WO2009010388A1

WO2009010388A1 - LASERSTRAHLSCHWEIßVORRICHTUNG UND LASERSTRAHLSCHWEIßVERFAHREN

Info

Publication number: WO2009010388A1
Application number: PCT/EP2008/058526
Authority: WO
Inventors: Reiner Ramsayer; Sonja Kittel
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2009-01-22
Also published as: KR20100035164A; EP2170550A1; US20100282722A1; JP2010533071A; DE102007032744A1; JP5254330B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlschweißvorrichtung (1) mit einem Laserscanner (2) zum Verfahren eines Laserstrahls (3) entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung (6) auf mindestens einem Werkstück (4, 13). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Antriebsmittel (7) zum Antreiben des Werkstücks (4, 10) in einer zweiten Bewegungsrichtung (8) zum Erhöhen der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstahl (3) und dem Werkstück (4, 10) vorgesehen sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Laserstrahlschweißverfahren.

Description

Beschreibung

Titel

Laserstrahlschweißvorrichtung und Laserstrahlschweißverfah- ren

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlschweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Laserstrahlschweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Beim Laserstrahlschweißen wird der Laserstrahl in der Füge- zone (Schweißzone) zweier oder mehrerer zu verschweißender Werkstücke fokussiert. Die Absorption des Laserstrahls führt zum Aufheizen und Aufschmelzen und oftmals zum teilweisen Verdampfen des Materials. Aus der beim Fügen mehrer Werkstücke erfolgenden Durchmischung der Schmelze und der anschließenden Wiedererstarrung des Materials entsteht die Schweißverbindung. Durch die lokale Wärmedehnung, gegebenenfalls eine Gefügeumwandlung und die Erstarrung des Materials tritt unerwünschter Verzug auf, der an dem aus den Werkstücken bestehenden Bauteil zu Form- und Maßänderungen und somit zu Funktionsbeeinträchtigungen und im ungünstigsten Fall zum Ausfall des Bauteils führen kann. Insbesondere beim Schweißen von ungleichartigen Materialien, d.h. verschiedenen Werkstoffen können aufgrund von unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten während der Schweißung Ris- se entstehen.

Bei dem herkömmlichen Schweißen von Umfangsnähten tritt aufgrund einer unvermeidbaren Überlappungszone, die zweimal von dem Laserstrahl überfahren wird, eine ungleichmäßige und asymmetrische Erwärmung der Fügezone auf. Diese Asymmetrie führt zu einer Abweichung im Plan- und Rundlauf des Bauteils, was insbesondere beim Laserschweißen von Ventil- sitzen kritisch sein und die Dichtfunktion des Ventils beeinträchtigen kann.

Zur Vermeidung dieser Nachteile existieren bereits verschiedene Verfahrensstrategien. Ein Ansatz zur Verringerung des Bauteilverzugs ist das homogene Einbringen von Energie, d.h. eine gleichmäßige symmetrische Erwärmung der Fügezone, wie dies beispielsweise aus der DE 100 20 327 Al bekannt ist .

Beim quasi-kontinuierlichen Kunststoffschweißen ist es bekannt, den Laserstrahl mittels eines Scanners auszulenken und entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung auf einem Werkstück bzw. einer Fügezone zwischen zwei Werkstücken zu bewegen. Bei einer ausreichend hohen Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls wird das Material im Fügebereich aufgeschmolzen und im schmelzflüssigen Zustand mehrmals überfahren, bevor die Erstarrung eintritt. Dies hat zur Folge, dass während einer bestimmten Zeitspanne ein gleichmäßig aufgeschmolzener Fügebereich entsteht, der im Anschluss gleichmäßig erstarrt.

Zum Verschweißen metallischer Werkstücke ist das beschriebene Verfahren nicht praktikabel. Eine gleichmäßig aufgeschmolzene Fügezone ist mittels eines Laserscanners insbe- sondere dann nicht realisierbar, wenn zwei Werkstücke mit großen Durchmessern miteinander verschweißt werden sollen, also die von dem Laserstrahl abzufahrende Bahn vergleichsweise lang ist. Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahlschweißvorrichtung vorzuschlagen, die zum Verschweißen zweier metallischer Werkstücke geeignet ist. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechend verbessertes Laserstrahlschweißverfahren vorzuschlagen .

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Laserstrahlschweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Laserstrahlschweißverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen auch rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und verfahrensgemäß beanspruchbar sein. Ebenso sollen rein verfahrensmäßig offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß of- fenbart und vorrichtungsgemäß beanspruchbar sein.

Die Erfindung hat erkannt, dass die Schwellgeschwindigkeit, ab der eine gleichmäßig aufgeschmolzene Fügezone entsteht, von der Bauteilgeometrie, der Schmelztemperatur und der Wärmeleitfähigkeit des zu fügenden Materials bzw. der zu fügenden Materialien abhängig ist. Ferner hat die Erfindung erkannt, dass in Folge dessen je nach Material ein mehr oder weniger großer Abfluss der Energie bzw. Wärme in das Material resultiert und in der Fügezone Abkühlung und Erstarrung einsetzen. Zudem hat die Erfindung erkannt, dass zum Erzeugen, bzw. zum Erhalten des aufgeschmolzenen Zu- standes der eingebrachte Energiestrom mindestens genau so groß sein muss wie der abfließende Energiestrom. Bisher war das Verfahren unter Verwendung eines Laserscanners für metallische Werkstoffe nicht praktikabel, da durch den höheren Wärmleitkoeffizient von Metall und den damit verbundenen höheren Energieverlust durch den Abfluss der Wärme in das Bauteil erheblich schnellere Geschwindigkeiten des Laserstrahls bzw. des Fokuspunktes erforderlich sind, als dies mit einem herkömmlichen Laserscanner erreichbar ist. Diese Überlegungen führen zu der erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Laser- Strahlschweißverfahren, deren Grundgedanke es ist, nicht nur den Fokus des Laserstrahls entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung auf einem Werkstück, bzw. in der Fügezone mindestens zweier Werkstücke zu bewegen, sondern zusätzlich das Werkstück bzw. die Werkstücke in einer zweiten Bewegungsrichtung anzutreiben, derart, dass sich eine erhöhte Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fokus des Laserstrahls und dem bzw. den zu fügenden Werkstücken ergibt. Das erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren sieht hierzu Antriebsmittel zum Antreiben des Werkstücks bzw. der Werkstücke in der zweiten Bewegungsrichtung vor. Vorzugsweise sind die Antriebsmittel derart ausgebildet und angeordnet, dass sie das mindestens eine Werkstück zusammen mit einer entsprechenden Fixiereinrichtung zum Halten, d.h. Fixieren des mindestens einen Werkstücks antreiben. Durch die erhöhte Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fokus des Laserstrahls und dem Werkstück bzw. dem Fügebereich kann eine gleichmäßige Erwärmung entlang des gesamten Fügebereichs und somit ein gleichmäßiges Aufschmelzen des mindestens einen Werkstücks realisiert werden. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Laserstrahlschweißvorrichtung sowie das erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren zum Verschweißen metallischer Werkstücke, insbesondere aus unterschiedlichen Metallen o- der Metalllegierungen.

Da die Schweißnaht durch mehrmaliges Überfahren erzeugt wird und die Einkopplung der Energie bei erwärmten bzw. aufgeschmolzenen Material verbessert wird, können zum Erreichen einer bestimmten Einschweißtiefe auch Laserstrahlquellen mit einer niedrigeren Leistungsabgabe eingesetzt werden, als beim Schweißen von Werkstücken mit nur einmaligem Überfahren. Beispielsweise ist der Einsatz von CW- Lasern mit mittleren Spitzenleistungen möglich.

Besonders gute Ergebnisse wurden bei verzugskritischen Werkstücken mit einem Durchmesser von weniger als 12 mm erzielt, wobei durch Erhöhen der Relativgeschwindigkeit, ins- besondere durch Erhöhen der Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahlfokus auch Werkstücke mit einem größeren Durchmesser miteinander verschweißbar sind.

Besonders hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Fokus des Laserstrahls und dem mindestens einen Werkstück können dadurch realisiert werden, dass die erste Bewegungsrichtung, mit der der Laserstrahl entlang der vorgegebenen Bahn im Fügebereich bewegt wird und die zweite Bewegungsrichtung, in welcher das Werkstück bzw. die Werkstücke ange- trieben ist/sind einander entgegengesetzt sind, der Fokus des Laserstrahls und das Werkstück also gegenläufig bewegt werden . Die Laserstrahlschweißvorrichtung bzw. das Laserstrahlschweißverfahren ist besonders geeignet zum Erzeugen ringförmiger, d.h. umfangsgeschlossener Schweißnähte, wobei die zu erzeugenden Schweißnähte beispielsweise auf einer ebenen Fläche, beispielsweise einer Werkstückstirnseite oder auch am Umfang mindestens einen Werkstücks erzeugbar sind. Bevorzugt wird das mindestens eine Werkstück hierzu mit den Antriebsmitteln rotierend um eine Drehachse angetrieben. Zusätzlich ist es denkbar, die Drehachse, um die das Werk- stück rotiert entlang einer, insbesondere umlaufenden Bahn zu verstellen, um den Energieeintrag auch bei komplexen Werkstückgeometrien gleichmäßig gestalten zu können. Es ist auch denkbar, dass die Bahn, die von dem Laserstrahl überfahren wird, wenn das Werkstück rotierend angetrieben ist, nicht geschlossen ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Laser in einem bestimmten Um- fangsabschnitt ausgeschaltet oder abgelenkt wird. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Laserstrahlschweißvorrichtung derart ausgebildet ist, dass eine umfangsgeschlossene, d.h. ringförmige Schweißnaht erzeugt wird.

Im einfachsten Fall ist die Bahn, auf der sich der Fokus des Laserstrahls bewegt kreisringförmig. Eine kreisringför- mige Bahn eignet sich insbesondere zum Verschweißen rotationssymmetrischer Werkstücke. Bevorzugt werden in diesem Fall die zu verschweißenden Werkstücke rotatorisch um eine Drehachse bewegt.

Insbesondere bei dem rotatorischen Antreiben des mindestens einen Werkstücks muss darauf geachtet werden, dass unerwünschte Effekte, wie Humping oder das Austreiben der Schmelze durch die Fliehkraft vermieden werden. Versuche haben ergeben, dass die Grenze für die Rotationsgeschwindigkeit in Bezug auf das Austreiben der Schmelze beim Verschweißen von Rundstählen mit einem Durchmesser von 6 mm etwa bei 1200 U/min liegt, was einer Bahngeschwindigkeit etwa 30 m/min entspricht. Berücksichtigt man die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahlfokus in eine entgegengesetzte Richtung mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 m/min kann eine Schweißgeschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit) von etwa 90 m/min realisiert werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Bahn, entlang derer der Laserstrahl bzw. der Laserstrahlfokus im Fügebereich verfahrbar ist, programmierbar ist. Vorzugsweise wird die Bahn derart programmiert, dass die Bahn zumindest näherungsweise der Kontur des Werkstücks - insbesondere unter Berücksichtigung der Rotationsbewegung der Werkstücke - entspricht.

Große Schwierigkeiten bereitet in der Praxis das Erzeugen einer am Umfang mindestens eines Werkstücks gelegenen Schweißnaht. Zum Erzeugen einer sich über den Umfang mindestens eines, vorzugsweise von zwei aneinander anliegenden Werkstücken erstreckenden Schweißnaht sind in der Weiterbildung der Erfindung Mittel zum Abbilden der Bahn am Um- fang vorgesehen. Bevorzugt sind diese Mittel derart ausgebildet, dass sie einen näherungsweise axialen Laserstrahl in radialer Richtung nach außen oder nach innen umlenken, je nach dem, ob die Schweißnaht am Innen- oder Außenumfang des Werkstückes erzeugt werden soll.

Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Mittel zum Abbilden der Bahn des Laserstrahlfokus am Umfang des mindestens einen Werkstückes als Kegelspiegel oder Parabol- Spiegel ausgebildet sind oder einen Kegelspiegel und/oder einen Parabolspiegel umfassen, wobei der Kegelspiegel bzw. der Parabolspiegel, je nach dem, ob die Schweißnaht am Au^¬ ßen- oder Innenumfang der Werkstücke erzeugt werden soll, bevorzugt als Innen- oder Außenspiegel ausgebildet ist. Das Vorsehen eines konischen oder parabolförmigen Spiegels ist vorteilhaft; es können jedoch auch andere geometrische Spiegelformen zum Umlenkens des Laserstrahls auf den Umfang des mindestens einen Werkstückes vorgesehen werden. Zusätz- lieh oder alternativ zum Programmieren der Bahn des Laserstrahlfokus durch eine geeignete Ausbildung des Laserscan^¬ ners ist es möglich, die Form der Mittel zum Abbilden der Bahn am Umfang, insbesondere die Form des Kegelspiegels, an die Kontur des Werkstückes bzw. der Werkstücke bzw. der zu erzeugenden Schweißnaht anzupassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

Fig. 1: eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer stirnseitigen Schweißnaht,

Fig. 2: eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer am Außenumfang eines Werkstückes angeordne^¬ ten Schweißnaht und

Fig. 3: eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer am Innenumfang eines Werkstückes angeordne^¬ ten Schweißnaht. Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In Fig. 1 ist eine Laserstrahlschweißvorrichtung 1 gezeigt. Die Laserstrahlschweißvorrichtung 1 umfasst einen Laser- Scanner 2 mit einer Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls 3 und zum Verfahren, d.h. Bewegen des Laserstrahls 3 entlang einer vorgegebenen, in diesem Ausführungsbeispiel stirnseitigen, kreisringförmigen Bahn zwischen einem ersten Werkstück 4 und einem stirnseitigen, als Deckel ausgebildeten zweiten Werkstück 10. Mittels der gezeigten Laserstrahlschweißvorrichtung 1 ist eine kreisringförmige, in einer stirnseitigen Ebene liegenden Schweißnaht zwischen dem Werkstück 4, 10 erzeugbar. Der Laserstrahl 3 bzw. der Fokus 5 des Laserstrahls 3 wird mit einer Ge- schwindigkeit von in diesem Ausführungsbeispiel etwa 60 m/min in einer ersten Bewegungsrichtung 6 im Gegenuhrzeigersinn bewegt. Das erste Werkstück 4 ist gemeinsam mit dem zweiten Werkstück 10 mit Hilfe von Antriebsmitteln 7 um eine Drehachse D in eine zweite Bewegungsrichtung 8, die der ersten Bewegungsrichtung 6 entgegengerichtet ist, im Uhrzeigersinn rotatorisch angetrieben. Hierdurch ergibt sich eine Geschwindigkeit der Werkstücke 4, 10 im Fügebereich 9 von etwa 30 m/min. Insgesamt resultiert hieraus eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Werkstücken 4, 10 und dem Fokus 5 des Laserstrahls 3, d.h. eine Schweißgeschwindigkeit von etwa 90 m/min. Hierdurch werden die Werkstücke 4, 10 im ringförmigen Fügebereich 9 homogen aufgeschmolzen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl das erste Werkstück 4 als auch das als Deckel ausgebildete zweite Werkstück 10 aus Stahl ausgeführt.

In Fig. 2 ist eine alternative Laserstrahlschweißvorrich- tung 1 gezeigt. Diese umfasst einen Laserscanner 2 zum Erzeugen und Verfahren eines Laserstrahls 3. Der Laserstrahl 3 wird im Gegenuhrzeigersinn in eine erste Bewegungsrichtung 6 rotierend angetrieben. Der Laserstrahl 3, der näherungsweise in axialer Richtung abgestrahlt wird, trifft auf einen Kegelspiegel 11 mit einem Innenkonus und wird von diesem in radialer Richtung nach innen auf den Außenumfang 12 des ersten und des zweiten Werkstücks 10 abgelenkt, so dass sich der Fokus 5 in der ersten Bewegungsrichtung 6 in Umfangsrichtung am Außenumfang 12 der aneinander anliegen- den Werkstücke 4, 10 bewegt. Zum Erhöhen der Schweißgeschwindigkeit und damit zur Realisierung eines homogenen Aufschmelzens im Fügebereich 9 werden die Werkstücke 4, 10 mit Hilfe von Antriebsmitteln 7 rotatorisch um die Drehachse D in eine zweite Bewegungsrichtung 8 im Uhrzeigersinn rotiert.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, mit dem Unterschied, dass der Laserstrahl 3 bzw. sein Fokus 5 am Innen- umfang der Werkstücke 4, 10 entlang einer ersten Bewegungsrichtung 6 im Gegenuhrzeigersinn bewegt wird. Um dies zu ermöglichen, ist innerhalb der hohlzylindrischen Werkstücke 4, 10 ein Kegelspiegel 11 mit einem Außenkonus angeordnet, so dass der aus axialer Richtung auf den Kegelspiegel 11 auftreffende Laserstrahl 3 in radialer Richtung nach außen auf den Innenumfang 14 im Fügebereich 9 im Kontaktbereich der Werkstücke 4, 10 auftrifft. Die Werkstücke 4, 13 werden mit Hilfe der Antriebsmittel 7 rotatorisch in eine zweite, der ersten Bewegungsrichtung 6 entgegengesetzte Bewegungsrichtung 8 im Uhrzeigersinn rotatorisch angetrieben.

Claims

Ansprüche

1. Laserstrahlschweißvorrichtung mit einem Laserscanner (2) zum Verfahren eines Laserstrahls (3) entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung (6) auf mindestens einem Werkstück (4, 10),

dadurch gekennzeichnet,

dass Antriebsmittel (7) zum Antreiben des Werkstücks (4, 10) in einer zweiten Bewegungsrichtung (8) zum Erhöhen der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstahl (3) und dem Werkstück (4, 10) vorgesehen sind.

2. Laserstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Bewegungsrichtung (6, 8) einander entgegengesetzt sind.

3. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche

1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel (7) zum rotierenden Antreiben des Werkstücks (4, 10) ausgebildet sind.

4. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn, entlang derer der Laserstrahl (3) ver- fahrbar ist, geschlossen ist.

5. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn entlang derer der Laserstrahl (3) verfahrbar ist, kreisringförmig ist.

6. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn, entlang derer der Laserstrahl (3) verfahrbar ist, programmierbar ist, vorzugsweise derart dass die Bahn der Kontur des Werkstücks (4, 10) entspricht .

7. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Abbilden der Bahn am Außen- und/oder Innenumfang (12, 13) des Werkstücks (4, 10) vorgesehen sind.

8. Laserstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abbilden der Bahn am Umfang (12) der Werkstücke (4, 10) einen näherungsweise axialen Laserstrahl (3) in radialer Richtung nach innen oder nach außen umlenkend ausgebildet sind.

9. Laserstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abbilden der Bahn am Umfang (12) des Werkstücks (4, 10) einen Kegelspiegel und/oder einen Parabolspiegel (11) umfassen.

10. Laserstrahlschweißverfahren, insbesondere unter Verwendung einer Laserstrahlschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Merkmale, bei dem ein Laserstrahl (3) entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung (6) auf mindestens einem Werkstück (4, 10) verfahren wird,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Werkstück (4, 10) in einer zweiten Bewegungsrichtung (8) zum Erhöhen der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstahl (3) und Werkstück (4, 13) angetrieben wird.

11. Laserstrahlschweißverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4, 10) rotierend angetrieben wird.

12. Laserstrahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Bewegungsrichtung (6, 8) einander entgegengesetzt sind.

13. Laserstrahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4, 10) mit einer Geschwindigkeit von weniger als 40 m/min, vorzugsweise von weniger als 35 m/min, insbesondere von weniger als 30 m/min angetrieben wird und/oder dass der Laserstrahl (3) entlang der Bahn mit einer Geschwindigkeit von mehr als 40 m/min, vorzugsweise von mehr als 50 m/min, insbesondere von mehr als 60 m/min angetrieben wird.