DE102004045865A1

DE102004045865A1 - Verfahren zum Tröpfchen-Schweißen zweier Fügepartner

Info

Publication number: DE102004045865A1
Application number: DE102004045865A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Geiger; Gerd Dr. Esser; Michael Dr. Schmidt; Ihor Mys; Bernd Jahrsdörfer
Original assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Current assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Ein Verfahren zum Tröpfchen-Schweißen zweier Fügepartner (1, 2) weist folgende Verfahrensschritte auf: DOLLAR A - Positionieren der beiden Fügepartner (1, 2) in Schweißposition zueinander, DOLLAR A - Vorwärmen der Fügepartner (1, 2) zumindest in der Fügezone (3) vor dem Aufbringen des Schweißtropfens auf die Fügepartner (1, 2), DOLLAR A - Positionieren eines Schweißdrahtes (4) oberhalb der Fügezone (3) zwischen den beiden Fügepartnern (1, 2) und DOLLAR A - Beaufschlagen des Schweißdrahtes (4) mittels Laserstrahlung (15) zum Abschmelzen jeweils eines Schweißtropfens, der danach zum Aufbringen auf die Fügezone (3) fällt und die beiden Fügepartner (1, 2) stoffschlüssig verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tröpfchen-Schweißen zweier Fügepartner insbesondere aus Edelstahl und Titan mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensmerkmalen.

Letztere geben das Tröpfchen-Schweißen – im Fachjargon als „Droplet Welding" bezeichnet – in seiner grundsätzlichen Ausprägung an, wie es aus einer Vielzahl von Druckschriften aus dem Stand der Technik bekannt ist. Lediglich beispielhaft sei auf die JP 58184083 A , JP 61232080 A und JP 7171690 verwiesen.

Wenngleich die grundsätzlichen Verfahrensschritte bereits seit langem bekannt sind, gewinnt das Tröpfchen-Schweißen in jüngster Zeit zunehmend Interesse und Bedeutung, da es für spezielle Anwendungen, wie beispielsweise im Automobilbau besonders geeignet ist. So erlaubt es die Verbindung unähnlicher Materialien sowie die Überbrückung von Spalten zwischen den Fügeteilen. Ein weiterer Vorteil des Tröpfchen-Schweißens ist die geringe thermische Belastung der Fügepartner, die nur durch den – geringen – Wärmeinhalt der einzelnen Tröpfchen hervorgerufen wird. Durch die sehr präzise definierbare thermische Belastung können sogar kleine Teile, dünne Beschichtungen und wärmeempfindliche Komponenten ohne negative Einflüsse auf ihre mechanischen Eigenschaften oder elektrische Funktion geschweißt werden.

Seine Grenzen erfährt das Tröpfchen-Schweißen allerdings bei aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften problematischen Materialkombinationen, wie beispielsweise Titan und Edelstahl. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser beiden Werkstoffe machen eine direkte Flüs sigphasen-Verschweißung aufgrund der Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten schwierig. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Edelstahl ist nämlich knapp doppelt so hoch wie der von Titan. Konventionell geschweißte Edelstahl-Titan-Verbindungen zeigen daher oftmals eine Neigung zur Rissbildung, die im ungünstigsten Fall zu einem Versagen der Schweißverbindung schon nach einer kurzen Betriebsdauer des damit versehenen Bauteils führen kann.

Die Verwendung von Schweiß-Zusatzwerkstoffen ist ein gangbarer Weg, Fügepartner aus an sich inkompatiblen Materialien miteinander verschweißen zu können. In diesem Zusammenhang bietet sich grundsätzlich auch das Tröpfchen-Schweißen an, da hier durch den dabei verwendeten Schweißdraht neben den beiden Fügepartner ein dritter Schweißpartner hinzukommt.

Versuche mit dem Tröpfchen-Schweißen von Edelstahl- mit Titan-Bauteilen haben gezeigt, dass aufgrund der Werkstoffunterschiede trotz präziser Prozesssteuerung die Tröpfchen-Schweißverbindungen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften kritisch sind.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Tröpfchen-Schweißverfahren so zu verbessern, dass insbesondere bei im Material stark ungleichen Fügepartnern eine zuverlässigere Schweißverbindung hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensschritt gelöst, in dem vor dem Aufbringen des Schweißtropfens auf die Fügepartner diese zumindest in der Fügezone vorgewärmt werden. Durch diese erhöhte Temperatur der Fügepartner erfolgt das Erstarren des Schweißwerkstoffes und der Materialien der beiden Fügepartner gleichmäßiger und über eine vergleichsweise längere Zeit. Ferner sind die Temperaturgradienten innerhalb der Schmelzzone und den benachbarten Bereichen der Fügepartner niedriger. Dies alles beugt in erster Linie Versprödungen innerhalb der Schmelzzone vor, wodurch die erzeugte Verschweißverbindung höhere Festigkeiten aufweist.

In einer bevorzugten Weiterbildung werden die Fügepartner nach Aufbringen des Schweißtropfens zusätzlich auch nachgewärmt, wodurch die Abkühlung der Schweißzone verlangsamt wird. Ferner wird durch dieses Nachwärmen eine Temperung der in der Schweißzone vorhandenen Materialien hervorgerufen, was einer Erhöhung der Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Fügepartnern und dem Schweißdrahtmaterial weiter dienlich ist.

In vorteilhafter Weise können Vor- und/oder Nachwärmen durch die Schweiß-Laserstrahlung, die für die Ablösung des Schweißtropfens vom Schweißdraht sorgt, selbst vorgenommen werden. Dazu wird vorzugsweise ein entsprechender Laserpuls vor bzw. nach Generierung des Schweißtropfens auf die Fügepartner aufgebracht, wobei eine Defokussierung des Schweißstrahls sowie ein Entfernen des Schweißdrahtes aus seiner eigentlichen Schweißposition vorgenommen werden können. Durch die Defokussierung wird eine Überhitzung der Fügepartner und damit deren unerwünschte direkte Verschweißung ohne separate Schweißtröpfchen vermieden.

Als Vor- bzw. Nachwärm-Temperatur der Fügepartner hat sich ein Wertebereich von über 200°C als vorteilhaft erwiesen, da damit eine optimale thermische Vorbehandlung und nachträgliche Temperung der Fügepartner erzielbar ist.

Als besonders günstige Schweißdraht-Materialien für kritische Verbindungen, wie Edelstahl und Titan haben sich Vanadium, Molybdän, Nickel oder geeignete Legierungen dieser Materialien herausgestellt. Die Eignung von Nickel ist durch dessen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 13 × 10^–6/K bedingt, was exakt zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Titan und Edelstahl liegt. Ferner ist die chemische Kompatibilität von Nickel mit Edelstahl und Titan besser als für die meisten anderen Metalle, wenn die entsprechenden Phasendiagramme betrachtet werden. Darin ist nämlich erkennbar, dass beim Schweißen von Titan und Nickel zu einem bestimmten Maß intermetallische Phasen gebildet werden, die üblicherweise die mechanische Festigkeit erhöhen und die Duktilität erniedrigen.

Im Hinblick auf das Phasendiagramm von binären Titan-Legierungen ist die vorstehend angegebene Verwendung von Vanadium als Schmelzdrahtmaterial von Vorteil, da dieses Material den geringsten Einfluss durch intermetallische Phasen im Phasendiagramm aufweist. Insbesondere zeigt das Phasendiagramm von Titan und Vanadium fast keine intermetallischen Phasen. Darüber hinaus ist Vanadium mit Edelstahl kompatibel und wirkt als Stabilisator für die sogenannte Beta-Phase des Titans, die eine kubisch raumzentrierte Struktur im Gegensatz zum Alpha-Titan mit einer hexagonalen Struktur aufweist. Bei reinem Titan findet ein Übergang von der Alpha- in die Beta-Phase bei einer Temperatur oberhalb von 882,5°C statt. Der wichtigste Unterschied zwischen diesen beiden Phasen ist die gute Schweißbarkeit der Alpha-Phase gegenüber der hohen Plastizität der Beta-Phase. Elemente wie Vanadium oder auch das als weiteres Schweißmateri al genannte Molybdän stabilisieren die Beta-Phase durch eine Herabsetzung der Übergangstemperatur zwischen der Alpha- und Beta-Phase.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der eine Tröpfchen-Schweiß-Anlage und ihre Betriebsweise anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert wird.
Die Figur zeigt eine schematische Ansicht einer Tröpfchen-Schweiß-Anlage.
In dieser Zeichnung sind die beiden Fügepartner durch ein Edelstahl-Bauteil 1 sowie ein Titan-Bauteil 2 repräsentiert. Diese sollen entlang einer Fügezone 3 entlang ihrer einander zugewandten Stoßkanten miteinander tröpfchenverschweißt werden. Hierzu wird ein Schweißdraht 4 beispielsweise aus Vanadium mit seinem freien Ende 5 oberhalb der Fügezone 3 positioniert. Dies erfolgt durch eine als Ganzes mit 6 bezeichnete Drahtführungs- und Positionsierungseinrichtung, die aus einem den Schweißdraht 4 an die Fügezone 3 heranführenden Führungsrohr 7 und einem davor platzierten Drahtantrieb 8 besteht. Letzterer weist ein zwischen sich den Schweißdraht 4 vor- und zurückschiebendes Walzenpaar auf, dessen Bewegung durch eine Steuereinrichtung 9 für die Drahtzufuhr angesteuert wird. Der Schweißdraht 4 wird dabei von einer Vorratsrolle 10 abgezogen.
Zur Erzeugung eines Schweißtröpfchens am freien Ende 5 des Schweißdrahtes 4 dient eine als Ganzes mit 11 bezeichnete Lasereinrichtung, die als Laserquelle einen Nd:YAG-Schweißlaser 12 verwendet. Der generierte Laserstrahl wird über eine Lichtleitfaser 13 zu einer oberhalb der Fügezone 3 angeordneten Bearbeitungsoptik 14 geführt, die den davon austretenden Laserstrahl 15 in einer Richtung senkrecht zu der von den Fügepartnern 1, 2 aufgespannten Fügeebene fokussiert. Dabei ist die Fokuslage in dieser Z-Richtung mit der Bearbeitungsoptik 14 variabel einstellbar.
Schließlich ist bei der Schweißanlage noch eine Schutzgaszufuhr vorgesehen, und zwar zum einen über ein axial zum Schweißdraht 4 durch ein koaxial zum fügezonenseitigen Ende des Führungsrohrs 7 laufendes Schutzgasröhrchen 16. Eine nicht-axiale Schutzgaszufuhr wird durch das gegenüberliegende, seitlich herangeführte Schutzgasröhrchen 17 vorgenommen.
Das Tröpfchen-Schweißen der beiden Fügepartner 1, 2 ist nun wie folgt zu erläutern:
Grundsätzlich arbeitet der Schweißlaser 12 im Pulsbetrieb, d.h. der Laserstrahl wird während einer Pulszeit von typischerweise etwa 15 Millisekunden auf das freie Ende des Schweißdrahts 4 gerichtet, wobei über die Steuereinrichtung 9 der Schweißdraht 4 mit seinem freien Ende im Fokus des Laserstrahls 15 vorgeschoben wird. Durch die eingestrahlte Energie wird der beispielsweise 0,6 mm dicke Schweißdraht 4 aufgeschmolzen und durch verschiedene dynamische Prozesse aufgrund der eingestrahlten Energie vom nachfolgenden Draht abgeschmolzen. Der somit gebildete Schweißtropfen fällt auf die Fügezone 3 zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 und verbindet sich stoffschlüssig mit diesem.
Es wird nun vor diesem Tröpfchen-Schweiß-Schritt der Schweißdraht 4 durch ein Zurückziehen mit Hilfe des Drahtantriebes 8 aus dem Feld des Laserstrahls 15 entfernt, die Bearbeitungsoptik 14 defokussiert den Laserstrahl 15 bezüglich der Ebene der Fügezone 3 und es wird ein Laserpuls auf die anschließende Landezone des Schweißtröpfchens aufgebracht. Da durch erfolgt eine Vorwärmung der beiden Fügepartner 1, 2 in der Fügezone 3, wodurch das oben beschriebene anschließende Tröpfchenverschweißen mit den eingangs geschilderten Vorteilen erfolgt.
Eine Nachwärmung kann wiederum durch Applizieren eines defokussierten Pulses des Laserstrahls 15 bei zurückgezogenem Schweißdraht 4 vorgenommen werden.
Der vorstehende Arbeitszyklus mit Vorwärmen, Schweißtropfen-Applikation und gegebenenfalls Nachwärmen wiederholt sich nach einem entsprechenden Vorschub der Fügepartner 1, 2 am nächsten definierten Schweißpunkt der Fügezone 3.
Die Vor- und Nachwärmung der Fügepartner 1, 2 soll zu einer Temperatur von deutlich über 200°C der Fügepartner um den Landebereich des Schweißtröpfchens führen, wobei darauf zu achten ist, dass die Temperatur so niedrig bleibt, dass ein An- oder Aufschmelzen der Fügepartner vermieden wird. Anzahl, Länge, Intensität und Leistungsdichteverteilung der für die Vor- und/oder Nachwärmung verwendeten Laserpulse hängt von der Entfernung zwischen Fügezone 3 und Bearbeitungsoptik 14 sowie von der Masse und Geometrie der Fügepartner 1, 2 ab.
Der Vollständigkeit halber ist in der beigefügten Zeichnung strichliert noch ein Sekundär-Laserstrahl 18 eingezeichnet, der statt des eigentlichen Schweiß-Laserstrahls 15 für das Vor- und/oder Nachwärmen der Fügezone 3 herangezogen werden kann.

Claims

Verfahren zum Tröpfchen-Schweißen zweier Fügepartner, insbesondere von Fügepartnern aus Edelstahl und Titan, mit folgenden Verfahrensschritten: – Positionieren der beiden Fügepartner (1, 2) in Schweißposition zueinander, – Positionieren eines Schweißdrahtes (4) oberhalb der Fügezone (3) zwischen den beiden Fügepartner (1, 2), und – Beaufschlagen des Schweißdrahtes (4) mittels Laserstrahlung (15) zum Abschmelzen jeweils eines Schweißtropfens, der danach zum Aufbringen auf die Fügezone (3) fällt und die beiden Fügepartner (1, 2) stoffschlüssig verbindet, gekennzeichnet durch ein – Vorwärmen der Fügepartner (1, 2) zumindest in der Fügezone (3) vor dem Aufbringen des Schweißtropfens auf die Fügepartner (1, 2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (1, 2) nach dem Aufbringen des Schweißtropfens nachgewärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vor- und/oder Nachwärmen der Fügepartner (1, 2) durch die Schweiß-Laserstrahlung (15) in bezüglich der Fügezone (3) defokussierter Einstellung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vor- bzw. Nachwärmen der Fügepartner (1, 2) durch einen Vor- bzw. Nach puls der Schweiß-Laserstrahlung (15) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (1, 2) auf eine Temperatur von über 200°C vor- und/oder nachgewärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht (4) während der Applikation der Schweiß-Laserstrahlung (15) zum Vor- bzw. Nachwärmen aus seiner Schweißposition entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vor- bzw. Nachwärmen der Fügepartner (1, 2) durch einen gesonderten, vom Schweißlaser unabhängigen Laserstrahl (18) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht (4) aus Vanadium, Molybdän, Nickel oder Legierungen dieser Materialien besteht.