EP4168206A1 - VERFAHREN ZUM SCHWEIßEN MIT EINEM DRAHTFÖRMIGEN ZUSATZWERKSTOFF UND MINDESTENS EINEM LASERSTRAHL - Google Patents

VERFAHREN ZUM SCHWEIßEN MIT EINEM DRAHTFÖRMIGEN ZUSATZWERKSTOFF UND MINDESTENS EINEM LASERSTRAHL

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EP4168206A1
EP4168206A1 EP21733951.4A EP21733951A EP4168206A1 EP 4168206 A1 EP4168206 A1 EP 4168206A1 EP 21733951 A EP21733951 A EP 21733951A EP 4168206 A1 EP4168206 A1 EP 4168206A1
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EP
European Patent Office
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laser beam
wire
power
filler material
electrical
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Pending
Application number
EP21733951.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schnick
Nils BROCKE
Frank Silze
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Kjellberg Stiftung
Original Assignee
Kjellberg Stiftung
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Publication date
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    • B23K26/702—Auxiliary equipment
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    • B23K35/0294—Consumable guides

Definitions

  • the invention relates to a method for welding with a wire-shaped filler material and at least one laser beam.
  • wire-shaped should also include strips of filler material that do not have a completely convex surface on their outer lateral surface. Filled additional materials can also be used.
  • wire position has to be exactly right, especially with laser-based processes, since otherwise the wire will burn back (too little wire) or upset (too much wire).
  • the problem mainly arises at the start of the process.
  • the wire must initially be positioned on the component or a certain surface. In the process, irregularities, for example variations in the process distance, can result in the wire being compressed. This can lead to the wire kinking and thus to the process being aborted (so-called wire jam).
  • the wire-shaped filler material is in permanent contact with the workpiece or a component, so that the wire-shaped filler material is not torn off and burned back on it, as well as a uniform process management in which the wire-shaped filler material is sufficiently Contact with the respective surface can be achieved.
  • wire-shaped filler material and at least one laser beam are directed onto a surface of at least one workpiece to be machined in a manner known per se.
  • wire-shaped additional material is conveyed in the direction of the surface of the workpiece by means of a correspondingly designed wire feeder and in the area of the wire-shaped additional material, which is arranged directly above the respective surface, with the energy of the at least one laser The beam is successively melted off during its advance movement.
  • the wire-shaped filler material and the workpiece are connected to an electrical voltage source and form an electrical circuit.
  • the electrical voltage, the electrical current and / or the electrical resistance in the electrical circuit is / are measured and used as a rule variable for the wire feed movement and / or the power of the at least one laser beam, with the electrical voltage and / or or the electrical current or the exceeding of a predetermined threshold value of the electrical resistance, the power with which the at least one laser beam is operated is reduced or the at least one laser beam is switched off or not switched on.
  • the signals can be used to initiate the start, stop or cancellation of the process.
  • a reduction in power can also be achieved by switching off at least one of these laser beams when using several laser beams that are jointly directed onto the wire-shaped filler material.
  • the at least one laser beam can advantageously be switched off or not switched on when no electrical current is flowing in the electrical circuit. Alternatively, this can also be done when the electrical resistance has reached a value in the range 10 W to 1000 W.
  • the 1st derivative of at least one of the controlled variables can be determined in an electronic evaluation unit and the wire feed can be regulated when the absolute value of the 1st derivative of the respective controlled variable is exceeded.
  • the determination of the increase there is the possibility to react earlier. For example, one does not have to wait until there is actually no electrically conductive contact between the wire-shaped filler material and the material. You can react earlier if, for example, the electrical current drops sharply or the electrical resistance increases sharply. You can already react when the absolute value of the respective 1st derivative is greater than 0.5.
  • the electrical voltage source can be operated with an electrical voltage greater than 0 V, for example at approx. 5 V.
  • the electrical voltage should, however, be a maximum of 48 V.
  • either the power of the at least one laser beam can be increased again to the normal operating power or the at least one laser beam such as which are switched on, so that the process can be continued again when a corresponding positioning of the tip of the wire-shaped filler material pointing in the direction of the workpiece surface has been achieved in relation to the workpiece surface, in which an electrically conductive connection has been achieved and by the electrical Circuit an electric current flows. If necessary, a waiting time can also be observed before the electrical power is increased again or the at least one laser beam is switched on again.
  • the power with which the at least one laser beam is operated should be reduced if the respective controlled variable (s) falls below or exceeds a threshold value so that filler material does not melt. In this way, defects and faults as well as burn-back on the wire-shaped filler material can be avoided.
  • the power with which the at least one laser beam is operated or the at least one laser beam should be reduced or switched off within a maximum of 100 ms. After reducing the power with which the at least one laser beam is operated or after switching off the at least one laser beam and reaching a value of the respective controlled variable (s) that is above or below the respective threshold value, the power of the at least one laser beam can be reduced to its normal operating performance is increased or the at least one laser beam is switched on again. This can take place, for example, when a correspondingly large electrical current flows in the electrical circuit, there is a corresponding electrical voltage or the electrical resistance has dropped to a sufficiently low value.
  • the welding process can be restarted automatically when suitable conditions are present in the meantime and, in particular, wire-shaped filler material has been positioned in a suitable form in relation to the workpiece surface.
  • Figure 1 shows in schematic form an example of a device that is used for
  • wire-shaped filler material 1 is moved by a wire feed drive 2 in the direction of a surface of a workpiece 3 through a wire guide 4.
  • the wire guide is connected to a connection of an electrical voltage source (not shown).
  • the second connection of the electrical voltage source is connected to the workpiece 3 in an electrically conductive manner.
  • a laser beam 5 is directed onto the tip of the wire-shaped filler material 1 pointing in the direction of the workpiece surface and there material of the wire-shaped filler material 1, which is used for welding, is successively melted off.
  • An electronic evaluation unit 6 is provided between the connection contacts of the electrical voltage source of the wire guide and the workpiece S handle that is designed to determine the electrical voltage, the electrical current and / or the electrical resistance in the electrical circuit and to use as a control variable for the wire feed movement and / or the performance of the at least one laser beam 5, as in the general part the description is explained.
  • Control unit 6 is connected via lines 7 and 8 to the wire feed drive 2 or the laser radiation source or a control of the Laserstrahlungsquel le (both not shown) for influencing the wire feed movement or the power of the laser beam 5.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Bei dem Verfahren zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl, die auf eine Oberfläche mindestens eines zu bearbeitenden Werkstücks (3) gerichtet werden, wird drahtförmiger Zusatzwerkstoff (1) mittels eines entsprechend ausgebildeten Drahtvorschubantriebs (2) in Richtung der Oberfläche des Werkstücks (3) gefördert. Zusatzwerkstoff (1) im Bereich, der unmittelbar oberhalb der jeweiligen Oberfläche angeordnet ist, wird mit der Energie des mindestens einen Laserstrahls (5) während seiner Vorschubbewegung sukzessive abgeschmolzen. Zusatzwerkstoff (1) und Werkstück (3) sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen und bilden einen elektrischen Stromkreis. Die elektrische Spannung, der elektrische Strom und/oder der elektrische Widerstand wird gemessen und als Regelgröße für die Drahtvorschubbewegung und/oder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls (5) eingesetzt. Bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms oder der Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes des elektrischen Widerstands wird die Leistung des Laserstrahls (5) reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl (5) wird ab- oder nicht eingeschaltet oder der Start, der Stopp oder der Abbruch des Schweißprozesses initiiert.

Description

Verfahren zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl.
Die Ausbildung stoffschlüssiger Verbindungen von Werkstücken oder das Auf tragsschweißen, das auch bei der additiven Fertigung eingesetzt werden kann, sind prinzipiell unter Einsatz von Laserstrahlung und drahtförmigem Zusatz- Werkstoff bekannt.
Unter den Begriff drahtförmig sollen auch Bänder eines Zusatzwerkstoffs fal len, die nicht vollständig eine konvexe Oberfläche ihrer äußeren Mantelfläche aufweisen. Es können auch gefüllte Zusatzwerkstoffe eingesetzt werden.
Das Schweißen von Bauteilen und die darauf aufbauende additive Fertigung mittels sogenannter Direct Energy Deposition Verfahren ist seit vielen Jahren Stand der Technik. In den letzten Jahren sind hier verstärkt laserbasierte An wendungen hinzugekommen, bei denen der Drahtwerkstoff entweder seitlich oder koaxial zugeführt werden kann.
Ein grundlegendes Problem bei drahtbasierten Schweißverfahren besteht da rin, dass die Drahtposition gerade bei laserbasierten Prozessen exakt stimmen muss, da es sonst zum Zurückbrennen (zu wenig Draht) oder zum Stauchen (zu viel Draht) des Drahtes kommt. Das Problem besteht maßgeblich bei Pro zessbeginn. Der Draht muss initial auf das Bauteil oder eine bestimmte Ober fläche positioniert werden. Im Prozess kann es aufgrund von Unregelmäßig keiten bspw. Variation des Prozessabstandes zum Stauchen des Drahtes kommen. Dies kann zu einem Ausknicken des Drahtes und damit zu Pro zessabbruch führen (sog. Drahtstau).
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Positionierung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs zu Beginn des Prozesses zu überwachen, sobald der Draht auf der Oberfläche des jeweiligen Werkstücks oder Bauteils aufsitzt und diese Oberfläche berührt. Zudem soll im Prozess sichergestellt sein, dass der draht förmige Zusatzwerkstoff mit dem Werkstück bzw. einem Bauteil dauerhaft in Kontakt steht, so dass ein Abriss des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs und ein Zurückbrennen an ihm vermieden sowie eine gleichmäßige Verfahrensfüh rung, bei der der drahtförmige Zusatzwerkstoff in ausreichendem Kontakt mit der jeweiligen Oberfläche steht, erreicht werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkma len realisiert werden.
Bei dem Verfahren werden drahtförmiger Zusatzwerkstoff und mindestens ein Laserstrahl auf eine Oberfläche mindestens eines zu bearbeitenden Werk stücks in an sich bekannter Weise gerichtet. Dabei wird drahtförmiger Zu satzwerkstoff mittels eines entsprechend ausgebildeten Drahtvorschuban triebs in Richtung der Oberfläche des Werkstücks gefördert und im Bereich des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs, der unmittelbar oberhalb der jeweiligen Oberfläche angeordnet wird, mit der Energie des mindestens einen Laser- Strahls während seiner Vorschubbewegung sukzessive abgeschmolzen.
Der drahtförmige Zusatzwerkstoff und das Werkstück sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen und bilden einen elektrischen Stromkreis.
Es wird/werden die elektrische Spannung, der elektrische Strom und/oder der elektrische Widerstand im elektrischen Stromkreis gemessen und als Regel größein) für Drahtvorschubbewegung und/oder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls eingesetzt, wobei bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms oder der Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes des elektrischen Widerstands die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl abgeschaltet oder nicht eingeschaltet wird. Zudem können die Signale genutzt werden um den Start, den Stopp oder den Abbruch des Prozesses zu initiieren.
Eine Reduzierung der Leistung kann bei Einsatz mehrerer Laserstrahlen, die gemeinsam auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff gerichtet werden, auch durch die Abschaltung mindestens eines dieser Laserstrahlen erreicht werden.
Der mindestens eine Laserstrahl kann vorteilhaft abgeschaltet oder nicht ein geschaltet werden, wenn kein elektrischer Strom in dem elektrischen Strom kreis fließt. Alternativ kann dies auch erfolgen, wenn der elektrische Wider stand einen Wert im Bereich 10 W bis 1000 W erreicht hat.
Es besteht auch die Möglichkeit, die 1. Ableitung mindestens einer der Regel größen in einer elektronischen Auswerteeinheit zu bestimmen und bei Über schreiten des Absolutwerts der 1. Ableitung der jeweiligen Regelgröße eines vorgegebenen Schwellwertes die Leistung, mit der der mindestens eine Laser strahl betrieben wird, reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl abge schaltet wird.
Es kann aber auch die 1. Ableitung mindestens einer der Regelgrößen in einer elektronischen Auswerteeinheit bestimmt werden und dabei bei Überschrei ten des Absolutwerts der 1. Ableitung der jeweiligen Regelgröße eines vorge gebenen Schwellwertes der Drahtvorschub geregelt werden. Mit Bestimmung des Anstiegs besteht so die Möglichkeit eher zu reagieren. Man muss z.B. nicht abwarten bis tatsächlich kein elektrisch leitender Kontakt zwischen drahtförmigem Zusatzwerkstoff und Werkstoff besteht. Man kann so früher reagieren, wenn z.B. der elektrische Strom stark abfällt oder sich der elektrische Widerstand stark erhöht. So kann man bereits reagieren, wenn der absolute Wert der jeweiligen 1. Ableitung größer 0,5 wird.
Die elektrische Spannungsquelle kann mit einer elektrischen Spannung größer 0 V, beispielsweise bei ca. 5 V betrieben werden. Die elektrische Spannung sollte aber maximal 48 V betragen.
Nach einer Reduzierung der Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, oder einem Abschalten des mindestens einen Laserstrahls bei Durchführung einer Vorschubbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs kann entweder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls auf die norma le Betriebsleistung wieder erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl wie der eingeschaltet werden, so dass der Prozess wieder weiter geführt werden kann, wenn eine entsprechende Positionierung der in Richtung Werkstück oberfläche weisenden Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs in Bezug zur Werkstückoberfläche erreicht worden ist, bei der eine elektrisch leitende Ver bindung erreicht worden ist und durch den elektrischen Stromkreis ein elektrischer Strom fließt. Dabei kann ggf. auch eine Wartezeit eingehalten werden, bevor die elektrische Leistung wieder erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl wieder eingeschaltet wird.
Die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, sollte bei einer Unterschreitung oder einer Überschreitung eines Schwellwertes der jeweiligen Regelgröße(n) so reduziert werden, dass kein Abschmelzen von Zusatzwerkstoff erfolgt. Dadurch können Defekte und Fehler sowie ein Zu rückbrennen am drahtförmigen Zusatzwerkstoff vermieden werden.
Dabei sollte die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, oder der mindesten eine Laserstrahl innerhalb von maximal 100 ms re duziert oder abgeschaltet werden. Nach einer Reduzierung der Leistung mit der der mindesten eine Laserstrahl betrieben wird oder einem Abschalten des mindestens einen Laserstrahls und dem Erreichen eines Wertes der jeweiligen Regelgröße(n) der über oder unter dem jeweiligen Schwellwert liegt, kann die Leistung des mindesten einen La serstrahls bis auf seine normale Betriebsleistung erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl wieder eingeschaltet werden. Dies kann beispielsweise dann erfolgen, wenn ein entsprechend großer elektrischer Strom im elektrischen Stromkreis fließt, dort eine entsprechend elektrische Spannung anliegt oder der elektrische Widerstand auf einen ausreichend kleinen Wert abgefallen ist.
Dadurch kann der Schweißprozess automatisch wieder begonnen werden, wenn zwischenzeitlich geeignete Verhältnisse vorliegen und insbesondere drahtförmiger Zusatzwerkstoff in Bezug zur Werkstückoberfläche in geeigne ter Form positioniert worden ist.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.
Dabei zeigt:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel einer Vorrichtung, die zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Dabei wird drahtförmiger Zusatzwerkstoff 1 von einem Drahtvorschubantrieb 2 in Richtung auf eine Oberfläche eines Werkstücks 3 durch eine Drahtführung 4 bewegt. Die Drahtführung ist dabei an einen Anschluss einer elektrischen Spannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen. Der zweite Anschluss der elektrischen Spannungsquelle ist mit dem Werkstück 3 elektrisch leitend ver bunden.
Außerdem wird ein Laserstrahl 5 auf die in Richtung Werkstückoberfläche weisende Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 1 gerichtet und dort Werkstoff des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 1 sukzessive abgeschmolzen, der zum Schweißen genutzt wird.
Zwischen die Anschlusskontakte der elektrischen Spannungsquelle der Draht führung und dem Werkstück S ist eine elektronische Auswerteeinheit 6 vor- handen, die ausgebildet ist, die elektrische Spannung, der elektrische Strom und/oder der elektrische Widerstand im elektrischen Stromkreis zu bestim men und als Regelgröße für die Drahtvorschubbewegung und/oder die Leis tung des mindestens einen Laserstrahls 5 zu nutzen, wie dies im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert ist. Dazu ist die elektronische Auswerte- und
Steuereinheit 6 über die Leitungen 7 und 8 mit dem Drahtvorschubantrieb 2 bzw. der Laserstrahlungsquelle oder einer Steuerung der Laserstrahlungsquel le (beides nicht gezeigt) zur Beeinflussung der Drahtvorschubbewegung bzw. der Leistung des Laserstrahls 5 verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl, die auf eine Oberfläche mindestens eines zu bearbeitenden Werkstücks (3) gerichtet werden und dabei drahtförmiger Zusatzwerkstoff (1) mittels eines entsprechend ausge bildeten Drahtvorschubantriebs (2) in Richtung der Oberfläche des Werkstücks (3) gefördert und drahtförmiger Zusatzwerkstoff (1) im Be reich, der unmittelbar oberhalb der jeweiligen Oberfläche angeordnet wird, mit der Energie des mindestens einen Laserstrahls (5) während seiner Vorschubbewegung sukzessive abgeschmolzen wird, der drahtförmige Zusatzwerkstoff (1) und das Werkstück (3) sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen und bilden einen elektrischen Stromkreis, wobei die elektrische Spannung, der elektrische Strom und/oder der elektrische Widerstand im elektrischen Stromkreis gemessen und als Regelgröße für die Drahtvorschubbewegung und/oder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls (5) eingesetzt wird/werden und bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der elektri schen Spannung und/oder des elektrischen Stroms oder der Über schreitung eines vorgegebenen Schwellwertes des elektrischen Wider stands die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl (5) betrie ben wird, reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl (5) abge schaltet oder nicht eingeschaltet wird oder der Start, der Stopp oder der Abbruch des Schweißprozesses initiiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindes tens eine Laserstrahl (5) abgeschaltet oder nicht eingeschaltet wird, wenn kein elektrischer Strom in dem elektrischen Stromkreis fließt o- der der elektrische Widerstand einen Wert im Bereich 10 W bis 1000 W erreicht worden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 1. Ablei tung mindestens einer der Regelgrößen in einer elektronischen Aus werteeinheit (6) bestimmt wird und bei Überschreiten des Absolut werts der 1. Ableitung der jeweiligen Regelgröße eines vorgegebenen Schwellwertes die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl (5) betrieben wird, reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl (5) ab geschaltet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die 1. Ableitung mindestens einer der Regelgrößen in einer elektronischen Auswerteeinheit (6) bestimmt wird und bei Überschreiten des Absolutwerts der 1. Ableitung der jeweiligen Regel größe eines vorgegebenen Schwellwertes der Drahtvorschub geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die elektrische Spannungsquelle mit einer maxima len elektrischen Spannung von 48 V betrieben wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass nach einer Reduzierung der Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl (5) betrieben wird, oder einem Abschalten des mindestens einen Laserstrahls (5) bei Durchführung einer Vor schubbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs (1) entweder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls (5) auf die normale Be triebsleistung wieder erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl (5) wieder eingeschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Leistung, mit der der mindestens eine Laser strahl (5) betrieben wird, bei einer Unterschreitung oder einer Über schreitung eines Schwellwertes der jeweiligen Regelgröße(n) so redu ziert wird, dass kein Abschmelzen von drahtförmigem Zusatzwerkstoff (1) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Leistung, mit der der mindestens eine Laser strahl (5) betrieben wird, oder der mindesten eine Laserstrahl (5) in nerhalb von maximal 100 ms reduziert oder abgeschaltet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass nach einer Reduzierung der Leistung mit der der mindesten eine Laserstrahl (5) betrieben wird oder einem Abschalten des mindestens einen Laserstrahls (5) und dem Erreichen eines Wertes der jeweiligen Regelgröße(n) der über oder unter dem jeweiligen Schwellwert liegt, die Leistung des mindesten einen Laserstrahls (5) bis auf seine normale Betriebsleistung erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl (5) wieder eingeschaltet wird.
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