Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken, wo bei ein Laserstrahl mit seiner Strahlrichtung auf eine Oberfläche im Kontaktbe reich der miteinander zu verbindenden Werkstücke während einer Relativbewe gung von Laserstrahl im Verhältnis zu den Werkstücken gerichtet wird.

Stand der Technik

Beim Laserschweißen werden mittels eines von einer Laserquelle emittierten La serstrahls metallische Werkstücke bzw. Bauteile miteinander verbunden. Dabei wird während des Schweißvorgangs der Laserstrahl relativ zu den miteinander zu verbindenden bzw. verschweißenden Werkstücken bewegt und sukzessive im Verlauf der Relativbewegung eine Schweißnaht entlang einer Schweißlinie aus gebildet. Jedoch schwankt beim Laserschweißen die Einschweißtiefe in der Aus breitungsrichtung des Laserstrahls und mithin die Festigkeit entlang der

Schweißnaht.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass damit eine gleichmäßige Einschweißtiefe über den Verlauf einer Schweißnaht und mithin eine gleichmäßig hohe Festigkeit erzielbar ist. Dazu ist vorgesehen, dass bei entlang einer ihrer Achsen als Drehachse aneinander ge setzten Werkstücken der Laserstrahl mit seiner Strahlrichtung exzentrisch ver setzt zum axialen Zentrum auf die Oberfläche der Werkstücke ausgerichtet wird.

Indem der Laserstrahl außermittig versetzt zum axialen Zentrum der Werkstücke auf die Außenoberfläche des Kontaktbereichs bzw. der Verbindungsebene auf trifft bzw. einfällt, bildet nicht das instabile Ende der beim Laserschweißvorgang in Strahlrichtung des Lasers im Werkstoff erzeugten Dampfkapillare den Verlauf der Schweißnahtwurzel, sondern vielmehr ein intermediär zwischen Ursprung und Ende der Dampfkapillare liegender Kapillarabschnitt, welcher deutlich gerin geren Längsfluktuationen als das demgegenüber instabilere Ende der Dampfka pillare unterliegt. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß ein praktisch konstanter Verlauf der Schweißnahtwurzel mit entsprechend konstanter Einschweißtiefe. Prozessporen, die im Material während des Laserschweißvorgangs stets am un teren Ende der Dampfkapillare auftreten, liegen beim erfindungsgemäßen Ver fahren vorteilhaft außerhalb der Schweißnahtwurzel und somit in unkritischen Be reichen des Materials. Für den Laserbearbeitungsvorgang können die Werkstü cke an ihren Längsachsen oder an ihren Querachsen miteinander verbunden werden; es ist jedoch auch denkbar, dass eines der Werkstücke mit seiner Längsachse an eine Querachse des anderen Werkstücks gesetzt wird, wobei ei ne dieser Achsen als Drehachse dient.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die relativ einfach zu realisieren ist, werden die Werkstücke während der Einstrahlung des Laser strahls um ihre Drehachse gedreht, während die den Laserstrahl emittierende Laserquelle ortsfest bleibt.

Um eine ringförmig umlaufende Schweißnaht auszubilden, sieht eine Ausgestal tung der Erfindung vor, dass während der Einstrahlung des Laserstrahls zumin dest eine ganze Umdrehung der Werkstücke um ihre Drehachse erfolgt.

Zweckmäßigerweise wird bei rohrförmig ausgebildeten Werkstücken als Dreh achse die Längsachse der Werkstücke gewählt. Indem die Versetzung bezüglich des axialen Zentrums größer als der Innenradius der Werkstücke bemessen wird, bildet die vom Laserstrahl in dessen Strahlrichtung definierte Gerade eine Passante bezüglich des - im Querschnitt der Werkstücke gesehenen - Innen kreises, wenn die Versetzung des Strahlverlaufs größer als der Innenkreisradius dimensioniert wird, was zur Folge hat, dass die Länge der sich beim Laser schweißvorgang ausbildenden Dampfkapillare signifikant größer werden kann als die - im Querschnitt gesehene - radiale Ringdicke der Werkstücke, so dass die Einschweißtiefe und mithin der Verlauf der Schweißnahtwurzel nicht durch das Ende der Dampfkapillare, sondern vielmehr durch einen intermediär zwischen Ursprung und Ende der Dampfkapillare liegenden Kapillarabschnitt bestimmt wird, welcher einen kürzeren Abstand zur Innenumfangsfläche der Werkstücke aufweist als das Ende der Dampfkapillare. Im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren, bei dem der Laserstrahl radial einfällt, wird durch das erfindungsge mäße Verfahren eine Verunreinigung des Innenraums der Werkstücke durch während des Laserschweißens an der Dampfkapillare entstehende Spitzer weit gehend vermieden.

Zweckmäßigerweise wird die Versetzung des Laserstrahls kleiner als der Außen radius der Werkstücke bemessen, damit der Laserstrahl tief in das Material der Werkstücke eindringen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass als den Laserstrahl emittierende Laserquelle ein Faserlaser mit einer Emissionswellen länge l von etwa 1070 nm verwendet wird, mit dessen inhärent hoher Strahlqua lität eine präzise verlaufende Schweißnaht erzielbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:

Fig. 1 eine Querschnittansicht einer herkömmlichen Anordnung aus einem La ser und zwei axial zueinander angeordneten rohrförmigen Werkstücken entlang der Verbindungsebene der Werkstücke, wobei ein zum Laserschweißen dienen der Laserstrahl des Lasers in radialer Richtung auf die Oberfläche der Verbin dungsebene einstrahlt und sich die beiden Werkstücke während der Einstrahlung um ihre gemeinsame Symmetrieachse drehen,

Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht der Anordnung von Fig. 1 entlang der Verbindungsebene von zwei axial zueinander angeordneten rohrförmigen Werkstücken, welche gemäß dem herkömmlichen Laserschweißverfahren ver bunden sind, wobei das fluktuierende Ende der beim Laserschweißvorgang er zeugten Dampfkapillare die Nahtwurzel bzw. den Nahtgrund der Schweißlinie ausbildet,

Fig. 3 eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung aus einem Laser und zwei axial zueinander angeordneten rohrförmigen Werkstücken ent lang der Verbindungsebene der zwei Werkstücke mit einem zum Laserschwei ßen dienenden Laserstrahl, der erfindungsgemäß mit seiner optischen Strahlrich tung exzentrisch bezüglich des axialen Zentrums der Werkstücke positioniert ist, wobei sich die beiden Werkstücke gemeinsam um ihre Symmetrieachse drehen,

Fig. 4 eine schematisch gehaltene Querschnittansicht der erfindungsgemäßen Anordnung von Fig. 3 entlang der Verbindungsebene der zwei Werkstücke, wel che gemäß dem erfindungsgemäßen Laserschweißverfahren miteinander ver schweißt werden, wobei ein intermediär zwischen dem Ursprung und dem fluktu ierenden Ende der beim Laserschweißvorgang erzeugten Dampfkapillare liegen der Kapillarabschnitt den Verlauf der Schweißnahtwurzel der Schweißlinie be stimmt, und

Fig. 5 eine schematisch gehaltene Querschnittdarstellung der erfindungsge mäßen Anordnung von Fig. 3, wobei die exzentrische Ausrichtung des Laser strahls bezüglich des axialen Zentrums der Werkstücke skizzenhaft illustriert ist.

Ausführungsformen der Erfindung

Bevor anhand von Fig. 3 und 4 die wesentlichen Eigenschaften bzw. Merkmale des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens erläutert werden, sollen zu nächst anhand von Fig. 1 und 2 die Merkmale des herkömmlichen Laser schwei ßverfahrens erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Anordnung von zwei miteinander zu einem Bau teil 1 zu verschweißenden rohrförmigen Werkstücken gemäß einer Quer schnittansicht entlang der Verbindungs- bzw. Schweißebene während des her kömmlichen Laserschweißens, wobei ein Laserstrahl 2 in radialer Richtung auf die Außenoberfläche des Werkstücks 1 in Höhe der Schweißebene einstrahlt und sich währenddessen das Werkstück 1 um seine axiale Symmetrieachse gemäß der anhand eines Pfeils 3 dargestellten Drehrichtung dreht. Dabei schmilzt das jeweils im Einwirkungsbereichs des Laserstrahls befindliche Material an der Au ßenoberfläche aufgrund der Absorption von Laserstrahlung. Die sich während des Einstrahlvorgangs in der Schmelze 8 ausbildende Dampfkapillare 4 (auch als „Keyhole“ bezeichnet), welche der Relativbewegung des Laserstrahls 2 folgt, ist in ihrer Längserstreckung durch die aus der Differenz von Außenradius und In nenradius festgelegte Ringdicke des Werkstücks 1 begrenzt, wobei das - dem Strahlauftreffpunkt abgewandte - Ende 4 ^' der Dampfkapillare 4 die Einschweiß tiefe 5 bestimmt. Die Einschweißtiefe 5 wird durch das fluktuierende Ende 4 ^' der Dampfkapillare 4 bestimmt, so dass sich ein stochastisch fluktuierender Verlauf der Schweißnahtwurzel 6 innerhalb des Werkstücks 1 ergibt. Wie in Fig. 2 rein schematisch dargestellt ist, bildet das fluktuierende Ende 4 ^' der Dampfkapillare 4 die Schweißnahtwurzel bzw. den Schweißnahtgrund 6 der Schweißlinie; mithin fallen der Schweißnahtgrund 6 der Schweißlinie und das Ende 4 ^' der Dampfka pillare 4 zusammen.

Fig. 3 bis 5 veranschaulichen das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren anhand von Querschnittansichten einer erfindungsgemäßen Anordnung aus ei nem Laser und zwei miteinander zu einem Bauteil 10 zu verschweißenden rohr förmigen Werkstücken entlang der Verbindungs- bzw. Schweißebene der zwei Werkstücke, wobei der Laser einen Laserstrahl bzw. ein Laserstrahlenbündel 12 emittiert, der/das außermittig auf die Außenoberfläche des Werkstücks 10 in Hö he der Verbindungsebene einfällt, während sich die Werkstücke 10 gemeinsam um ihre - konzentrisch zum Mittelpunkt 11 verlaufende - axiale Symmetrieachse, d.h. um ihre Längsachse, gemäß der anhand des Pfeils 13 dargestellten Dreh richtung drehen, wobei das jeweils im Einwirkungsbereich des Laserstrahls 12 befindliche Material an der Außenoberfläche aufgrund der Absorption von Laser strahlung schmilzt und sich in der Schmelze eine Dampfkapillare 14 ausbildet.

Die Ausbreitungsrichtung bzw. Strahlrichtung des Laserstrahls 12 ist derart be züglich des Werkstücks 10 ausgerichtet, dass der Laserstrahl 11 exzentrisch, d.h. versetzt gegenüber dem Mittelpunkt 11 der Werkstücke 10 auf die Außen umfangsoberfläche 10 ^” der Werkstücke 10 einstrahlt bzw. auftrifft, wobei die mit Bezugsziffer 17 bezeichnete Versetzung D des Strahlauftreffpunkts 18 (Fig. 5) größer bemessen ist als der durch die Innenumfangsfläche 10 ^' festgelegte In nenradius n der Werkstücke 10 und kleiner bemessen ist als deren durch die Au ßenumfangsfläche 10 ^” definierter Außenradius r _a , so dass die Ungleichung n < D < r _a gilt. Somit bildet die vom Laserstrahl 12 definierte Gerade eine Sekante, wel che den - im Querschnitt gesehenen - Außenkreis der hohlzylindrischen Werk stücke 10 in Höhe der Verbindungsebene schneidet, jedoch eine Passante be züglich des Innenkreises bildet, also eine Gerade 12-1, die außerhalb der Innen umfangsfläche 10 ^' verläuft, ohne diese zu schneiden, wie insbesondere in Fig. 5 illustriert ist. Dadurch ist die Länge der Dampfkapillare 14 deutlich größer als die radiale Ringdicke d = r _a - n. Da dabei die Dampfkapillare 14 dem Laserstrahl 12 während der Relativbewegung folgt, wird die Schweißnahtwurzel 16 nicht durch das in Längserstreckungsrichtung der Dampfkapillare 14 fluktuierende Ende 14 ^' , sondern durch einen sich stabil ausbildenden mittleren Abschnitt 14 ^” der Dampf kapillare 14 bestimmt, welcher der Innenumfangsfläche 10 ^” bzw. Innenbegren zung des Werkstücks 10 angrenzend zugewandt ist und in radialer Richtung ei nen kürzeren Abstand zur Innenumfangsfläche 10 ^' im Vergleich zum Ende 14 ^' der Dampfkapillare 14 aufweist.

Wie in Fig. 4 rein schematisch dargestellt ist, sind das fluktuierende Ende 14 ^' der Dampfkapillare 14 und die Schweißnahtwurzel bzw. der Schweißnahtgrund 16 der Schweißlinie in radialer Richtung voneinander beabstandet, da - im Unter schied zum herkömmlichen Laserschweißverfahren (gemäß Fig. 2) - nicht das in Längserstreckungsrichtung instabile Ende 14 ^' , sondern der mittlere Abschnitt 14 ^” der Dampfkapillare 14 den Schweißnahtgrund bzw. die Schweißnahtwurzel 16 ausbildet. Mithin wird auch die Einschweißtiefe 15 durch den mittleren Ab schnitt 14 ^” der Dampfkapillare 14 bestimmt.

In Fig. 5 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit die exzentrisch versetzte Ausrich tung des Laserstrahls 12 bezüglich des axialen Zentrums 11 der Werkstücke 10 dargestellt, wobei der axiale Mittelpunkt 11 die Drehachse der Werkstücke 10 während des Laserschweißvorgangs bildet. Dabei handelt es sich um eine paral lele Versetzung 17 des Laserstrahls 12 gegenüber einer Geraden 19, die radial durch das axiale Zentrum bzw. den Mittelpunkt 11 durchgeht. Dadurch legt der parallel versetzte Laserstrahl 12 eine Absorptionswegstrecke im Material der Werkstücke 10 zurück, welche deutlich länger als die radiale Ringdicke d = r _a - n ist.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Laserquelle für den Laserstrahl 12 ein Faserlaser aufgrund seiner hohen Strahlqualität eingesetzt, wobei der Faser laser bei einer typischen Emissionswellenlänge von etwa 1070 nm betrieben wird. Die während des Laserschweißvorgangs abgestrahlte Leistung P des Fa serlasers liegt dabei in einem Bereich P > 280 Watt und ist abhängig von der Größe der miteinander zu verbindenden Werkstücke und/oder deren Absorpti onsvermögen. Ferner erfolgen während der Einstrahlung des Laserstrahls 12, d.h. für die Dauer des Laserschweißvorgangs, im Ausführungsbeispiel ungefähr anderthalb Umdrehungen der Werkstücke 10 um ihre gemeinsame Symmetrie achse bzw. Drehachse, um eine ringförmig umlaufende Schweißnaht auszubil den. Die Mindestgeschwindigkeit beträgt v > 3 m / min an der Oberfläche.

Zusammenfassend ist beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der Laserstrahl 12 exzentrisch versetzt zum axialen Zentrum 11 der rohrförmig aus gebildeten Werkstücke 10 verläuft, wobei die Versetzung 17 des Laserstrahls 12 gegenüber dem axialen Zentrum 11 derart dimensioniert ist, dass die Unglei chung n < D < r _a erfüllt wird, wobei mit n der Innenradius der Werkstücke, mit r _a deren Außenradius und mit D die Versetzung bezeichnet sind. Dadurch wird der Verlauf der auszubildenden Schweißnahtwurzel nicht durch das stochastisch fluktuierende Ende 14 ^' der Dampfkapillare 14, sondern vielmehr durch einen sich stabil ausbildenden mittleren Abschnitt 14 ^” der Dampfkapillare 14 bestimmt, so dass der Verlauf der Schweißnahtwurzel kaum stochastischen Schwankungen unterliegt. Mithin liegen beim erfindungsgemäßen Verfahren Prozessporen vor teilhaft außerhalb des Verlaufs der Schweißnahtwurzel, denn die im Material der Werkstücke 10 während des Laserschweißvorgangs nahezu unvermeidlich auf tretenden Prozessporen entstehen stets am unteren Ende 14 ^' der Dampfkapilla re 14.