WO2004004958A2

WO2004004958A2 - Verfahren für fehlerfreies laserschweissen im start/stop-bereich

Info

Publication number: WO2004004958A2
Application number: PCT/EP2003/007044
Authority: WO
Inventors: Lothar Winter; Wolfgang Hanisch; Erik Hannemann
Original assignee: Winter Pipeline Gmbh
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2004-01-15
Also published as: WO2004004958A3; DE10229744A1

Abstract

Verfahren für fehlerfreies Laserschweissen im Start-/Stop Bereich dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Laserstrahles im Start- und Stopbereich durch eine Kombination von Massnahmen die Streckenenergie des Laserstrahles in diesem Bereich optimal gesteuert wird.

Description

Erfindungsbeschreibung

Verfahren für fehlerfreies Laserschweißen m Start-/Stop— Bereich

Die Erfindung hat ein Verfahren für fehlerfreies Laserschweißen im Start/Stop-Bereich zum Inhalt.

Das Laserschweißen gewinnt auf Grund der hohen Schweißgüte ohne zusätzliches Schweißmateπal für hochbeanspruchte Bauteile im Maschinen- und Anlagenbau zunehmend an Bedeutung. Der Start Stop-Bereich der Schweißnaht mit seinen Schweißfehlem war bisher hinsichtlich der Schweißnaht gütemindemd und schränkte damit die Einsatzbreite des Laserschweißens ein.

Diese Situation beim Laserschweißen führte zu einer umfangreichen Untersuchung und Erprobung mit serienmäßig verfügbaren Laserschweißanlagen hoher Leistung mit der erfinderischen Aufgabenstellung, ein fehlerfreies Laserschweißen als Technologie beson- ders für Endlosschweißnähte mit dem Schwerpunkt Start/Endpunktbereich zu erarbeiten.

Mit den bekannten technisch/technologisch Arbeitsverfahren des Laserschweißen sind ständig folgende technisch/technologische Probleme aufgetreten.

Im Startbereich führt der Start mit Arbeitsleistung zu einem Aufwerten des Materials um 0,5 - 1 mm ca. 3 - 4 mm vor dem Startpunkt. In einigen Fällen ist eine Pore mit begin- nende Riss oder Mitteirippendefekt zu erkennen. Wenn die Leistung nicht genau bestimmt wurde, also im oberen Grenzbereich liegt, kommt es zu einem Durchschweiß- fehler im Bereich der ersten 2 - 3 mm. Gleiches ist bei mangelnder Schutzgaseinstellung zu erkennen. Im Stopbereich führt plötzliches Abschalten der Laserteistung in jedem Fall zu der Ausbildung eines Endkraters mit einer Rißbildung und Mittelrippendefekte entgegen der Schweißrichtung. Dieser Endkrater kann auch als Loch durch das geschweißte Material hindurchgehen.

Im Ü erlappungsbereich bei kreisförmigen bzw. endlos (geschlossenen) Schweißnähten tritt sobald sich die Schweißnaht wieder dem Startpunkt auf ca. 3 - 4 mm nähert, ein Riß und Mittelrippendefekte von 5- 30 mm Länge auf, der vermutlich vom Startpunkt ( durch vorhergehende Erwärmung verändertes Gefüge oder Mittelrippendefekte) in das noch nicht erstarrte Material hineinwächst. Das Gleiche ist beim Kreuzen zweier Nähte zu beobachten. Zur Lösung des Problemes der Rißbi dung, Mittelrippendefekte und Poren im Start Stop- Überiappungsbereich von Laserschweißnähten wurden nachfolgende Varianten erprobt, um die Chancen für eine technisch technologische und damit auch erfinderische Lösung abzuleiten.

1. Kontinuierliches Einrampen der Arbeitsleistung von einer geringeren Leistung zur Ar- beitsleistung (P%) im Startbereich (0% - P%; 20% - P%; 50% - P%; und 60% bis P%)

2. Start mit Arbeitsleistung - Überfahren des Start Endpunktes (bei Endlosnähten) (um 0 bis 6 mm) und anschließendes Abschalten des Lasers;

3. Start mit Arbeitsleistung - Überfahren des Start Endpunktes ( um - 5 bis 6 mm) und anschließendes kontinuierliches Absenken der Streckenenergie; 4. Start mit Arbeitsleistung - Herausgehen aus der Naht vor, bzw. nach dem

Start Endpunkt (bei Endfosnähten) und nachfolgendes kontinuierliches Absenken der Streckenenergie parallel zur Schweißnaht innerhalb der Kontur

5. Start mit Arbeitsleistung - Absenken der Leistung vor dem Erreichen des Start/Endpunktes ( -10 bis - 2 mm ) und anschließendes Beenden des Schweißpro- zesses nach Variante 3 oder 4;

6. Start mit Arbeitsleistung - Absenken der Leistung vor Erreichen des Start Endpunktes nach Variante 5 und anschließendes Verringern der Streckenenergie entgegen der bisherigen Schweißrichtung, d.h. nochmaliges Überfahren des Überlappungsbereiches Diese Versuche wurden mit der verfügbaren Laserschweißanlage von Trumpf durchgeführt.

Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Zu 1. Keine Verbesserung, da der Tiefschweißeffekt plötzlich einsetzt und somit ein nicht durchgeschweißter Bereich mit einer Wärmeeinflußzone entsteht. An der Nahtwurzel kann keine Anbindung der Schweißnaht erreicht werden.

Zu 2 Es kommt im Bereich 3 mm vor dem Start Endpunkt bis zum Endkrater zu tiefen Mittelrippendefekten, Rissen, die sich auf der Rückseite der Schweißnaht fortsetzten. Zu 3. Bei Blindnähten auf homogenem Material ( erkennbar an der oxydfreien Naht ) sind in Abhängigkeit von den Parametern rißfreie und auch weitestgehend porenfreie Überlappungen erzielbar. Beginnt der Prozeß zu zeitig ( - 5 mm ), fehlt die Anbindung an die Schweißnaht. Beginnt er zu spät, kommt es zu Ungänzen (Poren, Mittelrippendefekte, Risse, Start Stop-Fehler) im Überlappungsbereich. Bei schwer schweißbaren Werkstoffen und bei realen Einschweißungen sind Ungän- zen (Poren, Mittelrippendefekte, Risse, Start- Stopfehler) so nicht vermeidbar. Zu 4. Blindnähte auf homogenem Material waren rissfrei. Schwer schweißbares Material reagierte empfindlicher. Ungänzen (Poren, Mittelrippendefekte, Risse, Start- /Stopfehler) waren nicht vollständig auszuschließen. Im Auslaufbereich entstanden weiterhin Poren.

80 zu 5. Bei geeigneter Absenkung im günstigen Abstand vom Start Endpunkt waren bei

Blindnähten auch auf schwer schweißbaren Material günstige Resultate erzielbar und weitestgehend Porenfreiheit zu verzeichnen. Der Überiappungsbereich konnte bei guter Oberfläche der Schweissnaht auf 40 mm verringert werden

Zu 6. Blindnähte waren riß- und porenfrei. Das wiederholte Überfahren der Schweißnaht

85 am Start/Endpunkt führte zu tiefen Einbuchtungen in der Schweißnaht. Der Pro- zess muß durch geeignete Parameterwahl optimiert werden. Reale Einschweißun- gen waren bisher nicht rißfrei darstellbar.

Aus diesen durchgeführten Untersuchungen konnte die erfinduπgsgemäße Lösung für ein fehlerfreies Laserschweißen bestimmt werden.

90 Die Lösung für ein fehlerfreies Laserschweißen ist nur in einer Kombination von Maßnahmen über die Führung des Laserstrahles im Start- /Stopbereich der Schweißnaht möglich, indem die Streckenenergie in diesem Bereich optimal gesteuert wird.

Dabei sind folgende technologische Vorgaben als Einzelmaßnahmen beim Laserschweißen vorzugsweise bei Endlosschweißnähten, als die technologisch anspruchsvollere 95 Schweißaufgabe zu erfüllen:

- Verringerung der Aufschmelztemperatur im StarWStop -Bereich indem die Leistung des Laserstrahles vom Startpunkt über eine Länge von 2 mm von 0 auf volle vorgesehene Strahlleistung linear gesteigert wird.

- Im Stopbereich etwa 3 mm vor dem Ende der Schweißnaht wird die Leistung 100 des Laserstrahles auf 30% linear abgesenkt und der Laserstrahl vom Endpunkt der Schweißnaht unter Vergrößerung des Abstandes des defokussierten Laserstrahles auf des 4-6 Fache und Verringerung der 30 %igen Leistung des Laserstrahles auf 0 vom Endpunkt der Schweißnaht zurückgefahren und abgeschaltet.

105 - Für eine endlos bzw. kreisförmige Schweißnaht erfolgt ein Überschweißeπ des

Startpunktes von 6 mm.

- Der Schweißvorgang erfolgt unter einer Schutzgasatmosphäre 80 - 100% He und 20 - 0% Ar und der Wurzelbereich wird mit ein Formiergas von 90% N₂ und 10% H₂ umspült, damit wird eine metallisch blanke Wurzelnaht gewährleistet.

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Claims

Schutzansprüche

1. Verfahren für fehlerfreies Laserschweißen im Start-/Stop -Bereich dadurch ge- 115 kennzeichnet, daß die Führung des Laserstrahles im Start- und Stopbereich durch eine Kombination von Maßnahmen die Streckenenergie des Laserstrahles in diesem Bereich optimal gesteuert wird.

2. Verfahren für fehlerfreies Laserschweißen im Start-ZStop -Bereich nach Anspruch 120 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Startbereich der Schweißnaht die Leistung des

Laserstrahles vom Startpunkt über eine Länge von 2 mm von 0 auf volle vorgesehene Strahlleistung linear gesteigert wird.

3. Verfahren für fehlerfreies Laserschweißen im StarWStop -Bereich nach Anspruch 125 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Stopbereich etwa 3 mm vor dem Ende der

Schweißnaht die Leistung des Laserstrahles auf 30% linear abgesenkt wird und der Laserstrahl vom Endpunkt der Schweißnaht unter Vergrößerung des Abstan- des des defokussierten Laserstrahles auf des 4-6 Fache und Verringerung der 30 %igen Leistung des Laserstrahles auf 0 vom Endpunkt der Schweißnaht zu- 130 rückgefahren und abgeschaltet wird.

4. Verfahren für fehlerfreies Laserschweißen im Start-ZStop -Bereich nach Anspruch 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, daß für eine endlos bzw. kreisförmige Schweißnaht der Start nach Anspruch 2 erfolgt und im Endpunkt gleich Startpunkt nach An-

135 spruch 3 ein Überschweißen des Startpunktes von 6 mm erfolgt.

5. Verfahren für fehlerfreies Laserschweißen im Start-ZStop -Bereich nach Anspruch 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißvorgang unter einer Schutzgasatmosphäre 80 - 100% He und 20 - 0% Ar erfolgt, der Wurzelbereich mit einem

140 Formiergas von 90% N₂ und 10% H₂ umspült und somit eine metallisch blanke

Wurzelnaht gewährleistet wird.