Aus US 4,914,268 ist ein Schweißverfahren bekannt, bei dem mindestens zwei verschiedene Elektronen-oder Laserstrahlen auf ein zu schweißendes Werkstück ge- richtet werden, wobei insbesondere großformatige Tei- le miteinander verbunden werden sollen. Die zwei bis drei verschiedenen Strahlen sollen, nach der dort be- schriebenen Lehre, verschiedene Aufgaben erfüllen. So ist ein erster Strahl zur Herstellung der eigentli- chen Schweißverbindung vorgesehen und mit einem zwei- ten Strahl soll dann eine Glättung der sich an der Oberfläche ausgebildeten Schweißnaht erfolgen und ein dritter Strahl soll die durch den Wärmeeintrag her- vorgerufene Gefügeveränderung durch eine Rekristalli- sation zumindest teilweise rückgängig machen, um un- erwünschte Spannungszustände im Nahtbereich zu ver- meiden.

Durch den relativ hoch konzentrierten Energieeintrag, der insbesondere beim Tiefschweißen erforderlich ist, gibt es Probleme dadurch, daß sich im stark aufge- heizten Bereich, bis relativ weit in das Werkstück hineinragend, eine Dampfkapillare ausbildet, in der das durch die Erhitzung entstandene Plasma und demzu- folge auch gasförmige Komponenten unter erhöhtem Druck stehen, wobei diese am Entweichen aus dem ei- gentlichen Werkstück dadurch gehindert werden, daß infolge des hohen Energieeintrages in das Werkstück

in bezug zu dem Energieeintrag an der Werkstückober- fläche eine relativ kleine Öffnung für die Dampfka- pillare gebildet wird und es demzufolge im Inneren des Werkstückes zu Problemen und zu einem unkontrol- lierten Spritzen aus der Dampfkapillare kommen kann.

Ein weiterer Nachteil sind die durch die großen Tem- peraturgradienten hervorgerufenen Spannungen, die auch nach dem Schweißen im Werkstoff und dabei ins- besondere im Nahtbereich verbleiben. Bedingt durch den Spannungsgradienten und in Abhängigkeit von werk- stoffspezifischen Eigenschaften kann es während der Erstarrung bzw. Abkühlung zur Ausbildung von Schweiß- nahtimperfektion, insbesondere der Ausbildung von Heiß-und/oder Kaltrissen kommen. Zur Verminderung solcher Wärmespannungen ist es üblich, eine entspre- chende Temperaturbehandlung durchzuführen, bei der das gesamte Werkstück unter ganz bestimmten, werkstoffspezifischen Temperaturbedingungen erwärmt und wieder abgekühlt wird. Hierfür ist jedoch, wie für eine ebenfalls zur Vermeidung von Wärmespannungen bekannte Vorwärmung des zu schweißenden Werkstückes ein erhöhter Zeit-und insbesondere ein erhöhter Energieaufwand erforderlich, der sich negativ auf die Effektivität und die Kosten niederschlägt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzugeben, mit dem verschiedenste Werkstücke mittels Laserstrahlung, insbesondere tief geschweißt werden können und dabei ein verminderter Arbeitsaufwand, bei gleichzeitig guter Qualität der hergestellten Schweißverbindung erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 für das Verfahren und mit den

Merkmalen der Ansprüche 12 und 13 für eine dazu zu verwendende Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausge- staltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Nutzung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird dann so gear- beitet, daß mit mindestens einem Laserstrahl durch geeignete Strahlformung zwei Bereiche verschiedener Intensität gleichzeitig bestrahlt werden, wobei ein kleiner Bereich mit einer großen Intensität bestrahlt wird und der Laserstrahl so geformt wird, daß sich die maximale Strahlintensität im Werkstück und nicht an dessen Oberfläche auswirkt und ein größerer Be- reich mit einer kleineren Intensität auf der Werk- stückoberfläche bestrahlt wird. Durch die Bestrahlung mit der großen Intensität bildet sich im Werkstück eine Dampfkapillare, deren Öffnung kelchförmig in der Werkstückoberfläche durch die zweite Bestrahlung mit geringerer Intensität erweitert wird. Der größere Bereich, der mit der kleineren Intensität bestrahlt wird, führt weiterhin vorteilhaft dazu, daß sich die Temperaturgradienten verkleinern und die Abkühlge- schwindigkeit der Schmelze verringert wird, so daß die Wärmespannungen und deren Gradienten im Schweiß- bereich stark verkleinert werden können und eine thermische Vor-oder Nachbehandlung entfallen kann.

Durch die kelchförmige Öffnung der Dampfkapillare in Richtung zur Werkstückoberfläche können gasförmige Komponenten, die aus diesem Bereich entweichen wol- len, ungehindert austreten und es kommt zu keinen Stauungen und Spritzern. Außerdem werden dadurch Werkstofftrennungen im Nahtbereich vermieden, die durch in die erstarrende Schmelze oder eingeschlosse-

ne Gasblasen ansonsten auftreten können. Die kelch- förmige Öffnung der Dampfkapillare und die sich dar- aus ergebende Form des die Kapillare umgebenden Schmelzbades können zu einer Vermeidung von ProzeBin- stabilitäten beim Tiefschweißen mit hohen Schweißge- schwindigkeiten (Humping-Effekt) führen.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten. Dabei kann einmal ein Laserstrahl einer Laserstrahlquelle in zwei verschiedene Teilstrahlen aufgeteilt werden. Die beiden Teilstrahlen können dann unterschiedlich ge- formt und aufgeweitet werden und treffen dann in überlagerter Form auf das Werkstück auf.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, mindestens zwei Laserstrahlquellen zu verwenden, deren jeweilige Laserstrahlen unterschiedlich fokussiert und mit un- terschiedlichen Intensitäten auf bzw. in dem Werk- stück wirken. Hierfür können bereits Laserstrahlquel- len mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen verwen- det werden, wobei die Laserstrahlquelle, die den La- serstrahl zur Ausbildung der Dampfkapillare auf das Werkzeug richtet, auch die höhere Ausgangsleistung hat. Es kann beispielsweise hierfür ein CO2-Laser oder ein NdYAG-Laser verwendet werden, dessen Strahl mit einer Strahlformungseinheit so fokussiert wird, daß sich das Intensitätsmaximum im Werkstück ergibt.

Der zweite Laser kann ein Hochleistungsdiodenlaser sein, der eine Ausgangsleistung von ca. 1 kW oder darüber haben kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhaft so gearbeitet werden, daß werkstoffspezifisch oder während des eigentlichen Schweißens die Lage des Be-

reiches, der mit der größeren Intensität beaufschlagt wird, in bezug zu dem anderen Bereich, der mit der geringeren Intensität bestrahlt wird, variiert werden kann. So kann die Dampfkapillare beispielsweise in einem außermittig angeordneten Bereich, innerhalb des diesen Bereich umgebenden Bereiches, der mit der ge- ringeren Intensität bestrahlt wird, ausgebildet wer- den, wenn der hierfür verwendete Laserstrahl entspre- chend ausgerichtet wird.

Günstig kann es außerdem sein, wenn die Flächengrö- ßenverhältnisse der beiden verschiedenen Bereiche, z. B. durch geänderte Strahlformung, beispielsweise unter Berücksichtigung des zu schweißenden Werkstof- fes, eingestellt werden können. Dies kann insbesonde- re vorteilhaft sein, wenn die verschiedenen Wärme- leitfähigkeiten der jeweiligen Werkstoffe der zu schweiBenden Werkstücke berücksichtigt werden.

Es kann aber auch die Intensität der Laserstrahlung durch Regelung oder Steuerung der Laserleistung ver- ändert werden. Dabei kann einmal die Veränderung un- ter Berücksichtigung des zu schweißenden Werkstoffes erfolgen und zum anderen besteht die Möglichkeit, die Laserleistung während des Schweißprozesses zu regeln.

Eine solche Regelung kann günstigerweise in Verbin- dung mit einer Temperaturmessung erfolgen, wobei gün- stigerweise die Temperaturverteilung zumindest im geschmolzenen Bereich gemessen wird. Die Temperatur- messung sollte berührungslos erfolgen, wobei mehrere örtlich voneinander getrennte einzelne Temperatursen- soren oder ein entsprechend ausgebildetes Array ver- wendet werden können. Zur Temperaturmessung können aber auch das bekannte Verfahren der Thermovision ausgenutzt werden. Die Regelung der Intensität, mit

der das Werkstück mit den verschiedenen Laserstrahlen oder Teilstrahlen bestrahlt wird, kann vorteilhaft für jeden einzelnen Strahl gesondert variiert werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Lage und/oder die Ausrichtung der einzelnen Laserstrahlen oder der Teilstrahlen eines Laserstrahles, durch Bewegung der Laserstrahl- quellen oder Spiegeln, zueinander verändert werden.

Beispielsweise der bzw. die Laserstrahlen, die den Bereich der geringeren Intensität bestrahlen sollen, geneigt auf die Werkstoffoberfläche gerichtet und eine von der Kreisform abweichende Fläche auf der Werkstückoberfläche bestrahlt wird, wobei eine ellip- senähnliche Fläche, deren längere Längsachse in Rich- tung der Schweißnaht zeigt, ausgebildet wird. Für be- stimmte Anordnungen kann es aber auch günstig sein, eine um 90 dazu gedrehte flächige Ausbildung zu er- halten, wobei so ein breiterer Randnahtbereich er- wärmt werden kann.

Die im Werkstück erreichbaren Temperaturen können aber auch durch Veränderung der jeweiligen Fokussie- rungen der einzelnen Laserstrahlen beeinflußt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform, eines Bei- spieles für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der zwei verschiedene Laserstrahlquellen verwendet werden, wobei es sich bei einer der Laserstrahlquel- len um herkömmliche C02-Laser oder NdYAG-Laser han- deln kann und die zweite Laserstrahlquelle ein Hoch- leistungsdiodenlaser ist, kann der Hochleistungsdio- denlaser in die Strahlformungseinheit der ersten La- serstrahlquelle integriert sein, was zur Verringerung

der erforderlichen Baugröße der Vorrichtung führt.

Eine weitere Möglichkeit einer für die Erfindung zu verwendenden Vorrichtung mit zwei Laserstrahlquellen besteht darin, daß die aus den einzelnen Emittern eines Diodenlasers austretenden Teilstrahlen in Lichtleitfasern eingekoppelt werden und über die Lichtleitfasern gezielt, örtlich verteilt auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet werden können.

Dies führt zu einer höheren Flexibilität bei der An- ordnung des Diodenlasers, da die z. Zt. erhältlichen Diodenlaser in einem stark begrenzten kleinen Abstand zum Werkstück angeordnet werden müssen und es bei kompliziert strukturierten Werkstücken dadurch zu Problemen kommen kann.

Zur Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Diodenla- ser und dem Werkstück, kann der aus dem Diodenlaser austretende Laserstrahl auch durch einen gegenüber herkömmlichen Lichtleitfasern relativ groß dimensio- nierten Lichtleiter, beispielsweise ein an der AuBen- fläche mit einer reflektierenden Beschichtung verse- hener zylinderförmiger Körper gerichtet werden, über den der Laserstrahl dann aber eine größere Entfernung und bevorzugt über eine weitere Linse auf die Werk- stückoberfläche gerichtet werden kann.

Mit der Erfindung können auch bereits vorhandene La- serstrahlschweißanlagen nachgerüstet werden, in dem im einfachsten Falle zusätzlich ein Hochleistungsdio- denlaser an eine solche Laserschweißanlage adaptiert wird.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie- ben werden.

Dabei zeigen : Figur 1 die Intensitätsverteilung der Laserstrah- lung, die mit der Erfindung erreicht werden kann ; Figur 2 den schematischen Aufbau, der beim herkömm- lichen Laserstrahlschweißen verwendet wird und zwei Ansichten, des damit beeinflußten Werkstückbereiches ; Figur 3 den schematischen Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Laserstrahlquellen und die entspre- chenden Ansichten nach Figur 2, die mit den veränderten Strahlungsintensitäten erreicht werden können und Figur 4 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor- richtung in zwei Ansichten.

In der Figur 1 ist diagrammartig die Intensitätsver- teilung der Laserstrahlung, wie sie mit der Erfindung erreicht werden kann, dargestellt. Es ist eindeutig erkennbar, daß ein kleiner stark konzentrierter Be- reich ausgehend vom Intensitätsplateau a eine starke Überhöhung b aufweist, mit der die im Werkstück ge- wünschte Ausbildung der Dampfkapillare erreicht wer- den kann und ein verbessertes Tiefschweißen möglich wird.

In der Figur 2 ist eine herkömmliche Anordnung als Prinzip wiedergegeben, dabei wird der Laserstrahl 1 einer einzigen Laserstrahlquelle über eine Strahlfor- mungseinheit 8 auf die Oberfläche eines Werkstückes gerichtet. In der Strahlformungseinheit 8 wird eine Fokussierung des Laserstrahles 1 erreicht.

Die in der Mitte der Figur 2 erkennbare Darstellung zeigt den Einflußbereich des Laserstrahles 1 auf der Oberfläche des Werkstückes mit dem Fokus 2 des Laser- strahles 1, der Dampfkapillare 3 und dem eiförmig- ovalen Schmelzbad 4, das um den Fokus 2 des Laser- strahles 1 ausgebildet wird.

In der unteren Darstellung der Figur 2 ist dann ein Schnitt durch das Werkstück erkennbar. Dabei weist die gebildete Dampfkapillare 3 eine in Richtung auf die Oberfläche des Werkstückes weisende Verengung auf und es ist weiter deutlich zu sehen, daß die Dampf- kapillare 3 vom Schmelzbad 4 auch im Inneren des Werkstückes umschlossen ist.

In der Figur 3 ist in der oberen Darstellung ein Bei- spiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch gezeigt.

Dabei wird ein Laserstrahl 1 einer herkömmlichen La- serstrahlquelle aber eine Strahlformungseinheit 8, wie sie beispielsweise auch nach dem Stand der Tech- nik verwendet werden kann, auch auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet.

An bzw. um die Strahlformungseinheit 8 ist ein Hoch- leistungsdiodenlaser angeordnet, dessen Laserstrahlen 5 den Laserstrahl 1 überlagern und mit dem ein wesentlich größerer flächiger Bereich auf der Ober- fläche des Werkstückes bestrahlt wird.

In der mittleren Darstellung, der Figur 3, ist wieder der bestrahlte Bereich der Werkstückoberfläche darge- stellt und sowohl der Fokus 2 des Laserstrahles 1 und der Fokus 6 des Laserstrahles 5 erkennbar. Der Fokus

2 des Laserstrahles 1 ist außermittig des Fokus 6 des Laserstrahles 5 ausgebildet, wobei er bevorzugt in Schweißrichtung, entsprechend dem dargestellten Pfeil verschoben ist. In dieser Darstellung ist auBerdem deutlich erkennbar, daß ein wesentlich größerer Be- reich 4 geschmolzen ist und auch die Öffnung der Dampfkapillare 7 an der Oberfläche des Werkstückes wesentlich größer ist. Dieser Sachverhalt wird in der unteren Darstellung der Figur 3 nochmals deutlicher, wobei hier zusätzlich die kelchartige Erweiterung in Richtung zur Oberfläche des Werkstückes der Öffnung der Dampfkapillare 7 eindeutig zu erkennen ist.

Die Form des Fokus 6 des Laserstrahles 5, wird durch eine in bezug zur Werkstoffoberfläche geneigte Strahlrichtung des Laserstrahles 5 erhalten. In den größeren Einflußbereich, entgegengesetzt zur Schweiß- richtung, kann das Schmelzbad zumindest im oberflä- chennahen Bereich erwärmt gehalten werden und dadurch die Erstarrungsgeschwindigkeit durch Verringerung der Abkühlgeschwindigkeit verlangsamt werden.

In der Figur 4 ist ein weiteres Beispiel einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Dabei wird ein herkömmlicher Laser, dessen Laserstrahl 1 über eine bereits erwähnte Strahlformungseinheit 8 und zwei Spiegel 10 und 12 auf den Bearbeitungsort 11 des Werkstückes 13 gerichtet.

Zusätzlich wird ein Hochleistungsdiodenlaser 15 mit einer entsprechenden Optik 9 zur Strahlformung ver- wendet, dessen Laserstrahl 5 den Laserstrahl 1 über- lagert.

In der Figur 4 ist mit jeweils zwei Doppelpfeilen

deutlich gemacht, daß der Spiegel 10, der für den Fall, daB er für den Laserstrahl 1 reflektierend und für den Laserstrahl 5 durchlässig ist, direkt im Strahlengang des Laserstrahls 5 angeordnet werden kann, zumindestens um eine Achse drehbar ist. Beim Verschwenken des Spiegels 10 kann der Auftreffort des Laserstrahles 1 auf der Oberfläche des Werkstückes 13 und auch die Größe des Fokus 2 verändert werden.

Wird ein für ein für den Laserstrahl 5 undurchlässi- ger Spiegel 10 verwendet, so muß der Laserstrahl 5 in einem Winkel geneigt auf die Oberfläche des Werk- stückes 13 gerichtet werden, dabei muß ein Winkel eingehalten werden, der sichert, daß der Laserstrahl 5 ungehindert vom Spiegel 10 auf die Oberfläche des Werkstückes 13 auftreffen kann.