In US 6,034, 343 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein Laserschweißverfahren und ein konventionelles Plasmaschweißverfahren, z. B. Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) oder Metallaktivgas-Schweißen (MAG), miteinander kombiniert werden. Dabei brennt ein Licht- bogen zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode, üblicherweise eine Wolfram- Elel<trode, und dem Werl<stücl<, wodurch das Werkstücl< aufgeschmolzen wird. Mittels eines Linsensystems wird der Laserstrahl auf das Werkstück fol<usiert. Das Linsensystem und die Elel<trode sind dabei konzentrisch zueinander angeordnet. Mit dem Laserstrahl ist es nun möglich, eine hohe Energieleistung in einem schmalen und tiefen Bereich des aufgeschmol- zenen Werl<stücl<s zu konzentrieren.

Ein weiteres Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken mittels Laser-Plasma- Hybridschweißens ist in DE 195 00 512 A1 beschrieben. Hierbei sind der zum Verschwei- ßen der Werkstücl<e verwendete Laserstrahl und der Lichtbogen in einem Winl<el zueinan- der angeordnet. Der Lichtbogen brennt auch bei diesem bekannten Verfahren zwischen einer Elektrode und dem Werkstücl<.

Bei den bekannten Verfahren erweist es sich als nachteilig, dass sich aufgrund einer durch die Lebensdauer der Elel<trode begrenzten Stromstärl<e und damit begrenzten Lichtbogen- leistung eine relativ geringe Schweißgeschwindigkeit ergibt. Außerdem fließt aufgrund der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit der zu verschweißenden Werkstücke ein erheblicher Anteil der in das Werkstück eingebrachten Wärme in die Umgebung der Schweißnaht ab. Hieraus ergeben sich weitere Nachteile hinsichtlich einer hohen Wärmebelastung des Werkstücks, welche zu einem erheblichen Verzug des Werkstücks führt.

Ein weiterer Nachteil ist die eingeschränl<te Verwendung von Prozeßgasen. So werden bei den bekannten Verfahren als Prozeßgas üblicherweise Edelgase eingesetzt. Der Einsatz von z. B. Sauerstoff und anderen hinsichtlich der Elel<trodenmaterialien korrosiven Prozeßgasen ist nicht möglich.

Aufgrund der hohen Lichtbogendivergenz des Plasmastrahls und der damit verbundenen geringen, in das Werkstücl< eingebrachten Leistungsdichte, wird bei den bel<annten Laser- Plasma-Hybridschweißverfahren ein leistungsstarl<er Laser benötigt.

Weitere Nachteile sind die geringe Langzeitstabilität sowie der kostenintensive Aufbau und Betrieb herl<ömmlicher Laser-Plasma-Hybridsschweißysteme.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laser-Plasma-Hybridschweißen anzugeben, bei dem eine Reduktion der Investitions-und Betriebskosten des Laser-Plasma- Hybridschweißprozesses und eine Erhöhung der Schweißgeschwindigl<eit möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh- rungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird zum Laser-Plasma-Hybidschweißen ein freier mikrowelleninduzierter Plasmastrahl verwendet, der folgendermaßen erzeugt wird : in einer hochfrequenten Mikro- wellenquelle werden Mil<rowellen erzeugt, welche in einem Hohlleiter geführt werden. Das Prozessgas wird in ein mil<rowellentransparentes Rohr, welches eine Gaseintrittsöffnung und eine Gasaustrittsöffnung umfasst, bei einem Drucl< p 2 1 bar derart durch die Gasein- trittsöffnung des Rohres eingeleitet, dass es eine tangentiale Strömungskomponente auf- J weist. Mittels elel<trodenlosen Zündens des Prozessgases wird im mil<rowellentransparen- ten Rohr ein Plasma erzeugt, welches durch eine an der Gasaustrittsöffnung des Rohrs an- geordnete metallische Düse in den Arbeitsraum eingeleitet wird, wodurch der Plasmastrahl erzeugt wird. Insbesondere befindet sich das zu verschweißende Werl<stücl< im Arbeits- raum.

Der Laserstrahl wird vorteilhaft in einem Festkörperlaser, insbesondere einem Nd-YAG- Laser, oder in einem Gaslaser, insbesondere einem C02-Laser oder Excimer-Laser erzeugt.

Es ist aber auch möglich, den Laserstrahl in einem Diodenlaser zu erzeugen.

In einer ersten vorteilhaften Ausführung der Erfindung verläuft der Laserstrahl durch das mikrowellentransparente Rohr und durch die Öffnung der Düse in den Arbeitsraum. Dabei ist es z. B. möglich, dass der Laserstrahl und der Plasmastrahl konzentrisch zueinander ver- laufen. Bei einem entsprechend großen Öffnungsdurchmesser der Düse ist es aber auch möglich, dass der Laserstrahl und der Plasmastrahl unter einem vorgebbaren Winkel, der durch die Geometrie der Anordnung begrenzt wird, zueinander verlaufen. Der Vorteil dieser Ausführung ist, dass der Laserstrahl unterstützend bei der Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas wirkt. Außerdem kann dadurch ein kompakter Aufbau eines Laser-Plasma- Hybridschweißprozesses realisiert werden.

In einer zweiten vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Laser-Plasma- Hybridschweißverfahrens verläuft der Laserstrahl außerhalb des mikrowellentransparenten Rohrs. Hierbei ist es möglich, in einer geeigneten Anordnung den Laser zur Erzeugung des Laserstrahls außerhalb der Hohlleiteranordnung zur Erzeugung des Plasmastrahls derart zu positionieren, dass sich der Laserstrahl und der Plasmastrahl auf der Oberfläche oder im oberflächennahen Bereich des zu verschweißenden Werkstücks kreuzen. Darüber hinaus können der Laserstrahl und der Plasmastrahl auch derart zueinander angeordnet sein, dass der eine Strahl dem anderen Strahl beim Schweißprozeß vorausläuft. Dadurch kann die Qualität der Schweißnaht verbessert und die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden.

Mittels des erfindungsgemäßen elektrodenlosen Laser-Plasma-Hybridschweißver-fahrens ergeben sich besonders vorteilhafte Plasmaeigenschaften. So wird die spezifische Enthalpie des Plasmas und die damit verbundene Enthalpieflussdichte des Plasmas erhöht. Damit verbunden wird die Plasmatemperatur des Plasmas und des Plasmastrahls erhöht. Daraus ergeben sich gegenüber den Laser-Plasma-Hybridschweißverfahren des Stands der Technil< Vorteile hinsichtlich einer gesteigerten Schweißgeschwindigkeit und niedrigeren Schweiß- nahtkosten. Mit dem erfindungsgemäßen Laser-Plasma-Hybridschweißverfahren wird somit ein elel<trodenloses Laser-Plasma-Hybridschweißverfahren angegeben, dass erhebliche be- triebswirtschaftliche und anwendungsbezogene Vorteile bei gleichzeitig großer Einsatzbreite des Schweißverfahrens bietet.

Außerdem werden die Eigenschaften des Plasmastrahls hinsichtlich eines verringerten Durchmessers sowie einer verringerten Strahlwinkeldivergenz verbessert. Darüber hinaus breitet sich der zylindersymmetrische Plasmastrahl in dem erfindungsgemäßen Verfahren parallel aus.

Die tangentiale Einspeisung des Prozessgases in das mil<rowellentransparente Rohr be- wirl<t, dass sich in dem Rohr eine in Richtung der Gasaustrittsöffnung des Rohrs gerichtet axiale Strömungskomponente ausbildet. Dies wirkt unterstützend bei der erfindungsgemä- ßen Erzeugung eines Plasmastrahls mit geringer Strahlwinkeldivergenz. Aufgrund der durch die tangentiale Einspeisung des Prozessgases verursachten Radialbeschleunigung, die durch die Querschnittsverengung der Düse in Richtung des Düsenaustritts weiter verstärl<t wird, bewegen sich die ungleichförmig beschleunigten freien Ladungsträger in Richtung des Düsenaustritts auf immer engeren Spiralbahnen, wodurch die Zentripetalbeschleunigung der Ladungsträger zunimmt. Diese Bewegung wird von den Ladungsträgern auch nach Aus- tritt aus der Düse in den Arbeitsraum beibehalten. Da aufgrund der unterschiedlichen lo- nen-und Elektronenbeweglichkeit lol<al keine Ladungsneutralität, vorliegt, wird im Plas- mastrahl ein axial orientiertes Magnetfeld induziert, welches zu einer Strömungseinschnü- rung des Plasmastrahl nach Austritt aus der Düse führt (z-Pinch). Es handelt sich hierbei um den Magneto-Hydrodynamischen Effekt (MHD-Effekt).

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Plasmastrahl mittels kostengünstiger und robuster Hochfrequenzsysteme, z. B. Magnetron oder Klystron erzeugt werden kann. Mit diesen Hochfrequenzsystemen sind vorteilhaft Mikrowellenquellen im erforderlichen Leistungsbereich bis 100 I<W und Frequenzbereich von 0,95 GHz bis 35 GHz zugänglich. Insbesondere können Mikrowellen der Frequenz 2,46 GHz verwendet werden, da es sich hierbei um kostengünstige und in der Industrie und Haushaltsanwendungen weit verbreitete Mikrowellenquellen handelt.

Aufgrund der elektrodenlosen Plasmaerzeugung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Einschränkung hinsichtlich der einsetzbaren Prozessgase vorhanden. Mit dem erfin- dungsgemäßen Verfahren wird somit das Problem des Standes der Technik gelöst, dass es bei elektrodeninduzierten Plasmen zu Real<tionen der eingesetzten Prozessgase mit den Elel<trodenwerl<stoffen kommt, z. B. zur Bildung von Wolframoxid oder Wolframnitrid bei Wolframelektroden oder zur Wasserstoffversprödung. Es ist somit möglich, dass durch ge- eignete Wahl prozesstauglicher Gase oder Gasmischungen die spezifische Enthalpie des Plasmas in Verbindung mit einer verbesserten Wärmeleitung zwischen Plasma und Werk- stücl< zu vergrößern.

Außerdem wird, aufgrund des elel<trodenlosen Laser-Plasma-Hybridschweißens der Eintrag von unerwünschtem Elel<trodenmaterial in das Schweißgut verhindert. Des weiteren ist ein störungsfreier, mannloser und automatisierter Schweißprozess ohne ständiges Auswech- seln von Verschleißteilen möglich.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Laser-Plasma-Hybridschweißverfahrens ist, dass die Wärmeeinflusszone des Plasmastrahls auf dem Werkstücl< wesentlich reduziert wird, was einen geringeren Wärmeeintrag, einen reduzierten Werkstückverzug und eine Ver- ringerung der Werkstoffschädigung zur Folge hat. Außerdem wird mittels des erfindungs- gemäßen Laser-Plasma-Hybridschweißverfahrens ein fehlerarmes Schweißen hinsichtlich geringerer Randkerben und geringer Porosität der Schweißnaht ermöglicht.

Um einen sicheren Betrieb, sowie eine sichere Zündung der für das erfindungsgemäße Ver- fahren benötigten Plasmen zu gewährleisten, wird in einer vorteilhaften Ausführung der Er- findung der für die Führung der Mikrowellen vorhandene Hohlleiter im Querschnitt verengt.

Dabei wird der Hohlleiter bevorzugt an der Stelle verengt, an der das mikrowellentranspa- rente Rohr durch den Hohlleiter geführt wird. Der Hohlleiter und das Rohr sind dabei in ei- ner zweckmäßigen Ausführung der Erfindung senl<recht zueinander ausgerichtet. Der Vorteil ist eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke am Ort der Querschnittsverengung. Dadurch werden zum einen die Zündeigenschaften des Prozessgases verbessert und zum anderen die Leistungsdichte des Plasmas erhöht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es auch möglich, dass zur Zün- dung des Plasmas eine Funkenstrecke eingesetzt wird.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine erste Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittdarstellung, wobei der Laserstrahl durch das mil<rowellentransparente Rohr verläuft, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittdarstellung, wobei der Laserstrahl außerhalb des mikrowellentransparen- ten Rohrs verläuft, Fig. 1 zeigt in Schnittdarstellung eine erste Ausführungsform zur Durchführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser Ausführungsform verläuft der Laserstrahl 10 durch das mil<rowellentransparente Rohr 2. Die Darstellung zeigt ein mikrowellentransparentes Rohr 2, welches senkrecht durch einen Hohlleiter 3 geführt ist, der die von einer nicht dar- gestellten Mil<rowellenquelle erzeugten Mil<rowellen transportiert. Hierbei können als Hohl- leiter 3 handelsübliche Wellenleiter verwendet werden. Es ist aber auch möglich, Hohlleiter zu verwenden, die eine Querschnittsverengung in dem Bereich aufweisen, in dem das mik- rowellentransparente Rohr 2 durch den Hohlleiter 3 verläuft.

Das mikrowellentransparente Rohr 2 weist eine Gaseintrittsöffnung 14 für das Prozessgas und eine Gasaustrittsöffnung 15 für das Plasma 12 auf. Im Bereich 9, in dem das mil<ro- wellentransparente Rohr 2 durch den Hohlleiter 3 verläuft wird, das Plasma 12 durch Mik- rowellenabsorption erzeugt.

Das mikrowellentransparente Rohr 2 ist an der Gaseintrittsöffnung 14 mit einer Gaszufüh- rungseinheit 8 und an der Gasaustrittsöffnung 15 mit einer metallischen Düse 1, durch die das Plasma 12 als Plasmastrahl 11 in den Arbeitsraum 16 strömt, verbunden. Vorteilhaft kann die metallische Düse 1 auch als Expansionsdüse ausgebildet sein. Hieraus ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich einer geringen Strahidivergenz des Plasmastrahls 11.

In der Gaszuführungseinheit 8 ist ein Gaseinlauf 4 vorhanden, durch den das Prozessgas in das mikrowellentransparente Rohr 2 eingespeist wird. Die Einspeisung erfolgt dabei derart, dass das einströmende Prozessgas eine tangentiale und eine in Richtung der Gasaustritts- öffnung 14 gerichtete axiale Strömungskomponente aufweist. Insbesondere wird das Pro- zessgas innerhalb des mikrowellentransparenten Rohrs 2 auf spiralförmigen Bahnen geführt (nicht dargestellt). Dadurch kommt es zu einer starken Zentripetalbeschleunigung des Ga- ses in Richtung der Innenoberfläche des mikrowellentransparenten Rohrs 2 und zur. Ausbil- dung eines Unterdrucks auf der Rohrachse. Dieser Unterdrucl< erleichtert außerdem auch die Zündung des Plasmas 12.

Der Laserstrahl 10 wird in einer nicht dargestellten Laserquelle erzeugt und mittels eines Lichtleiters 7 einer Optil< 6 zugeführt. Die Optil< 6 ist dabei vor einem im Boden der Gaszu- führungseinheit 8 ausgeführten Fenster 5 angeordnet und koppelt den Laserstrahl 10 in das mil<rowellentransparente Rohr 2 ein. Der Laserstrahl 10 verläuft im Rohr 2 parallel zum Plasma 12 und tritt durch die Düse 1 mit dem Plasmastrahl 11 in den Arbeitsraum 16 aus.

Das Plasma 12 kann mittels einer nicht eingezeichneten Funl<enstrecl<e, z. B. eine Bogen- entladung oder ein Zündfunke gezündet werden. Bei optimaler Abstimmung des Hohlleiter- systems, d. h. maximale Feldstärke der Mikrowelle am Ort der Rohrachse ist auch eine selbstständige Plasmazündung möglich.

Fig. 2 zeigt in Schnittdarstellung eine zweite Ausführungsform zur Durchführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser Ausführungsform verläuft der Laserstrahl 10 außer- halb des mikrowellentransparenten Rohrs 2. Der Laserstrahl 10 und der Plasmastrahl 11 sind dabei unter einem Winkel derart zueinander angeordnet, dass sie in Ausbreitungsrich- tung des Plasmastrahls hinter der Düse 1 zusammengeführt werden. Der Plasmastrahl 11 und der Laserstrahl 10 werden wie in Fig. 1 beschrieben erzeugt.