WO2009021716A1 - Verfahren zum fügen von mindestens zwei bauteilen mittels laserstrahlung - Google Patents

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WO2009021716A1
WO2009021716A1 PCT/EP2008/006629 EP2008006629W WO2009021716A1 WO 2009021716 A1 WO2009021716 A1 WO 2009021716A1 EP 2008006629 W EP2008006629 W EP 2008006629W WO 2009021716 A1 WO2009021716 A1 WO 2009021716A1
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laser beam
welding
weld
main
capillary
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PCT/EP2008/006629
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Inventor
Wolfgang Schulz
Alexander Olowinsky
Jens Gedicke
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/22—Spot welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/244—Overlap seam welding

Definitions

  • the present invention relates to a method for joining at least two components of similar or dissimilar metallic materials by means of laser radiation by forming a weld along a main path or a welding point at a fixed main position in the region of a joining edge by the laser radiation is partially absorbed in an interaction zone, and forming a molten bath, wherein a part of the joining edge is detected by the molten bath and this part forms a supporting cross-section after the solidification of the melt, the laser radiation along the joining edge on a small beam cross-section, with a main direction of the laser beam axis relative to the surface normal of the material surface, focused is and the resulting from the focusing beam waist or the smallest diameter of the laser beam of the focused laser radiation in the region of the forming interaction zone of laser radiation and material s is held at the joining edge of the material, for use when, during laser welding, the diameter of the laser beam and the resulting diameter of the weld capillary d ⁇ ap ⁇ i a r e can be set smaller than the required
  • Laser welding is an established joining technique. From a user perspective, there is a continuing demand to increase the productivity of the process under increasing quality requirements. The potentials are far from being exploited in terms of the controllability and controllability of the machine and process, the productivity of the process achieved and the quality of the product.
  • Pore formation in the weld, ejection of parts of the melt (spatter), the notch effect of suture incidence or scorching, the geometric shape of the suture and under bead are essential weld quality features that depend on the dynamic processes of welding. In order to achieve the desired quality of the weld, the stability of the weld must be improved.
  • the quality of the component is determined by the strength of the welded joint and the distortion of the component. Strength and distortion are consequences of the heat effects of
  • the strength and distortion are arranged as follows:
  • a double focus or oscillation of the jet - longitudinally (avoidance of pores by, for example, better degassing of zinc layers) or laterally to the feed direction (bridging of a joint gap by cost-effective, but inaccurate preparation of the components to be welded) may be advantageous because of the Diameter of a welding capillary is set enlarged.
  • galvo scanners are used for beam oscillation.
  • the influence of beam oscillation on the pore formation and the roughness of the seam caterpillar are examined.
  • the beam diameter is comparable to the width of the resulting weld.
  • the double focus or the pendulum aim at increasing the diameter of the welding capillary.
  • Electron beam welding is known from electron beam welding and is used to melt larger cross-sectional areas and avoid pore formation.
  • US 2006/0255019 A1 describes a method for welding metal parts with a moving laser beam, which produces a weld seam that is wider than the laser beam.
  • the distance between the capillary edge and the edge of the molten bath remains small compared to the capillary radius.
  • the present invention has for its object to provide a method and an apparatus for performing the method with which welds and thus corresponding components can be made using laser welding, which take into account at least a portion of the above points, d. H. in particular require no reworking, for example by grinding and straightening, and thus generated by a process management, at the same time improves the stability of the welding and a component and sweat-friendly spatial distribution of heat input is achieved.
  • weld capillary should be guided independently of the main web also with a variable depth depending on the desired local cross-sectional area of the deep weld or the through-welding.
  • the causes for the poor quality of the welded joint can be seen in: fluctuations of machine parameters (eg direction and amount of feed) and laser parameters (eg power, beam radius, focus position) cause changes of radius and depth of the welding capillary, which can occur on a timescale of microseconds.
  • the movement of the melt front has a larger time scale, which is typically a few milliseconds.
  • the thickness of the melt film is the distance from weld capillary and melt front. Due to rapid movement of the weld capillary and the slow movement of the melt front, the thickness of the melt film varies on the fast timescale, resulting in rapidly varying melt flow velocities and thus wavy motion of the melt with large amplitudes compared to the seam width.
  • a direct consequence is the lack of quality of the weld in shape of eg pores, splashes and penetration marks.
  • these unwanted consequences are avoided by setting the radius of the laser beam relative to the desired width of the weld seam or weld point so that the ratio V is the diameter of the weld d Na ht and welding capillary d Ka piiiare or the diameter of welding point and welding capillary exceeds a minimum size.
  • the reasons for the lack of quality of the component are determined by the strength of the welded joint and the distortion of the component.
  • the strength of the connection is particularly related to the load-bearing cross-section and the thermal effect on the mechanical properties of the weld due to microstructural changes (hardness, tensile strength) during welding.
  • the dominant parameter for the structure is the cooling time of the material.
  • the cooling time is directly related to the spatial distribution of heat in the wake of the molten bath and the feed.
  • the distortion of the component is caused by plastic deformation of the material. The plastic deformation occurs when the yield stress of the material is exceeded due to thermal expansion.
  • the delay is causally related to the heat effect of welding and in particular to the spatial distribution of heat in the component.
  • the above-mentioned deep weld is defined as a weld having a weld depth that is greater than the laser beam diameter.
  • the main web in seam welding is defined as a predetermined curve which is the center line of the resulting weft of the weld.
  • the branch line in seam welding is defined as controlled deviations from the main line on which the power of the laser radiation, position and direction of the laser beam and the laser beam radius are controlled.
  • the principal direction of the laser beam axis relative to the surface normal of the workpiece is defined as the angle between the two directions - laser beam axis and normal on the surface - at the surface of the material or the top bead of the weld, where under "relative to the surface normal" the angular difference between laser beam axis and perpendicular on the surface is to be understood.
  • the weld capillary is characterized by the fact that during deep penetration welding a recess is formed in the material which is filled with metal vapor and on which the laser radiation is absorbed.
  • a melt film is the film of molten metal that forms between the surface of the weld capillary and the edge of the solid material.
  • the edge of the solid material is called the melt front.
  • the melt front is a single coherent surface on which the phase transition takes place solid-liquid and the temperature on the melt front is equal to the melting temperature of the material.
  • the thickness of a melt film is determined by the distance between the melt front and the capillary edge, the edge of the weld capillary, and may then change as the web speed changes, that is, the velocity of the laser beam axis along the branch line.
  • the load-bearing cross-section of the joining edge or the seam is the part of the resulting weld on which both joining partners are welded.
  • the load-bearing cross-section changes over time as the melt solidifies. After complete solidification of the melt, the load-bearing cross-section is that part, the resulting weld, to which both joining partners are welded.
  • the conventional techniques for welding with laser radiation can be improved so that a quality welding or a high quality of the welded joint is achieved, at the same time a high quality of the welded component with respect to strength and distortion can be adjusted independently by the spatially distributed Heat input is variably controlled depending on the depth of weld and the cross section of the weld or the weld point variable depending on the welding depth is controlled, and in addition the effects of technically unavoidable fluctuations of machine (eg feed) and laser parameters (eg power, intensity) have a smaller effect on the quality of the welded joint and component by having a fixed position in the Material is irradiated several times by the laser beam.
  • machine eg feed
  • laser parameters eg power, intensity
  • the measures according to the invention therefore do not pave the way to combine a large number of heat sources in a complicated manner, but rather the process control with laser radiation is preferably carried out with a radiation source, so that two different welding requirements can be fulfilled in the same way and so the poor quality of the welded joint can be equally improved by stabilizing the melt flow in the molten bath and the component by adjusting the spatial distribution of the heat in the component and by adjusting the cross section of the weld or the welding point as a function of the welding depth.
  • the spatial distribution of width and depth of the weld is generally greater at the top of the material than at the bottom and decreases monotonically with the depth.
  • the direction of the laser beam eg a greatest width of the weld at the predetermined depth (joining edge) is achieved, for example, where the joint or the joint edge between the materials to be joined is (this procedure is advantageous if, for example, a clamping action the two welded sheets should be achieved outside the weld by resulting residual compressive stresses) or eg by additional control of the power in the full depth of the workpieces to be joined (this procedure is advantageous if a wide weld at the inaccessible bottom of the workpiece to be achieved ), as will be explained later.
  • Figure 9 of the accompanying drawings illustrates to set the radius of the laser beam so that the ratio V t, the diameter of weld D Na h and exceeds weld capillary d Ka piiiar e or diameter of spot weld and weld capillary, a minimum size, which by the resulting maximum permissible speed of the melt is predetermined.
  • the ratio V results in a flow velocity u max of the melt, which in conventional welding processes - where the capillary diameter d K apiiiare is almost the same as the seam diameter d seam - is significantly greater than the feed rate V 0 .
  • the flow velocity U m ax assumes a predetermined value which is almost equal to the feed rate Vo.
  • Vo denotes the web speed along the main line. Bigger also means larger than the sewing diameter, which would only arise along the main path during movement.
  • the capillary diameter d Ka piii are significantly smaller than the set sewing diameter d ⁇ m and so the flow velocity U ma x of the melt is almost equal to the small feed rate V 0 .
  • the direction and position of the laser beam are adjusted so that the laser beam is guided on a secondary track, wherein the distance of the secondary track from the main track at the material surface and at the joining edge may have different values. This is precisely what ensures that the clamping effect can be adjusted by residual stresses.
  • the direction and position of the laser beam should be adjusted so that the laser beam is moved on the secondary track with the shape of a double cone with a smallest cross-section and an opening angle.
  • the smallest cross-section of the double cone lies close to the surface of the workpiece and the opening angle is adjusted together with the power so that the resulting width of the weld at the joining edge reaches its maximum value and is equal to the predetermined load-bearing cross-section.
  • the web speed of the laser beam should be set to remain within a lower and upper bound.
  • the lower limit of the web speed of the laser beam which should not be undershot, is determined by the cross section of the resulting weld along the main web reaching the load-bearing cross-section.
  • the upper limit of the web speed is determined by the fact that the length of the resulting weld capillary along the secondary web remains small compared to the width of the molten bath.
  • the depth of the capillary is changed, which results in the use of this further degree of freedom in addition to the direction that results from the depth of the capillary (length) together with the direction of the capillary every point in the material volume is detected, wherein the detected volume is determined by the fact that the
  • the depth of the capillary in the direction of the main track and perpendicular to the direction of the main track assumes different values.
  • Depth is created by traversing a branch line defined by having a predetermined distance from the main track in the form of a curve with one or more colons.
  • the method according to the invention is preferably also applicable to a material system to be joined, which consists of several materials (multilayer system) with at least three layers and in which the weld only the upper two
  • Layers connects and the layers further down from other e.g. non-temperature-resistant layers are not unnecessarily heated or even melted.
  • the power and the aperture angle of the laser beam are adjusted so that the axis of a radiation double cone is aligned with the axis of the web such that the smallest cross section of the double cone on the surface of the
  • Flange is set so that the opening angle is adjusted so that the width of the cone at the end face of the web covers the entire width of the joining edge, and the power is adjusted so that the weld capillary penetrates so deeply into the material that the joining edge is exceeded and also the material of the bridge is melted.
  • This procedure leads to the advantage that the heat load of the component occurs only in the vicinity of the joining edge and not unnecessarily much heat is introduced into the flange.
  • the laser beam should be guided on a path of variable radius at the joining edge, which is detected by the maximum opening angle. In this case, the laser beam can be guided on a spiral path at the joining edge, which is detected at most by the full opening angle.
  • Welding is achieved by the opening angle and the depth of the narrowest Cross section are set, the depth is measured from the top edge of the workpiece.
  • the value of zero degrees is approximately achieved by setting the depth of the narrowest cross section equal to half the material thickness and increasing the aperture angle until the actual angular distortion due to unavoidable variations in residual stresses in the material, material and laser parameters predetermined value falls below.
  • a negative value is achieved by setting the biconical cone so that the narrowest cross section lies on the material surface and the opening angle is set progressively larger until the actual angular distortion reaches the predetermined negative value.
  • the width of the weld or the diameter of the weld can be adjusted by a wobbling movement of the direction of the laser beam by one point as a function of the distance to the material surface.
  • the temperature in the molten bath is kept almost homogeneously close to the melting temperature.
  • the temperature in the molten bath is adjusted with a predetermined distribution and is set to larger values only in a small environment of the weld capillary of the order of the diameter of the weld capillary, so that the temperature in the material and thus the microstructure in the vicinity of the molten molten bath can be adjusted.
  • the temperature in the fixed part of the weld behind the melt is adjusted with a predetermined distribution, characterized in that the laser beam heats the rear part of the molten bath on a part of the branch line.
  • the effect of setting parameters as indicated above is monitored on-line and the parameters to be set are readjusted accordingly.
  • the thermal emission of the hot surface of the molten film, ie the molten bath, and the reflections of an additional source of illumination in the vicinity of the molten bath, to detect the thermal effects of preheating the surface of the material are taken with a camera.
  • the extent of the intensely illuminated area of the camera recordings and the intensity of the measurement signal are used to monitor the actual resulting geometric shape of the molten bath and additionally the efficiency of the control.
  • the thermal emission of the hot surface of the melt film is recorded with an array of photodiodes (eg, four-quadrant photodiode).
  • the length I of the extent of the intensely illuminated area of the camera recordings and the intensity of the measurement signal are recorded qualitatively by a spatially averaged signal of such a photodiode.
  • a secondary web is passed through several times and the movement of the laser beam is generated by means of optical elements.
  • the periodically passed branch line should be provided with a large half-axis in the direction of the main movement and with a small half-axis perpendicular thereto.
  • the periodically passed branch line is provided with a large half-axis in the direction of the main movement and with a small half-axis perpendicular thereto.
  • the center of the periodic motion and the size of the semi-axes are essential parameters for adjusting the temperature cycle in the material.
  • the temperature cycle significantly determines the structure formation and cracking.
  • the optical element used is a galvanometer scanner.
  • a galvanometer scanner with a diffractive optical element is used as the optical element.
  • a galvanometer scanner and diffractive optical elements as well as a toroidal mirror should be used as optical elements.
  • the component to be joined is rotated, whereby the axis of rotation is defined by the location of the welding point. tes and the laser beam axis is inclined relative to the component surface, so that in this rotated position of the welding operation takes place.
  • the angle between the laser beam axis and the component surface during the seam welding is varied, so that the weld capillary not only rotates on the surface of the double cone, but also the interior of the double cone is detected. With a linear reduction of the angle, a spiral-shaped secondary path develops with a smaller opening angle.
  • the angle between the laser beam axis and component surface is varied during seam welding, so that the opening angle is adjusted depending on the component dimensions, as they change along the main path (feed motion).
  • the component dimensions change along the main track, for example, when an axial circumferential seam of a gearwheel is welded.
  • a rotational movement of the laser beam about the laser beam axis along the secondary path can be carried out by means of one or more optical components.
  • a rotating prism can be used, which is advantageous if, in addition to the realization of the secondary track, e.g. in the form of a double cone with the rotating prism also an undesirable non-radially symmetric beam distribution is present.
  • the rotation about the laser beam axis results in an averaging effect and reduces the effect of asymmetry.
  • Figure 1 shows a schematic representation in cross section of an inventive
  • Figure 2 is a schematic representation in cross section of a standard welding according to Figure 1, but with an additional control of the power of the beam source in the full depth of the workpieces to be joined
  • Figure 3 is a schematic representation in cross section of an inventive
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view of a standard weld of two abutting workpieces with a positive value of angular distortion of the welded component
  • Figure 5 is a schematic cross-sectional view of a standard weld of two abutted workpieces with a negative value of angular distortion of the welded component
  • Figure 6 is a schematic diagram to show the welding of a composite material of a copper or steel plate, a copper plate and an underlying ceramic plate
  • Figure 7A is a schematic representation to show the formation of a T-joint between a web and a flange plate
  • FIG. 7B shows the spiral course of the laser beam axis on the end face of the
  • Figure 8 shows the schematic structure of a device with an internally mirrored ring (Torusapt), which is used to produce a double cone whose closest cross-section is on the surface of the material.
  • Figure 9 is an illustration to illustrate the required adjustment of the radius of the laser beam;
  • Figure 10 is a series of high speed recordings taken with conventional ones
  • FIG. 11 shows an illustration of the implementation of welding according to the invention
  • the basic features for adjusting the physical parameters of the welding process are explained below, before going into detail on the drawings.
  • the geometric shape of the molten bath is adjusted in the vicinity of a joint so that a predetermined load-bearing cross-section is achieved.
  • the thermal end ring depth and temperature can be changed by, for example, repeated heat input along the branch line without the need for additional heat sources, and thus the resulting residual stress and resulting distortion can be adjusted.
  • the heat input is controlled depending on the shape of the component. This is particularly advantageous for complicated shaped components, such as gears.
  • the time course of the temperature (temperature cycle) at a fixed position in the component determines the structure formation according to known time-temperature conversion diagrams.
  • the distribution of heat in the molten bath is adjusted to meet the requirements of strength (microstructure).
  • the temperature in the molten bath can be kept almost homogeneously close to the melting temperature or can assume a predetermined distribution and only assumes larger values in a small environment of the weld capillary.
  • the welding process is stabilized because the flow velocities of the melt are nearly homogeneously equal to the feed rate, and only in a negligibly small environment of the weld capillary do larger values that have no effect on the welding process. At higher flow velocities, however, defects occur in the weld.
  • the measures for achieving these advantages simultaneously and with a laser beam during the welding are characterized in that power, direction, position of the laser beam and path velocity are variable over time and a fixed radius of the laser beam as additional parameters adjusted to a predetermined contour (eg width depending on the depth, eg greatest width in the depth of the supporting cross-section) of the molten bath is achieved and the time-varying path velocity and a fixed radius of the laser beam are adjusted so that the diameter and the length of the capillary compared to the predetermined width the melt pool take such values that the flow rate with the feed rate along the main track remains comparable and power, direction and position of the laser beam on the surface of the workpiece temporally variable along a branch line or curve in a surrounding ng the main track are controlled so that a predetermined temperature cycle is set in the wake and side of the molten bath.
  • a predetermined contour eg width depending on the depth, eg greatest width in the depth of the supporting cross-section
  • the invention can be used whenever the capillary radius during laser welding can be set smaller than the required load-bearing cross-section of the weld (no high-speed welding). It is believed that also the length of the forming capillary is an essential parameter.
  • Figures 1 and 2 illustrate once again the difference between the conventional welding method and the method according to the invention. With 100 and 101 two materials are shown. A seam shape produced by a conventional welding process is shown with a broken line 102 which is larger at the top of the material and decreases in depth.
  • Respective welding capillaries are indicated by the lines 105.
  • the greatest width of the weld 106 according to the method of the invention is achieved at a predetermined depth, which is determined by the base of the weld capillary 105. If a wide weld on an inaccessible underside of the workpiece is to be achieved, the power is controlled in the depth of the workpieces to be joined, that is, the secondary path 107 is located in the lower region of the material 101.
  • FIG 3 two workpieces 1, 2 are shown, which are to be joined or connected in the region of a joint 3 by means of a weld 4.
  • the laser radiation 5 under different beam directions and steel axes, indicated by the arrows 6, directed to the joint 3 so that the radiation corresponding to a double cone 7 extends.
  • the narrowest steel cross section 8 is, as seen in the direction of the cross section of the weld 4, aligned in the middle between the opposite surfaces 9 of the workpieces 1, 2. Due to this alignment of the course of the laser radiation 5 along the double cone 7 occurs no delay between the two workpieces 1, 2, which means they are aligned even after the joining in a plane.
  • FIG. 4 shows a standard welding of two workpieces 1, 2, in which the laser radiation 5 is directed in the region of the joint 3 with a beam cone whose narrowest cross section, that is the tip of the beam cone 10 in the region of the underside 11 of the two workpieces 1, 2 (with the narrowest cross section deliberately chosen to be larger than the minimum possible - no "peak" should be generated).
  • FIG. 5 shows a welding with a double cone 7 of the laser radiation 5, the narrowest beam cross section 8 of the double cone 7 being aligned in the region of the upper side 14. In this way, a negative angular distortion, indicated by the angle 15 to the plane 16, are generated.
  • Figure 6 shows a multilayer system having an upper copper or steel plate 17, an underlying copper plate 18, and a ceramic 19 below.
  • the upper copper or steel plate 17 may be a leadframe.
  • the ceramic 19 is not melted or not heated too strongly during the production of the weld seam 4 in order to avoid microstructural changes or destruction.
  • the laser radiation 5 is formed as a double cone 7, as has already been explained with reference to Figure 3, so that the entry of the laser radiation 5 is selectively limited to the copper or steel plate 17 and the copper plate 18.
  • the line 20 in FIG. 4 indicates a weld seam which is carried out using a standard welding method according to the prior art. It should be noted that Figures 3 to 6 are given for explaining the formation of a weld, but can be analogously transferred to the formation of welds.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate the welding of a T-joint between a flange plate 21 and a web extending at right angles thereto or a web plate 22.
  • the joining edge which is to be formed between the flange plate 21 and the web plate 22 is denoted by the reference numeral 23 denotes.
  • the laser radiation 5 is introduced from the surface 24 of the flange plate 21 and aligned so that the previously described double cone 7 is generated, wherein the narrowest beam cross-section 8 is in the region of the surface 24 of the flange plate 21, which faces the joining edge 23 with the web plate 22.
  • the weld capillary 25 is moved on a helical path 26, as is also schematically indicated in FIG. 7B.
  • the molten bath is solidified by the joining edge in the direction of the surface 24 of the flange. If there is still molten material, while the surface of the flange is already solidified, any shrinkage of the flange towards the center of the double cone may result in cracking.
  • the laser beam is guided on a path of variable radius at the joining edge, which detects the full opening angle at most. By wobbling the laser beam axis about a point, a weld seam shape can also be achieved in such a way that the weld seam width can be adjusted, for example, as a function of the distance to the component surface.
  • the parameters, in addition to a slow main motion (feed in seam welding), with which the laser beam axis is moved in a main direction relative to the surface normal of the workpiece along a welding line at a feed speed, in addition to a fixed main position (spot welding) and a main direction of the Laser beam axis relative to the surface normal of the workpiece according to the method can be changed quickly, the direction of the laser beam relative to the main direction, the position of the laser beam on the surface of the material relative to the position of the main or to the main position, the power of the laser beam, the radius of the laser beam on the surface of the material relative to the desired width of the weld or the welding point, the path velocity of the laser beam along the welding capillary produced relative to the comparatively low feed rate in seam welding s.
  • Figure 8 shows a schematic arrangement to achieve the tumbling of the laser radiation.
  • the laser radiation 5 is directed to a scanner mirror 27, which can be tilted about axes 28 (alternatively deflecting mirrors can be used). From the scanner mirror 27, the laser radiation is directed to a Torusapt 29, which is an internally mirrored ring. The radiation emerging from the torus mirror 29 is then directed onto the workpiece 31 via a focusing lens 30.
  • optical components in the form of a rotating prism, a rotating prism with a toric mirror, a galvanometer scanner, a galvanometer scanner with DOE (diffractive optical element) or even the rotation of the component wherein the axis of rotation passes through the location of the welding point and the laser beam axis is inclined relative to the component surface; while the angle between the laser beam axis and component surface can be varied during the welding.
  • DOE diffractive optical element

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Abstract

Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus metallischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung durch Ausbilden einer Schweißnaht (4; 106) das dadurch gekennzeichnet ist, dass zusätzlich zu der Bewegung entlang einer Hauptbahn beim Nahtschweißen bzw. zusätzlich zu einer festen Hauptposition beim Punktschweißen und einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächenormale des Werkstücks als Parameter die Leistung, die Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und die Position an der Oberfläche des Werkstoffs relativ zu den Positionen entlang der Hauptbahn bzw. zur Hauptposition so eingestellt werden, dass die Schweißkapillare (105) unabhängig von der Hauptbahn mit veränderlicher Tiefe relativ zur Materialdicke, mit veränderlicher Richtung relativ zur Hauptrichtung und mit veränderlicher Position entlang einer Nebenbahn so geführt wird, dass eine geometrische Form des Schmelzbades und eine geometrische Form des resultierenden Nahtquerschnitts erreicht wird, und dass als weiterer Parameter der Radius des Laserstrahls relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes so eingestellt wird, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht dNaht und Schweißkapillare dϰapιiiare bzw. der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet. Es wird auch eine Vorrichtung angegeben.

Description

„Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen mittels Laserstrahlung"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus gleichartigen oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Hauptbahn bzw. eines Schweißpunktes an einer festen Hauptposition im Bereich einer Fügekante, indem die Laserstrahlung in einer Wechselwirkungszone teilweise absorbiert wird und ein Schmelzbad ausbildet, wobei ein Teil der Fügekante von dem Schmelzbad erfasst wird und dieser Teil nach dem Erstarren der Schmelze einen tragenden Querschnitt bildet, wobei die Laserstrahlung entlang der Fügekante auf einen kleinen Strahlquerschnitt, mit einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Flächennormalen der Materialoberfläche, fokussiert wird und die aus der Fokussierung resultierende Strahltaille bzw. der kleinste Durchmesser des Laserstrahls der fokussierten Laserstrahlung im Bereich der sich ausbildenden Wechselwirkungszone von Laserstrahlung und Material entlang der Fügekante des Materials gehalten wird, zur Anwendung dann, wenn beim Laserschweißen der Durchmesser des Laserstrahls und der resultierende Durchmesser der Schweißkapillare dκapπiare kleiner eingestellt werden kann als der erforderliche tragende Querschnitt der Schweißnaht. Bei diesem Verfahren handelt es sich nicht um ein Hochgeschwindigkeitsschweißen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Das Laserschweißen ist ein etabliertes Fügeverfahren. Aus Anwendersicht besteht eine anhaltende Forderung, die Produktivität des Verfahrens unter wachsenden Qualitätsanforderungen zu steigern. Die Potentiale sind im Hinblick auf die Steuerbarkeit und Regelbarkeit von Maschine und Prozess, die erreichte Produktivität des Prozesses und die Qualität des Produktes bei weitem noch nicht ausgenutzt.
Wesentliche Merkmale, die beim Schweißen zuverlässig erreicht werden müssen, sind: - Produktivität des Prozesses
Kürzere Bearbeitungszeiten und das qualitativ hochwertige Schweißen sind die angestrebten Ziele der aktuellen industriellen Entwicklung. Die Erfahrung zeigt, dass die physika- lischen Grenzen für die Strahlquellen und deren Wärmewirkungen weder erreicht noch ausreichend erforscht sind.
- Qualität der Schweißnaht
Bildung von Poren in der Schweißnaht, der Auswurf von Teilen der Schmelze (Spritzer), die Kerbwirkung eines Nahteinfalls oder von Einbrandkerben, die geometrische Form der Nahtober- und Unterraupe sind wesentliche Qualitätsmerkmale der Schweißnaht, deren Auftreten von den dynamischen Vorgängen des Schweißens abhängen. Um die gewünschte Qualität der Schweißnaht zu erreichen, ist die Stabilität des Schweißens zu verbessern.
- Qualität des Bauteils
Die Qualität des Bauteils ist von der Festigkeit der Schweißverbindung und dem Verzug des Bauteils bestimmt. Festigkeit und Verzug sind Folgen der Wärmewirkungen des
Schweißens. Um die gewünschte Qualität des Bauteils zu erreichen, ist eine bauteil- und schweißgerechte räumliche Verteilung der Wärmeeinbringung aufzufinden.
Die bekannten Techniken zum Schweißen von Metallen mit Laserstrahlung können in
Bezug auf Qualität der Schweißverbindung, der Festigkeit und Verzug wie folgt gegliedert werden:
- Formen der Schweißverbindung: Punkt- und Nahtschweißen
- Stoßformen: Überlapp, Stumpfstoß
- Arten der Modulation von Parametern des Schweißens
Es ist bekannt, dass ein Doppelfokus oder ein Pendeln des Strahles - longitudinal (Vermeidung von Poren durch z.B. bessere Entgasung von Zinkschichten) oder lateral zur Vorschubrichtung (Überbrückung eines Fügespalts durch kostengünstige, aber ungenaue Vorbereitung der zu schweißenden Bauteile) vorteilhaft sein kann, weil der Durchmesser einer Schweißkapillare vergrößert eingestellt wird. Typischerweise werden zum Strahlpendeln Galvoscanner angewandt. Der Einfluss des Strahlpendelns auf die Porenbildung und die Rauhigkeit der Nahtoberraupe sind untersucht. Der Strahldurchmesser ist vergleichbar mit der Breite der resultierenden Schweißnaht. Der Doppelfokus oder das Pendeln zielt auf eine Vergrößerung des Durchmessers der Schweißkapillare. Es ist auch bekannt, dass durch die gleichzeitige Anwendung von mehreren Laserstrahlen (Doppel-, Vierfach-Fokus) in unterschiedlicher Anordnung zueinander die Porenbildung unterdrückt werden kann. Aus der Technik des Elektronenstrahlschweißens ist das Pendeln des Elektronenstrahles bekannt und wird angewandt, um größere Querschnittsflächen zu schmelzen und die Porenbildung zu vermeiden.
Die DE 102 17 200 A1 beschreibt das Auftragsschweißen oder Beschichten von Metallteilen mittels Laserstrahlen. Daher wird bei diesen Verfahren nur ein Volumen nahe der Materialoberfläche bearbeitet. In dieser Druckschrift wird zwar einleitend das Schweißen angeführt, allerdings ist zu erkennen, dass die in dieser Druckschrift beschriebenen Maßnahmen nicht auf das Schweißen gerichtet sind.
Die US 4,644,126 beschreibt das Durchschweißen und dabei das Herstellen einer "paral- lel-sided melt zone".
Die US 2006/0255019 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verschweißen von Metallteilen mit einem bewegten Laserstrahl, der eine Schweißnaht erzeugt, die breiter ist als der Laserstrahl. Dabei bleibt der Abstand zwischen Kapillarrand und Rand des Schmelzbades klein im Vergleich zum Kapillarradius.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit denen Schweißnähte und somit entsprechende Bauteile unter Verwendung des Laserschweißens hergesellt werden können, die zumindest einen Teil der vorstehend aufgeführten Punkte berücksichtigen, d. h. die insbesondere keine Nacharbeit zum Beispiel durch Schleifen und Richten erfordern, und somit über eine Verfahrensführung erzeugt werden, mit der gleichzeitig die Stabilität des Schweißens verbessert und eine bauteil- und schweißgerechte räumliche Verteilung der Wärmeeinbringung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass zusätzlich zu der Bewegung entlang der Hauptbahn beim Nahtschweißen bzw. zusätzlich zu einer festen Hauptposition beim Punktschweißen und einer Haupt- richtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächennormale des Werkstücks als Parameter die Leistung des Laserstrahls, die Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und die Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffs relativ zu den Positionen entlang der Hauptbahn bzw. zur Hauptposition so eingestellt werden, dass die Schweißkapillare unabhängig von der Hauptbahn mit veränderlicher Tiefe relativ zur Materialdicke, mit veränderlicher Richtung relativ zur Hauptrichtung und mit veränderlicher Position entlang einer Nebenbahn so geführt wird, dass eine geometrische Form des Schmelzbades und eine geometrische Form des resultierenden Nahtquerschnitts erreicht wird, die in Abhängigkeit von der Stoßart, der lokalen Bauteilabmessungen entlang der Hauptbahn und der resultierenden Eigenspannungen im Bauteil entlang der Hauptbahn vorbestimmt sind, und dass als weiterer Parameter der Radius des Laserstrahls relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes so eingestellt wird, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht dNaht und Schweißkapillare dκapniare bzw. der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet, welche durch die resultierende maximal zulässige Geschwindigkeit der Schmelze, mit der die Ausbildung von Schweißdefekten (hierbei kann es sich beispielsweise um Spritzer oder Poren handeln) einsetzt, vorbestimmt ist.
Weiterhin sollte die Schweißkapillare unabhängig von der Hauptbahn auch mit einer veränderlichen Tiefe in Abhängigkeit der gewünschten lokalen Querschnittsfläche der tiefen Einschweißung oder der Durchschweißung geführt werden.
Umfangreiche Untersuchungen haben dazu geführt, dass beim Nahtschweißen bzw. auch beim Punktschweißen, insbesondere durch Einstellung von Leistung des Laserstrahls, Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und Position des Laserstrahls als ein Parameter und der Radius des Laserstrahls als ein weiterer Parameter, wesentliche Vorteile erzielt werden können.
Es konnte nämlich festgestellt werden, dass die Ursachen für die mangelnde Qualität der Schweißverbindung zu sehen sind in: Schwankungen von Maschinenparametern (z.B. Richtung und Betrag des Vorschubs) und Laserparametern (z.B. Leistung, Strahlradius, Fokuslage) bewirken Änderungen von Radius und Tiefe der Schweißkapillare, die auf einer Zeitskala von Mikrosekunden auftreten können. Die Bewegung der Schmelzfront hat eine größere Zeitskala, die typischerweise einige Millisekunden beträgt. Die Dicke des Schmelzfilms ist der Abstand von Schweißkapillare und Schmelzfront. Aufgrund einer schnellen Bewegung der Schweißkapillare und der langsamen Bewegung der Schmelzfront, variiert die Dicke des Schmelzfilms auf der schnellen Zeitskala, was zu schnell veränderlichen Geschwindigkeiten für die Strömung der Schmelze und damit zu einer wellenförmigen Bewegung der Schmelze mit großen Amplituden im Vergleich zur Nahtbreite führt. Eine direkte Folge ist die mangelnde Qualität der Schweißnaht in Form von z.B. Poren, Spritzern und Einbrandkerben. Erfindungsgemäß werden diese unerwünschten Folgen vermieden, indem der Radius des Laserstrahls relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes so eingestellt wird, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht dNaht und Schweißkapillare dKapiiiare bzw. der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet.
Die Ursachen für die mangelnde Qualität des Bauteils werden durch die Festigkeit der Schweißverbindung und den Verzug des Bauteils bestimmt. Die Festigkeit der Verbindung hängt insbesondere mit dem tragenden Querschnitt und der Wärmewirkung auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht aufgrund von Gefügeveränderungen (Härte, Zugfestigkeit) während des Schweißens zusammen. Der dominante Parameter für die Gefügebildung ist die Abkühlzeit des Materials. Die Abkühlzeit steht in direktem Zusammenhang mit der räumlichen Verteilung der Wärme im Nachlauf des Schmelzbades und dem Vorschub. Der Verzug des Bauteils wird durch plastische Verformung des Werkstoffes bewirkt. Die plastische Verformung erfolgt bei Überschreiten der Fließspannung des Werkstoffes aufgrund einer thermischen Ausdehnung. Damit hängt der Verzug ursächlich mit der Wärmewirkung des Schweißens und insbesondere mit der räumlichen Verteilung der Wärme im Bauteil zusammen. Erfindungsgemäß werden nachteilige Wirkungen der Wärme im Bauteil, die aufgrund der vorgegebenen Hauptbahn entstehen, vermieden, indem die räumliche Verteilung der Wärme durch Steuerung von Leistung und Richtung und Position des Laserstrahls auf einer Nebenbahn eingestellt wird. Diese Vorgehensweise ist nur dann anwendbar, wenn der Durchmesser der Schweißkapillare kleiner eingestellt werden kann als die vorgegebene Breite der Schweißnaht an der Fügekante (der vorgegebene, tragende Querschnitt).
Die vorstehend erwähnte tiefe Einschweißung ist definiert als eine Schweißung mit einer Einschweißtiefe, die größer ist als der Laserstrahldurchmesser. Die Hauptbahn beim Nahtschweißen ist definiert als eine vorbestimmte Kurve, die Mittellinie der resultierenden Oberraupe der Schweißnaht ist.
Die Nebenbahn beim Nahtschweißen ist definiert als gesteuerte Abweichungen von der Hauptbahn auf der die Leistung der Laserstrahlung, Position und Richtung des Laserstrahls und der Laserstrahlradius gesteuert werden. Soweit der Abstand zwischen Hauptbahn und Nebenbahn erwähnt ist, so ist hiermit der Abstand zwischen der Mittellinie der resultierenden Oberraupe der Schweißnaht und der Laserstrahlachse sowie die Differenz der Richtungen von Laserstrahlachse und Normale auf dem Werkstück an einer Stelle an der Oberraupe der Schweißnaht gemeint. Die Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächennormalen des Werkstücks ist definiert als Winkel zwischen den beiden Richtungen - Laserstrahlachse und Senkrechte auf der Oberfläche - an der Oberfläche des Materials bzw. der Oberraupe der Schweißnaht, wobei unter "relativ zur Oberflächennormalen" die Winkeldifferenz zwischen Laserstrahlachse und Senkrechte auf der Oberfläche zu verstehen ist. Die Schweißkapillare ist dadurch charakterisiert, dass beim Tiefschweißen eine Vertiefung im Material entsteht, die mit Metalldampf gefüllt ist und auf der die Laserstrahlung absorbiert wird.
Ein Schmelzfilm ist derjenige Film aus geschmolzenem Metall, der sich zwischen der Oberfläche der Schweißkapillare und dem Rand des festen Materials bildet. Der Rand des festen Materials wird als Schmelzfront bezeichnet. Die Schmelzfront ist eine einfach zusammenhängende Oberfläche, auf der der Phasenübergang fest-flüssig stattfindet und die Temperatur auf der Schmelzfront gleich der Schmelztemperatur des Materials ist. Die Dicke eines Schmelzfilms ist bestimmt durch den Abstand zwischen der Schmelzfront und dem Kapillarrand, dem Rand der Schweißkapillare, und kann sich dann ändern, wenn sich die Bahngeschwindigkeit ändert, das bedeutet die Geschwindigkeit der Laserstrahlachse entlang der Nebenbahn.
Der tragende Querschnitt der Fügekante bzw. der Nahtstelle ist derjenige Teil der resultierenden Schweißnaht, an dem beide Fügepartner verschweißt sind. Der tragende Querschnitt ändert sich zeitabhängig während die Schmelze erstarrt. Nach vollständigem Erstarren der Schmelze ist der tragende Querschnitt derjenige Teil, der resultierenden Schweißnaht, an dem beide Fügepartner verschweißt sind. Mit der Erfindung können die herkömmlichen Techniken zum Schweißen mit Laserstrahlung so verbessert werden, dass eine Qualitätsschweißung bzw. eine große Qualität der Schweißverbindung erreicht wird, gleichzeitig eine große Qualität des geschweißten Bauteils bzgl. Festigkeit und Verzug unabhängig voneinander eingestellt werden können, indem die räumlich verteilte Wärmeeinbringung variabel in Abhängigkeit von der Schweißtiefe gesteuert wird und der Querschnitt der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes variabel in Abhängigkeit von der Schweißtiefe gesteuert wird, und zusätzlich die Auswirkungen technisch unvermeidbarer Schwankungen von Maschinen- (z.B. Vorschub) und Laserparametern (z.B. Leistung, Intensität) eine kleinere Auswirkung auf die Qualität von der Schweißverbindung und Bauteil haben dadurch, dass eine feste Position im Werkstoff mehrere Male von dem Laserstrahl bestrahlt wird.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird somit nicht der Weg eingeschlagen, in aufwändiger Weise eine Vielzahl von Wärmequellen zu kombinieren, sondern vielmehr wird die Verfahrensführung mit Laserstrahlung bevorzugt mit einer Strahlungsquelle vorgenommen, so dass zwei unterschiedliche Anforderungen an das Schweißen in gleicher Weise erfüllt werden können und so die mangelnde Qualität der Schweißverbindung durch Stabilisierung der Schmelzströmung im Schmelzbad und des Bauteils durch Einstellen der räumlichen Verteilung der Wärme im Bauteil und durch Einstellen des Querschnitts der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes variabel in Abhängigkeit von der Schweißtiefe gleichermaßen verbessert werden können. Zusammengefasst werden erfindungsgemäß
- eine Stabilisierung der Schmelzströmung erreicht,
- ein Einstellen der räumlichen Verteilung der Wärme möglich,
- ein Einstellen des tragenden Querschnitts der Schweißverbindung möglich,
- Auswirkungen unvermeidbarer Schwankungen der Schweißparameter verkleinert. Weiterhin ist beim herkömmlichen Schweißverfahren mit/ohne Strahlpendeln die räumliche Verteilung von Breite und Tiefe der Schweißnaht grundsätzlich an der Oberseite des Werkstoffes größer als an der Unterseite und nimmt monoton mit der Tiefe ab. Dagegen wird nach der erfindungsgemäßen Führung der Richtung des Laserstrahls z.B. eine größte Breite der Schweißnaht in der vorbestimmten Tiefe (Fügekante) erreicht, z.B. wo der Stoß bzw. die Fügekante zwischen den zu fügenden Werkstoffen liegt (diese Vorgehensweise ist dann vorteilhaft, wenn z.B. eine Klemmwirkung der beiden verschweißten Bleche außerhalb der Schweißnaht durch resultierende Druckeigenspannungen erreicht werden soll) oder z.B. durch zusätzliche Steuerung der Leistung in der vollen Tiefe der zu fügenden Werkstücke (diese Vorgehensweise ist dann vorteilhaft, wenn eine breite Schweißnaht an der nicht zugänglichen Unterseite des Werkstückes erreicht werden soll), wie dies noch später erläutert wird. Erfindungsgemäß ist, wie auch Figur 9 der nachfolgenden Zeichnungen verdeutlicht, der Radius des Laserstrahls so einzustellen, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht dNaht und Schweißkapillare dKapiiiare bzw. Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet, welche durch die resultierende maximal zulässige Geschwindigkeit der Schmelze vorbestimmt ist.
Aus dem Verhältnis V resultiert eine Strömungsgeschwindigkeit umax der Schmelze, die bei herkömmlichen Schweißverfahren - wo der Kapillardurchmesser dKapiiiare nahezu gleich groß ist wie der Nahtdurchmesser dNaht - deutlich größer ist als die Vorschubgeschwindigkeit V0. Größer bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Strömungsgeschwindigkeit Umax einen vorbestimmten Wert annimmt, der nahezu gleich der Vorschubgeschwindigkeit Vo ist. Vo bezeichnet die Bahngeschwindigkeit entlang der Hauptbahn. Größer bedeutet auch größer als der Nahtdurchmesser, der bei Bewegung nur entlang der Hauptbahn entstehen würde.
Erfindungsgemäß ist zu erreichen, dass der Kapillardurchmesser dKapiiiare deutlich kleiner als der einzustellende Nahtdurchmesser d^m wird und so die Strömungsgeschwindigkeit Umax der Schmelze nahezu gleich der kleinen Vorschubgeschwindigkeit V0 wird.
Umax = Vo / (1 - dkapillare/dNaht)
Der vorbestimmte Maximalwert umaχ > u für Strömungsgeschwindigkeit u hängt von dem Material, der Stoßart und der Stabilität der Laserstrahlung ab. Um z.B. einen Wert umax = 2 V0 für die Strömungsgeschwindigkeit u von nur dem doppelten der Vorschubgeschwindigkeit V0 nicht zu überschreiten, muss der Durchmesser der Naht dNaht doppelt so groß wie der Durchmesser dkapiiiare der Schweißkapillare sein.
Eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die mit herkömmlichen Schweißverfahren aufgenommen wurden, die als Figur 10 den Zeichnungen beigefügt sind, zeigte eine Schmelze mit einer glatten und spiegelnden Oberfläche, die sich so von der rauen Oberfläche des festen Werkstoffes unterschied. Deutlich war zu erkennen, dass die Schmelzfilmdicke vor der Schweißkapillare sehr klein war im Vergleich zum Kapillardurchmesser dKapiiiare, bzw. zum Nahtdurchmesser dNaht- Es war zu erkennen, dass die Schmelze zwischen der Schmelzfront (Grenze zwischen rauer Oberfläche des Werkstoffes) und der dampfgefüllten Schweißkapillare (ein weißer Fleck) strömte und hinter der Schweißkapillare ein ausgedehntes Schmelzbad bildete. Folglich wird bei herkömmlichen Schweißverfahren der Laserstrahl so eingestellt, dass ein Kapillardurchmesser dKapiiiare resultiert, der nahezu gleich groß ist wie der Nahtdurchmesser dNaht- Demzufolge tritt bei herkömmlichen Schweißverfahren die nicht erwünschte Situation auf, dass die Strömungsgeschwindigkeit umax der Schmelze groß ist im Vergleich zur Vorschubgeschwindigkeit V0, was gerade durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden wird.
Weiterhin wurde anhand der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen festgestellt, dass die große Strömungsgeschwindigkeit umax der Schmelze zu einem instabilen Verhalten der Schmelzströmung führt und so die dominante Ursache für die Merkmale einer mangelnden Qualität der Schweißverbindung ist. Große Werte für die Strömungsgeschwindigkeit umax der Schmelze sollen daher durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden. Bevorzugt werden Richtung und Position des Laserstrahls so eingestellt, dass der Laserstrahl auf einer Nebenbahn geführt wird, wobei der Abstand der Nebenbahn von der Hauptbahn an der Materialoberfläche und an der Fügekante unterschiedliche Werte aufweisen kann. Gerade hierdurch wird erreicht, dass die Klemmwirkung durch Eigenspannungen eingestellt werden kann. Um einen vorgegebenen tragenden Querschnitt und gleichzeitig eine Klemmwirkung zu erreichen, sollten hierbei Richtung und Position des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Laserstrahl auf der Nebenbahn mit der Gestalt eines Doppelkegels mit einem kleinsten Querschnitt und einem Öffnungswinkel bewegt wird.
Es ist hierbei bevorzugt, dass der kleinste Querschnitt des Doppelkegels nahe der Oberfläche des Werkstücks liegt und der Öffnungswinkel zusammen mit der Leistung so eingestellt werden, dass die resultierende Breite der Schweißnaht an der Fügekante ihren größten Wert erreicht und gleich dem vorbestimmten tragenden Querschnitt ist. Als weitere Verfahrensparameter sollte die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls so eingestellt werden, dass sie innerhalb einer unteren und oberen Schranke bleibt. Die untere Schranke der Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls, die nicht unterschritten werden soll, ist dadurch bestimmt, dass der Querschnitt der entstehenden Schweißnaht entlang der Hauptbahn den tragenden Querschnitt erreicht. Die obere Schranke der Bahngeschwindigkeit ist dadurch bestimmt, dass die Länge der entstehenden Schweißkapillare entlang der Nebenbahn klein im Vergleich zur Breite des Schmelzbades bleibt. Klein wird hier bestimmt aus der resultierenden Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze und kann an dem Auftreten resultierender Spritzer und Poren beobachtet werden. Die Länge ist hierbei von Bedeutung, da auch eine längere Schweißkapillare (ähnlich wie die zu breite Schweißkapillare) zwangsläufig die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert, was zu vermeiden ist, da sonst Spritzer und Poren auftreten können.
Es hat sich gezeigt, wie auch die Figur 11 der beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, dass wegen des kleinen Kapillardurchmessers der Schweißprozess stabiler wird, da die maximale Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Schweißverfahren verkleinert ist. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit ist kleiner, da die Schmelze durch ein breites Schmelzbad um die Schweißkapillare strömen kann und nicht durch einen engen Kanal strömen muss, in dem sie stark beschleunigt wäre. Da die Länge der Kapillare unabhängig von der Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden kann, sind notwendige zusätzliche Freiheitsgrade zum Erfüllen der weiteren Anforderungen an das Schweißen nutzbar.
Es sollte an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen werden, dass die unvermeidbaren Schwankungen der Laser- und Maschinenparameter beim konventionellen Schweißverfahren grundsätzlich zu Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze und damit grundsätzlich auch zur Ausbildung der qualitätsmindernden Merkmale (z.B. Poren) führen. Durch die Kombination einer Hauptbewegung mit einer im Vergleich dazu schnellen Veränderung der zusätzlichen Parameter (z.B. Mehrfachüberfahrt einer materialfesten Position) wird ein robuster Prozess eingestellt bzw. eine Stabilisierung erreicht.
Für die langsam veränderlichen Größen des Schweißprozesses (z.B. Temperatur in einer Entfernung von der Schweißkapillare, die einige Kapillarradien beträgt, oder Bewegung der Schmelzfront im Vergleich zur Bewegung der Schweißkapillare) wird ein Mittelungseffekt wirksam.
Für die schnell veränderlichen Größen ist die Rückwirkung der langsam veränderlichen Größen kleiner, da der Abstand der Schweißkapillare von der Position der Schmelzfront größere Werte annimmt.
Vorzugsweise wird durch die Steuerung der Leistung und/oder der Bahngeschwindigkeit entlang der Nebenbahn die Tiefe der Kapillare verändert, womit die Nutzung dieses ' weiteren Freiheitsgrades zusätzlich zur Richtung zur Folge hat, dass durch die Tiefe der Kapillare (Länge) zusammen mit der Richtung der Kapillare jeder Punkt im Material- volumen erfasst werden kann, wobei das erfasste Volumen dadurch bestimmt ist, dass die
Oberfläche der Nebenbahn das erfasste Volumen begrenzt.
Durch eine periodische Steuerung der Leistung entlang der Nebenbahn nimmt die Tiefe der Kapillare in Richtung der Hauptbahn und senkrecht zur Richtung der Hauptbahn unterschiedlich große Werte an.
Eine größte Breite der Schweißnaht bzw. eines Schweißpunkts in einer vorbestimmten
Tiefe wird dadurch erzeugt, dass eine Nebenbahn, die dadurch definiert ist, dass sie einen vorbestimmten Abstand zu der Hauptbahn besitzt, in der Form einer Kurve mit einem oder mehreren Doppelpunkten durchlaufen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt auch bei einem Material-System, das gefügt werden soll, anwendbar, das aus mehreren Materialien (Mehrschichtsystem) mit mindestens drei Schichten besteht und bei dem die Schweißung nur die oberen zwei
Schichten verbindet und die weiter unten liegenden Schichten aus anderen z.B. nicht temperaturbeständigen Schichten nicht unnötig stark aufgeheizt oder sogar geschmolzen werden.
Falls ein T-Stoß, der einen Flansch und einen Steg umfasst, gefügt bzw. geschweißt werden soll, werden die Leistung und der Öffnungswinkel des Laserstrahls so eingestellt, dass die Achse des eines Strahlungs-Doppelkegels an der Achse des Steges derart ausgerichtet wird, dass der kleinste Querschnitt des Doppelkegels auf der Oberfläche des
Flansches eingestellt wird, dass der Öffnungswinkel so eingestellt wird, dass die Breite des Kegels an der Stirnseite des Steges die gesamte Breite der Fügekante erfasst, und die Leistung so eingestellt wird, dass die Schweißkapillare so tief in das Material eindringt, dass die Fügekante überschritten wird und auch das Material des Steges aufgeschmolzen wird. Dieser Verfahrensablauf führt zu dem Vorteil, dass die Wärmebelastung des Bauteils nur in der Nähe der Fügekante auftritt und nicht unnötig viel Wärme in den Flansch eingebracht wird. Der Laserstrahl sollte dabei auf einer Bahn mit veränderlichem Radius an der Fügekante geführt werden, die maximal durch den vollen Öffnungswinkel erfasst wird. Hierbei kann der Laserstrahl auf einer spiralförmigen Bahn an der Fügekante geführt werden, die maximal durch den vollen Öffnungswinkel erfasst wird.
Es wurde festgestellt, dass ein vorbestimmter Wert für einen Winkelverzug beim
Schweißen erreicht wird, indem der Öffnungswinkel und die Tiefe des engsten Querschnittes eingestellt werden, wobei die Tiefe von der Oberkante des Werkstücks aus gemessen wird.
Für den Winkelverzug wird der Wert null Grad annähernd erreicht, indem die Tiefe des engsten Querschnitts gleich der halben Materialstärke eingestellt wird und der Öffnungswinkel zunehmend größer eingestellt wird, bis der tatsächliche Winkelverzug aufgrund von unvermeidbaren Schwankungen der Eigenspannungen im Material, der Material- und Laserparameter einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Für den Winkelverzug wird ein negativer Wert erreicht, indem der Doppelkegel so eingestellt wird, dass der engste Querschnitt an der Materialoberfläche liegt und der Öffnungswinkel zunehmend größer eingestellt wird, bis der tatsächliche Winkelverzug den vorbestimmten negativen Wert erreicht.
Die Breite der Schweißnaht bzw. der Durchmesser des Schweißpunkts kann durch eine Taumelbewegung der Richtung des Laserstrahls um einen Punkt in Abhängigkeit vom Abstand zur Materialoberfläche eingestellt werden.
Um zu erreichen, dass die Wärmebelastung des Materials in der Umgebung des schmelzflüssigen Schmelzbades minimal wird, wird die Temperatur im Schmelzbad nahezu homogen nahe der Schmelztemperatur gehalten.
Die Temperatur im Schmelzbad wird mit einer vorgegebenen Verteilung eingestellt und wird nur in einer kleinen Umgebung der Schweißkapillare in der Größenordnung des Durchmessers der Schweißkapillare auf größere Werte eingestellt, damit die Temperatur im Material und damit die Gefügebildung in der Umgebung des schmelzflüssigen Schmelzbades eingestellt werden kann.
Um eine unnötig große Abkühlrate und damit die Rissbildung beim Erstarren zu vermeiden, wird die Temperatur im festen Teil der Schweißnaht hinter dem Schmelzbad mit einer vorgegebenen Verteilung dadurch eingestellt, dass der Laserstrahl auf einem Teil der Nebenbahn den rückwärtigen Teil des Schmelzbades heizt.
Die Wirkung der Einstellung von Parametern, wie sie vorstehend angegeben sind, wird On-Iine überwacht und die einzustellenden Parameter werden entsprechend nachgeregelt. Die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms, d.h. des Schmelzbads, und die Reflexionen einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle in der Umgebung des Schmelzbades, um die thermische Wirkungen des Vorheizens der Oberfläche des Materials zu erfassen, werden mit einer Kamera aufgenommen. Die Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Mess-Signals werden genutzt, um die tatsächlich resultierende geometrische Form des Schmelzbades sowie zusätzlich die Effizienz der Steuerung zu überwachen. Vorzugsweise wird die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Anordnung von Photodioden (z.B. Vier-Quadranten Photodiode) aufgenommen. Insbesondere werden die Länge I der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Mess-Signals qualitativ durch ein räumlich ge- mitteltes Signal einer solchen Photodiode erfasst.
Damit Schweißnähte bzw. Schweißpunkte mit über die Schweißnahttiefe variabler Schweißnahtbreite erzeugt werden können, wird eine Nebenbahn mehrfach durchlaufen und die Bewegung des Laserstrahls wird mittels optischer Elemente erzeugt. Bevorzugt sollte die periodisch durchlaufene Nebenbahn mit einer großen Halbachse in Richtung der Hauptbewegung und mit einer kleinen Halbachse senkrecht dazu versehen werden.
Der Vorschubbewegung wird somit entlang einer Fügegeometrie eine periodische Bewegung des Laserstrahls mittels der hier angegebenen optischen Elemente überlagert; somit können auch Schweißnähte mit über die Schweißnahttiefe variabler Schweißnahtbreite erzielt werden.
Um die Abkühlzeit zu vergrößern und so die Gefügebildung zu steuern und eine Rissbildung zu vermeiden, wird die periodisch durchlaufene Nebenbahn mit einer großen Halbachse in Richtung der Hauptbewegung und mit einer kleinen Halbachse senkrecht dazu versehen. Das Zentrum der periodischen Bewegung und die Größe der Halbachsen sind wesentliche Parameter zum Einstellen des Temperaturzyklus im Werkstoff. Der Temperaturzyklus bestimmt wesentlich die Gefügebildung und die Rissbildung. Als optisches Element wird ein Galvanometerscanner eingesetzt. Vorzugsweise wird als optisches Element ein Galvanometerscanner mit diffraktivem optischem Element eingesetzt.
Um den engsten Querschnitt eines Doppelkegels an der Oberfläche des Werkstücks anzuordnen, sollten als optische Elemente ein Galvanometerscanner und diffraktive optische Elemente und zusätzlich ein Torusspiegel eingesetzt werden.
Um zu erreichen, dass ein Doppelkegel beim Punktschweißen erzeugt werden kann, wird das zu fügende Bauteil gedreht, wobei die Drehachse durch die Stelle des Schweißpunk- tes verläuft und die Laserstrahlachse gegenüber der Bauteiloberfläche geneigt ist, so dass in dieser gedrehten Stellung der Schweißvorgang erfolgt. Der Winkel zwischen Laserstrahlachse und Bauteiloberfläche während des Nahtschweißens wird variiert, so dass die Schweißkapillare nicht nur auf der Oberfläche des Doppelkegels umläuft, sondern auch das Innere des Doppelkegels erfasst wird. Bei linearer Verkleinerung des Winkels entsteht eine spiralförmige Nebenbahn mit kleiner werdendem Öffnungswinkel. Der Winkel zwischen Laserstrahlachse und Bauteiloberfläche wird während des Nahtschweißens variiert, so dass der Öffnungswinkel in Abhängigkeit der Bauteilabmessungen eingestellt wird, und zwar dann, wenn sich diese entlang der Hauptbahn (Vorschubbewegung) ändern. Die Bauteilabmessungen ändern sich entlang der Hauptbahn z.B. dann, wenn eine Axial-Rundnaht eines Zahnrades geschweißt wird.
Eine rotatorische Bewegung des Laserstrahls um die Laserstrahlachse entlang der Nebenbahn kann mittels einer oder mehrerer optischer Komponenten vorgenommen werden. Für eine solche optische Komponente kann ein drehendes Prisma eingesetzt werden, das dann von Vorteil ist, wenn zusätzlich zur Realisierung der Nebenbahn z.B. in Form eines Doppelkegels mit dem drehenden Prisma auch eine unerwünschte nicht radialsymmetrische Strahlverteilung vorliegt. Die Drehung um die Laserstrahlachse führt zu einem Mittelungseffekt und verkleinert die Wirkung der Asymmetrie.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer erfindungsgemäßen
Schweißung von zwei Werkstücken, um insbesondere die Nahtform bzw. den Rand des Schmelzbades zu verdeutlichen,
Figur 2 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Standardschweißung entsprechend Figur 1 , allerdings mit einer zusätzlichen Steuerung der Leistung der Strahlquelle in der vollen Tiefe der zu fügenden Werkstücke, Figur 3 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer erfindungsgemäßen
Schweißung mit Doppelkegel von zwei aneinander gestoßenen Werkstücken, ohne einen Winkelverzug oder mit einem einstellbaren Winkelverzug zwischen den Werkstücken, Figur 4 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Standardschweißung von zwei aneinander gestoßenen Werkstücken mit einem positiven Wert eines Winkelverzugs des geschweißten Bauteils, Figur 5 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Standardschweißung von zwei aneinander gestoßenen Werkstücken mit einem negativen Wert eines Winkelverzugs des geschweißten Bauteils,
Figur 6 eine schematische Darstellung, um das Verschweißen eines Werkstoffverbunds aus einer Kupfer- oder Stahlplatte, einer Kupferplatte und einer darunter liegenden Keramikplatte zu zeigen, Figur 7A eine schematische Darstellung, um die Ausbildung eines T-Stoßes zwischen einem Steg und einer Flanschplatte zu zeigen, Figur 7B den spiralförmigen Verlauf der Laserstrahlachse auf der Stirnfläche des
Stegs, aus Richtung des Sichtpfeils VII6 in Figur 7A,
Figur 8 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einem innen verspiegelten Ring (Torusspiegel), der zum Erzeugen eines Doppelkegels eingesetzt wird, dessen engster Querschnitt auf der Oberfläche des Materials liegt. Figur 9 eine Darstellung, um die geforderte Einstellung des Radius des Laserstrahls zu verdeutlichen, Figur 10 eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die mit herkömmlichen
Schweißverfahren aufgenommen wurden, und Figur 11 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Durchführung des Schweißens als
Vergleich zu Figur 9.
Die Grundzüge für die Einstellung der physikalischen Größen des Schweißprozesses werden nachfolgend, bevor im Einzelnen auf die Zeichnungen eingegangen wird, erläutert. Die geometrische Form des Schmelzbades wird in der Nähe einer Fügestelle so eingestellt, dass ein vorgegebener tragender Querschnitt erreicht wird. In größerer Entfernung von der Fügestelle können die thermische Endringtiefe und die Temperatur durch die z.B. wiederholte Wärmeeinbringung entlang der Nebenbahn verändert werden, ohne dass dazu zusätzliche Wärmequellen eingesetzt werden müssen, und somit können die resultierende Eigenspannung und der resultierende Verzug eingestellt werden. Durch eine Anpassung der Parameter entlang einer Nebenbahn wird die Wärmeeinbringung in Abhängigkeit von der Form des Bauteils gesteuert. Dies ist insbesondere bei kompliziert geformten Bauteilen, wie z.B. Zahnrädern, von Vorteil. Der zeitliche Verlauf der Temperatur (Temperaturzyklus) an einer festen Position im Bauteil bestimmt die Gefügebildung gemäß bekannter Zeit-Temperatur-Umwandlungs- Diagramme. Die Verteilung der Wärme im Schmelzbad wird so eingestellt, dass die Anforderungen an Festigkeit (Gefügebildung) erfüllt werden. Durch die zusätzlichen Parameter und deren Einstellung kann z.B. die Temperatur im Schmelzbad nahezu homogen nahe der Schmelztemperatur gehalten werden oder eine vorgegebene Verteilung annehmen und nimmt nur in einer kleinen Umgebung der Schweißkapillare größere Werte an.
Aufgrund des kleinen Kapillardurchmessers im Vergleich zur Ausdehnung des Schmelzbades wird der Schweißprozess stabilisiert, da die Strömungsgeschwindigkeiten der Schmelze nahezu homogen gleich der Vorschubgeschwindigkeit sind, und nehmen nur in einer vernachlässigbar kleinen Umgebung der Schweißkapillare größere Werte an, die keine Auswirkungen auf den Schweißprozess haben. Bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten entstehen dagegen Defekte in der Schweißnaht. Die Maßnahmen, um diese Vorteile gleichzeitig und mit einem Laserstrahl während der Schweißung zu erreichen, sind dadurch gekennzeichnet, dass Leistung, Richtung, Position des Laserstrahls und Bahngeschwindigkeit zeitlich veränderlich und ein fester Radius des Laserstrahls als zusätzliche Parameter so eingestellt werden, dass eine vorbestimmte Kontur (z.B. Breite in Abhängigkeit der Tiefe, z.B. größte Breite in der Tiefe des tragenden Querschnitts) des Schmelzbades erreicht wird und die zeitlich veränderliche Bahngeschwindigkeit und ein fester Radius des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Durchmesser und die Länge der Kapillare im Vergleich zur vorbestimmten Breite des Schmelzbades solche Werte annehmen, dass die Strömungsgeschwindigkeit mit der Vorschubgeschwindigkeit entlang der Hauptbahn vergleichbar bleibt und Leistung, Richtung und Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstücks zeitlich veränderlich entlang einer Nebenbahn bzw. Kurve in einer Umgebung der Hauptbahn gesteuert werden, so dass ein vorbestimmter Temperaturzyklus im Nachlauf und seitlich des Schmelzbades eingestellt wird. Die Erfindung ist immer dann einsetzbar, wenn beim Laserschweißen der Kapillarradius kleiner eingestellt werden kann als der erforderliche tragende Querschnitt der Schweißnaht (kein Hochgeschwindigkeitsschweißen). Es wird angenommen, dass auch die Länge der sich ausbildenden Kapillare einen wesentlichen Parameter darstellt. Die Figuren 1 und 2 verdeutlichen nochmals den Unterschied zwischen dem herkömmlichen Schweißverfahren und dem Verfahren gemäß der Erfindung. Mit 100 und 101 sind zwei Werkstoffe dargestellt. Eine mit einem herkömmlichen Schweißverfahren erzeugte Nahtform ist mit einer unterbrochenen Linie 102 dargestellt, die größer an der Oberseite des Werkstoffes ist und in die Tiefe abnimmt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läuft der Laserstrahl, dessen Strahlachse durch die strichpunktierten Linien 103 in ihrer Position und Richtung zur Zeit t = ti angegeben ist, auf einer Nebenbahn (die Richtung der Hauptbahn verläuft senkrecht zur Papierebene) in Form eines Doppelkegels, wobei sich die Kegelspitze 104 nahe der Oberfläche (oder innerhalb des Werkstücks) befindet. Jeweilige Schweißkapillaren sind mit den Linien 105 angedeutet. Die größte Breite der Schweißnaht 106 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer vorbestimmten Tiefe erreicht, die durch den Fußpunkt der Schweißkapillare 105 bestimmt ist. Falls eine breite Schweißnaht an einer nicht zugänglichen Unterseite der Werkstücks erreicht werden soll, wird die Leistung in die Tiefe der zu fügenden Werkstücke gesteuert, das bedeutet die Nebenbahn 107 befindet sich im unteren Bereich des Werkstoffs 101.
In Figur 3 sind zwei Werkstücke 1 , 2 dargestellt, die im Bereich einer Fügestelle 3 mittels einer Schweißnaht 4 gefügt bzw. verbunden werden sollen. Hierzu wird die Laserstrahlung 5 unter unterschiedlichen Strahlrichtungen und Stahlachsen, durch die Pfeile 6 angedeutet, auf die Fügestelle 3 so gerichtet, das die Strahlung entsprechend einem Doppelkegel 7 verläuft. Der engste Stahlquerschnitt 8 ist dabei, in Richtung des Querschnitts der Schweißnaht 4 gesehen, in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen 9 der Werkstücke 1 , 2 ausgerichtet. Aufgrund dieser Ausrichtung des Verlaufs der Laserstrahlung 5 entlang des Doppelkegels 7 tritt kein Verzug zwischen den beiden Werkstücken 1 , 2 auf, das bedeutet sie sind auch nach der Fügung in einer Ebene ausgerichtet. Anhand der Figur 3 ist zu erkennen, dass durch die Veränderung der Lage des engsten Strahlquerschnitts 8 des Doppelkegels 7 ein Winkelverzug zwischen den beiden Werkstücken 1 , 2 definiert eingestellt werden kann. Diese Möglichkeit der Einstellung des Winkelverzugs wird anhand der Figuren 4 und 5 verdeutlicht.
Figur 4 zeigt eine standardmäßige Verschweißung von zwei Werkstücken 1 , 2, bei der im Bereich der Fügestelle 3 die Laserstrahlung 5 mit einem Strahlkegel gerichtet ist, dessen engster Querschnitt, das bedeutet die Spitze des Strahlkegels 10 im Bereich der Unterseite 11 der beiden Werkstücke 1 , 2 liegt (wobei der engste Querschnitt bewusst größer gewählt wird als der minimal mögliche - es soll keine "Spitze" erzeugt werden). Dadurch ergibt sich ein positiver Winkelverzug, der durch den Winkel 12 angegeben ist, zu einer Ebene 13, in der die Unterseiten 11 der Werkstücke 1 , 2 ohne Verzug ausgerichtet wären. Im Gegensatz zu Figur 4 zeigt Figur 5 eine Verschweißung mit einem Doppelkegel 7 der Laserstrahlung 5, wobei der engste Strahlquerschnitt 8 des Doppelkegels 7 im Bereich der Oberseite 14 ausgerichtet ist. Hierdurch kann ein negativer Winkelverzug, angedeutet durch den Winkel 15 zu der Ebene 16, erzeugt werden.
Figur 6 zeigt ein mehrschichtiges System, das eine obere Kupfer- oder Stahlplatte 17, eine darunter liegende Kupferplatte 18 und eine sich darunter befindliche Keramik 19 besitzt. Bei der oberen Kupfer- oder Stahlplatte 17 kann es sich um einen Leadframe handeln. Bei einem solchen Schichtaufbau kann die Forderung bestehen, dass beim Erzeugen der Schweißnaht 4 die Keramik 19 nicht aufgeschmolzen wird oder nicht zu stark erwärmt wird, um Gefügeänderungen oder eine Zerstörung zu vermeiden. Um diese Vorgaben einzuhalten, wird die Laserstrahlung 5 als Doppelkegel 7 geformt, wie dies anhand der Figur 3 bereits erläutert wurde, so dass der Eintrag der Laserstrahlung 5 gezielt auf die Kupfer- oder Stahlplatte 17 und die Kupferplatte 18 begrenzt wird. Zum Vergleich wurde in Figur 4 mit der Linie 20 eine Schweißnaht angedeutet, die mit einem standardmäßigen Schweißverfahren nach dem Stand der Technik durchgeführt wird. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Figuren 3 bis 6 für die Erläuterung der Bildung einer Schweißnaht angegeben sind, allerdings analog auf die Bildung von Schweißpunkten übertragen werden können.
Die Figuren 7A und 7B verdeutlichen das Schweißen eines T-Stoßes zwischen einer Flanschplatte 21 und einem im rechten Winkel dazu verlaufenden Steg oder einer Stegplatte 22. Die Fügekante, die zwischen der Flanschplatte 21 und der Stegplatte 22, gebildet werden soll, ist mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet. Die Laserstrahlung 5 wird von der Oberfläche 24 der Flanschplatte 21 aus eingebracht und so ausgerichtet, dass der zuvor beschriebene Doppelkegel 7 erzeugt wird, wobei der engste Strahlquerschnitt 8 im Bereich der Oberfläche 24 der Flanschplatte 21 liegt, die der Fügekante 23 mit der Stegplatte 22 gegenüberliegt. Die Schweißkapillare 25 wird auf einer spiralförmigen Bahn 26 bewegt, wie dies schematisch auch in der Figur 7B angedeutet ist. Durch diese spiralförmige Bewegung der Schweißkapillare 25 wird erreicht, dass das Schmelzbad von der Fügekante in Richtung auf die Oberfläche 24 des Flansches erstarrt. Liegt noch schmelzflüssiges Material vor, während die Oberfläche des Flansches bereits erstarrt ist, kann eine etwaige Schrumpfung des Flansches in Richtung auf das Zentrum des Doppelkegels zur Rissbildung führen. Der Laserstrahl wird auf einer Bahn mit veränderlichem Radius an der Fügekante geführt, die maximal den vollen Öffnungswinkel erfasst. Durch das Taumeln der Laserstrahlachse um einen Punkt lässt sich auch eine Schweißnahtausprägung dergestalt erzielen, dass die Schweißnahtbreite zum Beispiel in Abhängigkeit vom Abstand zur Bauteiloberfläche einstellbar ist.
Die Parameter, die zusätzlich zu einer langsamen Hauptbewegung (Vorschub beim Nahtschweißen), mit der die Laserstrahlachse in einer Hauptrichtung relativ zur Oberflächennormale des Werkstücks entlang einer Schweißlinie mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird, bzw. zusätzlich zu einer festen Hauptposition (Punktschweißen) und einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächennormale des Werkstücks verfahrensgemäß schnell verändert werden können, sind die Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung, die Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffes relativ zur Position aus der Hauptbewegung bzw. zur Hauptposition, die Leistung des Laserstrahls, der Radius des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffes relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes, die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls entlang der erzeugten Schweißkapillare relativ zur im Vergleich kleinen Vorschubgeschwindigkeit beim Nahtschweißen. Figur 8 zeigt eine schematische Anordnung, um das Taumeln der Laserstrahlung zu erreichen. Die Laserstrahlung 5 wird auf einen Scannerspiegel 27, der um Achsen 28 kippbar ist, gerichtet (alternativ können Umlenkspiegel eingesetzt werden). Von dem Scannerspiegel 27 wird die Laserstrahlung auf einen Torusspiegel 29 gerichtet, bei dem es sich um einen innen verspiegelten Ring handelt. Die aus dem Torusspiegel 29 austretende Strahlung wird dann über eine Fokussierlinse 30 auf das Werkstück 31 gerichtet. Weitere Möglichkeiten, um ein Taumeln der Laserstrahlachse durch rotatorische Bewegung des Strahls zu erreichen, sind optische Komponenten in Form eines drehenden Prismas, eines drehendes Prisma mit Torusspiegel, eines Galvanometerscanners, eines Galvanometerscanners mit DOE (diffraktives optisches Element) oder aber auch die Drehung des Bauteils, wobei die Drehachse durch die Stelle des Schweißpunktes verläuft und die Laserstrahlachse gegenüber der Bauteiloberfläche geneigt ist; dabei kann der Winkel zwischen Laserstrahlachse und Bauteiloberfläche während der Schweißung variiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus gleichartigen oder ungleichartigen metallischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Hauptbahn bzw. eines Schweißpunktes an einer festen Hauptposition im Bereich einer Fügekante, indem die Laserstrahlung in einer Wechselwirkungszone teilweise absorbiert wird und ein Schmelzbad ausbildet, wobei ein Teil der Fügekante von dem Schmelzbad erfasst wird und dieser Teil nach dem Erstarren der Schmelze einen tragenden Querschnitt bildet, wobei die Laserstrahlung entlang der Fügekante auf einen kleinen Strahlquerschnitt, mit einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Flächennormalen der Materialoberfläche, fokussiert wird und die aus der Fokussierung resultierende Strahltaille bzw. der kleinste Durchmesser des Laserstrahls der fokussierten Laserstrahlung im Bereich der sich ausbildenden Wechselwirkungszone von Laserstrahlung und Material entlang der Fügekante des Materials gehalten wird, zur Anwendung dann, wenn beim Laserschweißen der Durchmesser des Laserstrahls und der resultierende Durchmesser der Schweißkapillare dκapiiiare kleiner eingestellt werden kann als der erforderliche tragende Querschnitt der Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Bewegung entlang der Hauptbahn beim Nahtschweißen bzw. zusätzlich zu einer festen Hauptposition beim Punktschweißen und einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächenormale des Werkstücks als Parameter die Leistung des Laserstrahls, die Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und die Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffs relativ zu den Positionen entlang der Hauptbahn bzw. zur Hauptposition so eingestellt werden, dass die Schweißkapillare unabhängig von der Hauptbahn mit veränderlicher Tiefe relativ zur Materialdicke, mit veränderlicher Richtung relativ zur Hauptrichtung und mit veränderlicher Position entlang einer Nebenbahn so geführt wird, dass eine geometrische Form des Schmelzbades und eine geometrische Form des resultierenden Nahtquerschnitts erreicht wird, die in Abhängigkeit von der Stoßart, der lokalen Bauteilabmessungen entlang der Hauptbahn und der resultierenden Eigenspannungen im Bauteil entlang der Hauptbahn vorbestimmt sind, und dass als weiterer Parameter der Radius des Laserstrahls relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht bzw. des Schweißpuπktes so eingestellt wird, dass das Verhältnis V der Durchmesser von Schweißnaht dNaht und Schweißkapillare dKapiiiare bzw. der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet, welche durch die resultierende maximal zulässige Geschwindigkeit der Schmelze, mit der die Ausbildung von Schweißdefekten einsetzt, vorbestimmt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Richtung und Position des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Laserstrahl auf einer Nebenbahn, die dadurch definiert ist, dass sie einen vorbestimmten Abstand zu der Hauptbahn besitzt, geführt wird, wobei der Abstand der Nebenbahn von der Hauptbahn an der Materialoberfläche und an der Fügekante unterschiedliche Werte aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Richtung und Position des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Laserstrahl auf der Nebenbahn mit der Gestalt eines Doppelkegels mit einem kleinsten Querschnitt und einem Öffnungswinkel bewegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Querschnitt des Doppelkegels nahe der Oberfläche des Werkstücks liegt und der Öffnungswinkel zusammen mit der Leistung so eingestellt werden, dass die resultierende Breite der Schweißnaht an der Fügekante ihren größten Wert erreicht und gleich dem vorbestimmten tragenden Querschnitt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls eine untere Schranke nicht unterschreitet, die dadurch bestimmt wird, dass der Querschnitt der entstehenden Schweißnaht entlang der Hauptbahn den tragenden Querschnitt erreicht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls eine obere Schranke nicht überschreitet, die dadurch bestimmt wird, dass die Länge der entstehenden Schweißkapillare entlang der Nebenbahn klein im Vergleich zur Breite des Schmelzbades bleibt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerung der Leistung und/oder der Bahngeschwindigkeit entlang der Nebenbahn die Tiefe der Kapillare verändert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine periodische Steuerung der Leistung entlang der Nebenbahn die Tiefe der Kapillare in Richtung der Hauptbahn und senkrecht zur Richtung der Hauptbahn unterschiedlich große Werte annimmt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine größte Breite der Schweißnaht bzw. eines Schweißpunkts in einer vorbestimmten Tiefe dadurch erzeugt wird, dass eine Nebenbahn in der Form einer Kurve mit einem oder mehreren Doppelpunkten durchlaufen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein System aus mehreren Materialien (Mehrschichtsystem) mit mindestens drei Schichten bearbeitet wird und die Schweißung nur die oberen zwei Schichten verbindet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schweißen eines T-Stoßes, umfassend einen Flansch und einen Steg, die Leistung und der Öffnungswinkel des Laserstrahls so eingestellt werden, dass die Achse eines Doppelkegels an der Achse des Steges ausgerichtet wird, dass der kleinste Querschnitt des Doppelkegels auf der Oberfläche des Flansches eingestellt wird, dass der Öffnungswinkel so eingestellt wird, dass die Breite des Kegels an der Stirnseite des Steges die gesamte Breite der Fügekante erfasst, und die Leistung so eingestellt werden, dass die Schweißkapillare so tief in das Material eindringt, dass die Fügekante überschritten und das Material des Steges aufgeschmolzen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf einer Bahn mit veränderlichem Radius an der Fügekante geführt wird, die maximal durch den vollen Öffnungswinkel erfasst wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf einer spiralförmigen Bahn an der Fügekante geführt wird, die maximal durch den vollen Öffnungswinkel erfasst wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorbestimmter Wert für einen Winkelverzug beim Schweißen erreicht wird, indem der Öffnungswinkel und die Tiefe des engsten Querschnittes eingestellt werden, wobei die Tiefe von der Oberkante des Werkstücks aus gemessen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkelverzug der Wert null Grad annähernd erreicht wird, indem die Tiefe des engsten Querschnitts gleich der halben Materialstärke eingestellt wird und der Öffnungswinkel zunehmend größer eingestellt wird, bis der tatsächliche Winkelverzug, aufgrund von unvermeidbaren Schwankungen der Eigenspannungen im Material, der Material- und Laserparameter einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 in Verbindung mit Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkelverzug ein negativer Wert erreicht wird, indem der Doppelkegel so eingestellt wird, das der engste Querschnitt an der Materialoberfläche liegt und der Öffnungswinkel zunehmend größer eingestellt wird, bis der tatsächliche Winkelverzug den vorbestimmten negativen Wert erreicht.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Schweißnaht bzw. der Durchmesser des Schweißpunkts durch eine Taumelbewegung der Richtung des Laserstrahls um einen Punkt in Abhängigkeit vom Abstand zur Materialoberfläche eingestellt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Schmelzbad nahezu homogen nahe der Schmelztemperatur gehalten wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Schmelzbad mit einer vorgegebenen Verteilung eingestellt wird und nur in einer kleinen Umgebung der Schweißkapillare in der Größenordnung des Durchmessers der Schweißkapillare auf größere Werte eingestellt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im festen Teil der Schweißnaht hinter dem Schmelzbad mit einer vorgegebenen Verteilung dadurch eingestellt wird, dass der Laserstrahl auf einem Teil der Nebenbahn den rückwärtigen Teil des Schmelzbades heizt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswirkung der Einstellung der Parameter überwacht wird und einzustellende Parameter geregelt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms (Schmelzbads) und die Reflexionen einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle mit einer Kamera aufgenommen werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Mess-Signals genutzt werden, um die tatsächlich resultierende geometrische Form des Schmelzbades sowie zusätzlich die Effizienz der Steuerung zu ü- berwachen.
24. Verfahren nach Anspruch 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Photodiode aufgenommen wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge I der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Mess-Signals qualitativ durch ein räumlich gemitteltes Signal einer Photodiode erfasst werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nebenbahn mehrfach durchlaufen wird und die Bewegung des Laserstrahls mittels optischer Elemente überlagert wird, so dass Schweißnähte bzw. Schweißpunkte mit über die Schweißnahttiefe variabler Schweißnahtbreite erzeugt werden.
27. Verfahren nach Ansprüche 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodisch durchlaufene Nebenbahn mit einer großen Halbachse in Richtung der Hauptbewegung und mit einer kleinen Halbachse senkrecht dazu versehen wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element ein Galvanometerscanner eingesetzt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element ein Galvanometerscanner mit diffraktivem optischem Element eingesetzt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element ein Galvanometerscanner und diffraktive optische Elemente und ein To- russpiegel eingesetzt werden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das zu fügende Bauteil gedreht wird, wobei die Drehachse durch die Stelle des Schweißpunktes verläuft und die Laserstrahlachse gegenüber der Bauteiloberfläche geneigt ist.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Laserstrahlachse und Bauteiloberfläche während des Schweißvorgangs variiert wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Nebenbahn eine rotatorische Bewegung des Laserstrahls um die Laserstrahlachse mittels einer oder mehrerer optischer Komponenten vorgenommen wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Komponente ein drehendes Prisma eingesetzt wird.
35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Komponente ein drehendes Prisma mit Torusspiegel eingesetzt wird.
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