Metalle sind.
Vorstehend werden Sauerstoffgas und ein weiteres Gas im Mischer 6 vermischt, doch läßt sich die gleiche Wirkung erhalten, wenn man Sauerstoff und ein anderes Gas direkt zur Düse führt und die Gase direkt auf die Schweißstelle ausstößt.
Ferner dienen die Vorschubgeschwindigkeit, Ausgangsleistung und Dicke der verzinkten Bleche als Parameter (Schweißbedingungen), welche das Mischungsverhältnis und den Durchfluß des Hilfsgases bestimmen, doch können auch andere Parameter, Typ des Beschichtungswerkstoffes (z.B. Zink und Nickellegierung) und die Form der Schweißwulst herangezogen werden.
Ferner kann ein Laserstrahl vom kontinuierlichen Wellentyp anstelle des Impulswellentyps verwendet werden.
Wie vorbeschrieben, wird im Laser Sauerstoffgas im Hilfsgas vermischt, um so das Schweißen mit möglichst wenigen Lunkern zu stabilisieren, ohne daß man einen Spalt zwischen den flächenbehandelten Metallen vorsehen muß. Beim Laserstrahl-Schweißverfahren wird Sauerstoff im Hilfsgas vermischt und damit läßt sich das Auftreten von Lunkern minimal halten. Ein Hilfsgas mit einem optimalen Mischverhältnis und Durchflußvolumen wird zugeführt und damit erhält man ein gutes Laserstrahl-Schweißen.

Claims

1. Laser zum Schweißen von oberflächenbehandeltem Metall (3a,3b), das mit einem Werkstoff beschichtet ist, der eine kleinere Verdampfungstemperatur als der Schmelzpunkt des oberflächenbehandelten Metalls hat, unter Verwendung eines kontinuierlichen Wellen- oder Impulswellen-Laserstrahls (1), wobei der Laser aufweist:

eine Gaszufuhr (4a,4b) zum Zuführen von Sauerstoff und einem weiteren Gas als Hilfsgas; und eine Ausstoßeinheit (7,8) zum Ausstoßen des Hilfsgases auf eine Schweißstellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ferner einen Gasmischer (6) aufweist, in dem der Sauerstoff und das weitere Gas gemischt werden, bevor sie in die Ausstoßeinheit (6,7) gelangen.

2. Laser nach Anspruch 1, bei dem das weitere Gas mindestens Argongas, Heliumgas oder Stickstoffgas enthält.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Sauerstoff und das weitere Gas über Ventile (30a,30b) zugeführt werdebn.

4. Laser nach Anspruch 3, bei dem der Mischanteil des Sauerstoffs und des weiteren Gases und das Durchflußvolumen jeweils von Sauerstoffgas und dem weiteren Gas durch den Öffnungsgrad der Ventile (30a,30b) gesteuert werden.

5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ventile von einer numerischen Steuerung (50) angesteuert werden.

6. Verfahren zum Schweißen von oberflächenbehandeltem Metall (3a,3b), das mit einem Werkstoff beschichtet ist, der eine kleinere Verdampfungstemperatur als der Schmelzpunkt des oberflächenbehandelten Metalls hat, unter Verwendung eines kontinuierlichen Wellen- oder Impulswellen-Laserstrahls (1), wobei eine Mischung aus Sauerstoff und einem weiteren Gas als Hilfsgas beim Schweißen benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff und das weitere Gas in einem Mischer (6) gemischt werden, bevor sie als Hilfsgas verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das weitere Gas mindestens Argongas, Heliumgas oder Stickstoffgas ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das oberflächenbehandelte Metall ein verzinktes Stahlblech (3a,3b) ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Anteil des Sauerstoffs vergrößert wird, wenn die Schweißgeschwindigkeit ansteigt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem der Anteil des Sauerstoffs vergrößert wird, wenn die Laserleistung ansteigt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem drei Bleche (33a, 33b, 33c) oberflächenbehandelten Metalls aufeinander gestapelt und dann derart verschweißt werden, daß ein Bodenblech (33c) der drei gestapelten oberflächenbehandelten Bleche nicht angeschmolzen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11; bei dem das Mischungsverhältnis von Sauerstoff und weiteren Gases und die Durchflußvolumen sowohl von Sauerstoff als auch dem weiteren Gas entsprechend mindestens der Dicke der Überzugsschicht des oberflächenbehandelten Metalls, dem Typ des Beschichtungswerkstoffes und der Form der Schweißwulst gesteuert werden.