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Title:
LASER WELDING AT REDUCED AMBIENT PRESSURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/011480
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for laser welding at a low pressure of between 0,1 and 500 mbar in a welding chamber, wherein a gas mixture of at least two different gases is used as the process gas and the process gas is guided from the outside into the welding chamber and differs from the ambient air.

Inventors:
SCHOLZ, Jürgen (Murnauer Straße 260, München, 81379, DE)
Application Number:
EP2018/025193
Publication Date:
January 17, 2019
Filing Date:
July 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
LINDE AKTIENGESELLSCHAFT (Klosterhofstr. 1, München, 80331, DE)
International Classes:
B23K26/12
Foreign References:
DE102015206237A12016-10-13
DE102016209868A12016-12-08
DE102007035394A12009-01-29
DE102015206237A12016-10-13
DE102007035394A12009-01-29
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zum Laserschweißen bei einem Unterdruck zwischen 0,1 und 500 mbar in einer Schweißkammer, wobei ein Gasgemisch aus wenigstens zwei

unterschiedlichen Gasen als Prozessgas verwendet wird, wobei das Prozessgas von außen in die Schweißkammer zugeführt wird und sich von Umgebungsluft unterscheidet.

2. Verfahren zum Laserschweißen nach Anspruch 1 , wobei jeweils ein Gas mit

mindestens 2 % im Gasgemisch vertreten ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gase des

Gasgemischs aus den Gasen Argon, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Wasserstoff ausgewählt werden. 4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Trägergas(e) des Prozessgases Helium und/oder Argon verwendet wird/werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei als Beimischung des Prozessgases Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Wasserstoff verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gasgemisch ein Zweistoffgemisch ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Anteil eines Gases im Bereich von 2-50%, bevorzugt im Bereich von 10-40%, liegt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Laserschweißen mit Lasern einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 bis 6 μηι, bevorzugt 1 bis 5 μηι erfolgt.

Description:
Beschreibung

Laserschweißen bei reduziertem Umqebunqsdruck

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen bei reduziertem

Umgebungsdruck.

Stand der Technik

Innerhalb der letzten Dekaden ist die Lasertechnologie zu einem in vielen

Fertigungsbereichen eingesetzten Stand der Technik gereift. Laserschweißen wird dabei in sehr unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt, von der Mikroelektronik bis hin zum Schiffbau. Aus dem Stand der Technik sind Laserschweißverfahren bei Umgebungsdruck bekannt, bei denen eine Laserstrahlung mit einer Optik fokussiert wird. Der Laserstrahl wird dabei im Wesentlichen auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Jedoch kann auch eine nicht exakt auf die Werkstückoberfläche fokussierte Laserstrahlung oder Fokussierung auf zwei oder mehr Foki angewandt werden. Eine Werkstückoberfläche einer Stoßkante, also der Fügestoß der zu verschweißenden Bauteile, befindet sich in der unmittelbaren Nähe des Fokus der Optik. Durch

Absorption der Laserleistung erfolgt auf der Werkstückoberfläche ein Anstieg der Temperatur über die Schmelztemperatur des Metalls hinaus, so dass sich eine

Schmelze bildet. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht wird diese je nach Werkstoff sehr hart.

Um den Vorgang des Laserschweißens zu unterstützen, wird ein Prozessgas durch eine Düse auf die Schweißstelle geleitet. Das Prozessgas bietet Schutz des erhitzten und geschmolzenen Werkstoffes gegenüber der Umgebungsatmosphäre und hat Einfluss auf die Schweißgeschwindigkeit und die mechanisch-technologischen

Eigenschaften der Naht. Als weitere Aufgaben sind der Schutz der Fokussieroptiken vor Dämpfen und Schweißspritzern sowie die Kontrolle einer etwaigen Plasmawolke zu nennen. Beim Laserschweißen mit Prozessgas wird ein fokussierter Laserstrahl eingesetzt und ein den Laserstrahl umhüllender Prozessgasstrom wird gegen die Werkstückoberfläche geleitet. Das Prozessgas wechselwirkt mit dem Schmelzbad. Beim Laser-Tiefschweißen bildet sich dabei eine Dampfkapillare, ein sog. Keyhole aus, in welches das Prozessgas eindringt und an dessen Entstehung und Ausgestaltung das Prozessgas wesentlich beteiligt ist.

Zur Lasermaterialbearbeitung werden bevorzugt C0 2 - oder Neodym :Yag-Laser sowie Dioden-, Faser- oder Scheibenlaser eingesetzt. Laser, insbesondere Faserlaser, mit einer Wellenlänge zwischen 1 -5 μηι sind besonders bevorzugt.

Die Atmosphäre am Schmelzbad hat entscheidenden Einfluss auf das

Schweißergebnis und ist nutzbar, um die Nahteigenschaften zu beeinflussen. Das chemische Verhalten und die physikalischen Eigenschaften von Gasen sind ebenso verschieden wie ihre Eignung als Prozessgas für unterschiedliche Schweißaufgaben. Dabei sind zwei entscheidende Kriterien zu berücksichtigen: Der Einfluss auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Werkstoffs und die Schutz- bzw. Abdeckwirkung.

In vielen Fällen soll eine Reaktion von Gasen mit dem Werkstoff durch den Einsatz inerter Gase ausgeschlossen werden. Ar und He sind inert und reagieren nicht mit geschmolzenem Material. Kohlendioxid und Stickstoff beispielsweise sind aktive Gase und können im Schweißbereich Oxide, Karbide und Nitride mit dem Werkstoff bilden oder Poren verursachen. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften des

Werkstoffs werden dadurch verändert, sodass N2 und C02 bei vielen Anwendungen als reine Prozessgase ungeeignet sind.

Es gibt aber auch Schweißaufgaben, bei denen reaktive Gase positiven Einfluss auf die metallurgischen Eigenschaften der Schweißnaht nehmen. Beispielsweise zur

Aufnitrierung bei der Verwendung von N2 oder Erhöhung des Kohlenstoffanteils bei der Verwendung von C02. Auch andere molekulare Gase, wie Sauerstoff und Wasserstoff finden ihren Einsatz in Prozessgasgemischen zum Laserschweißen, indem sie beispielsweise die Oberflächenspannung verändern, die Einkopplung der

Laserstrahlung beeinflussen oder reduzierende Wirkung entfalten. Auch der

Energieübertrag im Schweißprozess durch Dissoziation und anschließende

Rekombination kann zur Prozessoptimierung beitragen.

Für einen effektiven Schutz des Schweißbereichs ist die Dichte des Prozessgases wichtig. He z.B. steigt in normaler Atmosphäre nach Austritt aus der Prozessgasdüse auf. Ein gerichteter He-Fluss hoher Geschwindigkeit (kleine Düse, großer Druck) oder große He-Menge (große Düse, kleiner Druck) ist dann für einen effektiven Schutz nötig. Allerdings birgt eine hohe Strömungsgeschwindigkeit die Gefahr der

Verwirbelung mit Luft bzw. einer negativen Beeinflussung der Schmelze. Ar auf der anderen Seite weist eine relativ hohe Dichte auf und ist sehr gut geeignet, die Luft aus dem Nahtbereich (Wannenlage) zu verdrängen. He-Ar-Gemische verbinden die Vorteile beider Gase, die höhere Dichte von Ar und das höhere lonisierungspotenzial von He. Sie sind damit zum Schutz der Schweißnaht beim Schweißen mit

entsprechend hoher Intensität, die zur Bildung einer Plasmawolke führen würde, besonders geeignet.

Weiterhin ist in letzter Zeit das Laserschweißen im Unterdruck unter 1 bar entwickelt worden. Ab 2009 wurde das Laserstrahlschweißen im Grob- und Feinvakuum mit modernen Festkörper-Laserstrahlquellen als Alternative zum

Elektronenstrahlschweißen im Vakuum zu einem einsatzfähigen Fügeverfahren für breite Anwendungsbereiche - vom Mikroschweißen mit höchster Nahtqualität und erhöhten Anforderungen an Hochvakuumdichtheit über Schweißnähte an

hochbelasteten Getriebebauteilen bis hin zum Schweißen an dicken Blechen - entwickelt. Der Druckbereich ist dabei bevorzugt im Bereich 0,1 bis 100 mbar. Das Vakuum wird bevorzugt durch eine Drehschieberpumpe, eine Membranpumpe, eine Scrollpumpe oder eine Wasserstrahlpumpe erzeugt. Für niedrigere Drücke kann auch eine Öldiffusionspumpe dahintergeschaltet werden, was jedoch aufgrund der längeren Inbetriebnahmedauer eher unüblich ist. Bei genügend hoher Intensität bildet sich durch den Dampfdruck eine Kapillare in die Tiefe des Werkstücks aus, welche die

Einschweißtiefe und den Wirkungsgrad des Fügeverfahrens deutlich steigert.

Laserschweißen im Unterdruck zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus: Bei gleicher Laserleistung wird die erzielbare Schweißtiefe gegenüber dem Schweißen bei normalem Umgebungsdruck ungefähr verdoppelt. Außerdem wird die Nahtform deutlich parallelflankiger. Durch den Unterdruck erübrigt sich die Verwendung von Prozessgas und die Schmelze kann besser entgasen. Hierdurch wird die

Porenhäufigkeit reduziert. Alle Einflüsse begünstigen somit eine Verbesserung der Qualität der Schweißnaht. Es zeigte sich, dass durch eine Reduzierung des

Arbeitsdrucks auf einen Bereich von 50 bis 10 ~1 mbar der Laserstrahlschweißprozess deutlich an Stabilität sowie Einschweißtiefe gewinnt und die Spritzerneigung deutlich abnimmt. Die deutlich sichtbare Verringerung der leuchtenden Metalldampffackel mit sinkendem Arbeitsdruck ist das augenfälligste Merkmal des Laserstrahlschweißens im Vakuum; dies alleine kann aber nicht die signifikante Steigerung der Einschweißtiefe erklären.

Die Haupteffekte des verringerten Arbeitsdrucks im Laserstrahlschweißprozess liegen in der Verringerung der Siedetemperatur bei gleichzeitig annähernder

Druckunabhängigkeit der Schmelztemperatur der gängigen Konstruktionswerkstoffe. Die signifikante Verringerung der Siedetemperatur bewirkt eine deutliche Verringerung der notwendigen Energieeinbringung zur Ausbildung und Aufrechterhaltung einer Dampfkapillare. So kann mehr Energie in Einschweißtiefe überführt werden.

Zusammen mit der weitgehenden Druckunabhängigkeit der Schmelztemperatur verkleinert sich das Temperaturintervall im Schmelzmantel um die Dampfkapillare. Die Dicke des Schmelzmantels muss sich durch die geringeren Temperaturen an der Grenzfläche Metalldampf/Schmelzbad in Vakuum geringer ausbilden. Dies erklärt die gesteigerte Stabilität des gesamten Schweißprozesses.

Jedoch verbleibt auch beim Laserschweißen mit Lasern der Wellenlänge im Bereich von 0,1 -6 μηι im Grobvakuum noch ein Rest Luft. Dieser wirkt auch im Vakuum als Prozessgas. Es besteht zwar keine Gasströmung, aber es findet eine Interaktion zwischen der Restatmosphäre und dem aufgeschmolzenen Material statt.

DE 10 2015 206237 A1 offenbart ein Laserschweißverfahren im Unterdruck, wobei während der Laserbearbeitung weiter das Vakuum gepumpt wird, um so einen Umgebungsluftstrom über dem Laserauftreffpunkt am Werkzeug einzurichten.

DE 10 2007 035 394 A1 offenbart ein Laserschweißverfahren bei Umgebungsdruck, bei dem ein Laserstrahl und ein Prozessgas an die Bearbeitungsstelle geleitet wird. Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Laserschweißen im Unterdruck zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Laserschweißen nach dem unabhängigen Anspruch 1 vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen

Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Laserschweißen bei einem Unterdruck zwischen 0,1 und 500 mbar in einer Schweißkammer vorgeschlagen, wobei ein Gasgemisch aus wenigstens zwei unterschiedlichen Gasen als Prozessgas verwendet wird. Das Prozessgas wird dabei von außen in die Schweißkammer zugeführt und weicht von der normalen Luftzusammensetzung ab. Dabei besteht die Möglichkeit, dass zuerst unter Atmosphärendruck das Prozessgas eingeleitet wird, während Umgebungsluft ausgeleitet wird, und dann im nachfolgenden Schritt der Unterdruck erzeugt wird. Eine weitere Möglichkeit ist, dass bei laufender Vakuumpumpe das Prozessgas zugeführt wird. Eine weitere Möglichkeit ist, dass zuerst der Unterdruck erzeugt wird, dann das Prozessgas zugeführt wird und dann erneut Unterdruck erzeugt wird. Auch eine Kombination dieser Möglichkeiten kann zweckmäßig sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet die Vorteile des Laserschweißens bei Umgebungsdruck, bei dem verschiedene Gemische als Prozessgase verwendet werden, mit den Vorteilen des Laserschweißens bei einem Unterdruck. Durch die Verwendung von Gasgemischen beim Laserschweißen im Unterdruck zwischen 0,1 und 500 mbar können folgende zusätzliche Effekte erzielt werden:

- Beeinflussung der Wärmeableitung aus der Schmelze bzw. dem Bauteil

- Einflussnahme auf die Viskosität der Schmelze

- Vermeidung und Verminderung von Oxidation

- Einflussnahme auf die Metallurgie der Schmelze (z.B. Vermeidung von Entstickung)

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist jeweils ein Gas mit mindestens 2% im Gasgemisch vertreten, bevorzugt mit mindestens 4%, besonders bevorzugt mit mindestens 5%. Da bei einem Unterdruck/Vakuum im Bereich von 0,1 bis 500 mbar die Anzahl an Gasmolekülen im Bereich der Schweißzone deutlich geringer ist als bei Atmosphärendruck, kann/muss je nach gewünschtem Ergebnis die

Beimischkomponente mit einem höheren Anteil im Gasgemisch vorliegen, als dies häufig bei Schweißschutzgasen der Fall ist. Da bereits beim Laserschweißen unter Umgebungsdruck Beimengungen unter 1 -2% in der Regel wenig Effekt zeigen, sollte diese Grenze bei Unterdruck zu höheren Werten verschoben werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Gase des Gasgemisches aus den Gasen Argon, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Wasserstoff ausgewählt. Hierbei sei auf die im einleitenden Teil genannten Zusammensetzungen und Eigenschaften der Prozessgase bei Laserschweißverfahren bei Umgebungsdruck verwiesen. Zweistoffgemische und Dreistoffgemische wie eine Mischung aus Helium und Argon, eine Mischung aus Helium, Argon und Stickstoff, eine Mischung aus Helium, Argon und Sauerstoff, eine Mischung aus Helium, Argon und Kohlendioxid und eine Mischung aus Helium, Argon und Wasserstoff sind besonders gut geeignet.

Trägergase sind in der Regel Argon und/oder Helium. Beimischungen sind Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und/oder Wasserstoff. Mit Sauerstoff kann die Viskosität der Schmelze verändert werden. Mit Stickstoff kann aufnitriert werden, wobei

Stickstoffgemische bevorzugt ohne Sauerstoffbeimengungen verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegt der Anteil eines Gases im Bereich von 2-50%, bevorzugt im Bereich von 10-40%. Dies ist insbesondere bei Zwei-Gas- Gemischen vorteilhaft, da beide Gase auf diese Weise ihre Wirkung voll entfalten können. Bei Mehrstoffgemischen ist jede beliebige Zusammensetzung denkbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Laserschweißen bei Lasern einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 bis 6 μηι. Vorzugsweise werden für das Verfahren Faser- oder Scheibenlaser verwendet. Es sind aber auch Diodenlaser oder CO-Laser denkbar.

Bevorzugt wird das Prozessgas mittels einer Düse zugeführt, die auf die Schweißstelle gerichtet ist. So kann vorteilhaft ein Gasstrom über der Schweißstelle erzeugt werden, wodurch Rauch von der Schweißstelle wegtransportiert wird. Alternativ und/oder zusätzlich kann durch Weiterlaufenlassen der Vakuumpumpe ein Gasstrom über der Schweißstelle erzeugt werden. Vorteilhaft werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Stähle, Aluminium und Buntmetalle geschweißt, was aber nicht beschränkend auszulegen ist. So ist auch jedes andere schweißbare Material denkbar. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der

Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu

erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens

Ausführliche Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt einen Laserschweiß-Aufbau 1 für ein Laserschweißverfahren. Er umfasst eine Fokussieroptik 2, mittels der ein Laserstrahl 3 auf einem Werkstück 4 fokussiert wird. Die Optik 2 ist durch eine Schutzdüse 7 vor Schweißspritzern geschützt. Das Material des Werkstückes 4 schmilzt auf und bildet eine Schmelze 5 aus

geschmolzenem Werkstoff aus. Mittels einer Düse 6 wird Prozessgas auf die

Schweißstelle geleitet. Der gesamte Aufbau befindet sich in einer Vakuumkammer bzw. Schweißkammer (nicht gezeigt). Das Vakuum in der Kammer wird durch eine Vakuumpumpe erzeugt. Für ein Grobvakuum zwischen 1 und 100 mbar eignen sich insbesondere Drehschieberpumpen, Membranpumpen und Scrollpumpen. Aber auch Wasserstrahlpumpen können zum Einsatz kommen. Während des

Laserschweißverfahrens bleiben die Pumpen in Betrieb, so dass das Einleiten von Prozessgas nicht zu einem unerwünschten Druckanstieg führt. Durch entsprechende Vakuum-geeignete Ventile, wie sie beispielsweise aus der Ultrahochvakuumtechnik für eine Oberflächenpräparation bekannt sind, kann ein konstanter Prozessgasstrom eingestellt werden, so dass der Druck innerhalb der Kammer auf einen konstanten Wert eingestellt werden kann. So ist denkbar, dass zunächst ein Grobvakuum von 1 mbar erzeugt wird und dann ein Prozessgasventil so weit bei laufenden

Vakuumpumpen geöffnet wird, dass ein Druckmesser einen Druck von 10 mbar anzeigt. Der Laserstrahl entspringt bevorzugt einer Festkörper-Laserstrahlquelle oder einem Faserlaser. Als Düse sind alle bekannten Arten von vakuum-geeigneten Düsen denkbar. Die Düse kann koaxial zum Laserstrahl verlaufen oder seitlich von dem Laserstrahl auf die Schweißstelle gerichtet sein. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Düse direkt auf die Schweißstelle gerichtet ist. So kann durch die Düse auch ein Prozessgasstrom senkrecht zur Schweißoberfläche erzeugt werden.