DE102008022142B3

DE102008022142B3 - Verfahren zum Verschweißen von Aluminiumteilen

Info

Publication number: DE102008022142B3
Application number: DE102008022142A
Authority: DE
Inventors: Thomas Frietsch
Original assignee: Haberle Laser- und Feinwerktechnik & Co KG GmbH; HAEBERLE LASER und FEINWERKTEC
Current assignee: Haberle Laser- und Feinwerktechnik & Co KG GmbH; HAEBERLE LASER und FEINWERKTEC
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-06

Abstract

Zum Verschweißen von insbesondere Aluminiumdruckgussteilen miteinander besorgt der Strahlfleck eines Primärstrahles gepulster Laserenergie durch Aufschmelzen ein Auflösen von Oxid- und Schmutzablagerungen sowie ein Reinigen und Aktivieren des Verbindungsbereiches, längs dessen die Schweißnaht verlaufen soll, woraufhin die so erstellte und noch erwärmte vorläufige, wegen Ausgasens noch unregelmäßig aufgeworfene Schweißnaht mittels des Sekundärstrahles aus derselben Pulsquelle unter infolge der Vorerwärmung nun verbesserter Absorption der eingebrachten Laserenergie homogenisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Aluminiumteilen.
Das im Apparatebau und in der Kraftfahrzeugfertigung anzutreffende Schweißen mit CO2- oder mit Nd:YAG-CW-Lasern liefert im Gegensatz zum Pulsbetrieb einen schnellen Durchsatz an Schweißnähten in den Berührungsbereichen, also der Fügezone der etwa auf Stoß, also seitlich gegeneinander anliegend, oder überlappend miteinander zu verbindenden Teile; es hat sich aber zum Verschweißen von Aluminium-Druckgussteilen miteinander ohne Schweißzusatzmaterial als ungeeignet erwiesen. Denn die laserinduzierte Schmelze führt bei Aluminium im Verbindungsbereich bei dessen Abkühlen zu abträglichen Fehlstellen wie Porenbildung, inneren Spannungen und Auswürfen, die dann längs der Schweißnaht verbleiben und diese unansehnlich sowie anfällig gegen Kerbspannungen machen.
Das gilt im Ergebnis auch, wenn mit zwei einander in Richtung der Schweißnaht oder quer dazu überlappenden oder auch nur in Bearbeitungsrichtung unmittelbar benachbarten Strahlflecken geschweißt wird, wie sie etwa als Twinfokus nach DE 43 08 314 C2 , mittels einer Bifokaloptik aus einem Laserstrahl oder mittels zweier relativ zueinander entsprechend ausgerichteter Laserquellen erzeugt werden können. Dabei werden die beiden Foki, wenn sich deren Strahlflecken nicht ohnehin überlappen, doch wenigstens so eng einander benachbart, dass sie eine gemeinsame vergrößerte Schmelzzone erbringen (IFSW „Vom Doppelfokus zur Fokusmatrix” in DE-Z Laser Magazin 4/2004), und damit eine aufgeweitete gemeinsame Dampfkapillare, um in der Schweißzone Druckerhöhungen möglichst zu verhindern, die sonst zu Poren und Auswürfen führen (F. Dausinger „Prozessverständnis als Grundlage der Verfahrensentwicklung” in DE-Z SLT'03, Seiten 65ff, 67 Mitte). Angesichts des bei Aluminium niedrigen Absorptionsgrades für Laserstrahlung und des guten Wärmelableitvermögens verringert allerdings das Einbringen der für ein Flüssighalten des Schmelzbades erforderlichen Wärmemenge über die infolge des Doppelfokus vergrößerte Fläche die Prozess-Stabilität und -Geschwindigkeit ganz erheblich, dazu noch bei unerwünschter, zum Durchhängen neigender Verbreiterung der Schweißnaht und bei Tendenzen zum Verwölben der daran seitlich sich anschießenden Materialbereiche.
Auch aus der US 2003/0121895 A1 ist das Aufspalten des Laserstrahles einer gepulsten Quelle in zwei einander beiderseits des Verlaufes der Fügezone von Aluminiumteilen unmittelbar benachbarte Foci bekannt, die ein quer zum Verlauf der Fügezone verbreitertes Schmelzbad aufheizen. Dadurch soll im Zuge des Fortschreitens des Schweißvorganges insbesondere ein Abweichen vom Nahtverlauf in Kurvenbereichen vermieden werden.
Nach der US 2005/0028897 A1 ist vorgesehen, zum Zusammenschweißen etwa von Aluminiumlegierungen der Einwirkung eines Dauerstrich-Hauptlasers für die Schmelzzone die Einwirkung wenigstens eines gepulsten Lasers derart dicht nachfolgen zu lassen, dass der schon teigige rückwärtige Bereich der voranschreitenden Schmelzzone durch Nachheizen an zu raschem weiterem Abkühlen gehindert wird. Das soll Rissbildungen im Fügezonenverlauf verhindern. Im Gegensatz zu diesen Maßnahmen wird nach der DE 41 18 791 A1 vorgesehen, zusätzlich zum Dauerstrich-Laserstrahl einen gepulsten Laserstrahl auf die Schweißzone oder unmittelbar davor einwirken zu lassen. Dadurch soll, auch nach Maschinenstillsand oder bei Kurvenverläufen der Fügezone, sichergestellt werden, dass das für die Einkopplung des Dauerstrich-Lasers erforderliche Plasma stets zur Verfügung steht.
Für hochwertige schmale Schweißnähte bei überlappend oder auf Stoß akkurat nebeneinander zu verbindenden Aluminiumteilen, insbesondere solchen im Aluminiumdruckguss hergestellten Teilen, wird aber für die Belange der Praxis auf das Elektronenstahlschweißen zurückgegriffen; was allerdings einen erheblichen apparativen Aufwand bedingt, da es nur im Vakuum erfolgen kann.
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, mittels Laserschweißens auf wirtschaftlichere Weise zwischen Alumi niumteilen, und insbesondere zwischen im Druckguss gefertigten Aluminiumteilen, visuell und mechanisch hochwertigere Schweißnähte zu erzielen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Danach stellt sich das angestrebte Ergebnis überraschenderweise dadurch ein, dass mit dem gegenüber Dauerstrichbetrieb wesentlich geringeren Energieeintrag des Pulsbetriebes geschweißt wird, aber die Fügestelle bzw. deren Aufeinanderfolge, also die Schweißnaht von fokussierten Strahlflecken in gerade solcher Abfolge zweimal nacheinander beaufschlagt wird, dass noch kein Zusammenlaufen deren Schmelzzonen eintritt, sondern infolge jeweils gezielt nur lokaler Erwärmung zwei eng begrenzte Schmelzbäder dicht aber zueinander distanziert aufeinanderfolgend entlang der stoßenden oder überlappenden Fügezone auftreten.
Das kann mittels zweier gepulster Laserquellen in entsprechender Folgesteuerung erfolgen, besser jedoch unter Einsatz nur einer impulsmodulierbaren Laserquelle mit einer derart ausgelegten Bifokallinse, dass der Mittenabstand der beiden in Schweißrichtung aufeinanderfolgenden Strahlflecken der nachfolgend so genannten Primär- und Sekundärstrahlen etwa knapp das Doppelte deren mittleren Durchmesser beträgt; so dass in der Aufeinanderfolge längs einer Schweißnaht zwischen zwei Strahlflecken im wesentlichen gleicher Querschnittsgeometrie und gleichen Energieinhaltes ein lichter Abstand in der Größenordnung von knapp deren mittlerem Durchmesser verbleibt.
Während sich bei bisher verwendeten CW-Schweißlasern in der Regel ab etwa 4 kW Laserleistung die hinter einer Bifokaloptik auf jede der beiden ineinander übergehenden Strahlflecken, also Schweißzonen entfallenden Teilleistungen auf etwa 2 kW Leistung pro Strahlfleck halbiert, beträgt bei der erfindungsgemäßen Lösung mit gepulstem Schweißlaser die ins Werkstück eingebrachte mittlere Leistung nur etwa 10% davon, nämlich in der Größenordnung von 200 bis 250 Watt für jeden der beiden, nun außerdem zueinander distanzierten, Strahlflecken.
Das reicht üblicherweise zum Verflüssigen des Aluminium von miteinander zu verbindenden Teilen in derem auf Stoß oder überlappend zu verbindendem Berührungsbereich aus; dementsprechend gegenüber Dauerstrichbeaufschlagung vermindert ist aber der aus der lokalen Erwärmung resultierende Plasmadruck, was im Strahlfleck, also in der Schmelzzone des Primärstrahles und somit längs der Schweißnaht, gegenüber den Erscheinungen bei dem höheren Energieeintrag mit Dauerstrich-Laserquellen, zu wesentlich geringeren Hohlräumen und Auswürfen führt. Von diesem Primärstrahl werden Ausgasungen von aus einem vorangegangenen Gießprozess herrührenden Verunreinigungen wie insbesondere Wasserstoff, Stickstoff, Luft, Methan, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd bewirkt. Dadurch verbleibt der Schweißbereich arm an Ausgasungen und Aufwürfen, also viel ruhiger, und ohne die Homogenität der Schweißnaht beeinträchtigende Oxid- und Schmutzablagerungen, wenn der alsbald nachfolgende Sekundärstrahl, also der sekundäre Strahlfleck oder Schweißpunkt auf die Fügezone mit diesem noch erwärmten Nahtbereich trifft, um mit gleicher mittlerer Laserleistung aber wegen der Vorerwärmung unter entsprechend verbesserter Energieabsorption die so vorbereitete Schweißnaht gleich danach zu homogenisieren und zu glätten.
Das erbringt bei erhöhter Prozessgeschwindigkeit und unter Verwendung von kostengünstig verfügbarem Stickstoff als Schutzgas eine optisch einwandfreie Schweißnaht, deren Kerbfestigkeit sogar deutlich höher als die einer mittels Elektronenstrahlschweißens im Vakuum erreichbaren ist. Bei dünnen miteinander zu verschweißenden Teilen ist außerdem die an sich, infolge geringer Viskosität der Schmelze, anzutreffende Gefahr eines Durch fallen der Schmelze durch die Fügestelle nun überwunden, nämlich infolge der distanziert aufeinanderfolgenden beiden Schweißflecke mit jeweils wesentlich reduziertem Energieeintrag.
Entscheidend ist, dass – zu Minimierem des resultierenden Energieeintrags gegenüber Laser-Dauerstrichschweißen – zwei geometrisch, also zeitlich gegeneinander versetzte gepulste thermische Beanspruchungen auf die Fügestelle einwirken, von denen die primäre nur für einen Energieeintrag zur Vorerwärmung bis zum Aufschmelzen des Aluminiums an der Fügestelle zu bemessen ist; während die sekundäre, energetisch gleichbemessene Bestrahlung dann, bei infolge der Vorerwärmung gegebener höherer Absorption, ein tiefreichendes metallurgisches Homogenisieren und oberflächiges Glätten der Schweißnaht zur Folge hat. Bei sogar verbesserter Schweißnahtqualität infolge vergrößerter fremdstofffreier Einschweißtiefe beschleunigt diese zueinander distanzierte Aufeinanderfolge der reduzierten thermischen Einwirkungen die Schweißgeschwindigkeit gegenüber solcher, die mit einfachem Pulsschweißen erreichbar wäre, was sich abgesehen von der Produktqualität auch auf die Fertigungskosten vorteilhaft auswirkt. Um dagegen bei einfachem Pulsschweißen mit seinem nur einen Schmelzbereich überhaupt brauchbare Ergebnisse zu erzielen, müsste die Schweißnaht mehrmals nachgeschweißt werden, was sich wiederum u. a. negativ auf die Prozessdauer auswirken würde.
Somit besorgt der längs des Verbindungsbereiches, längs dessen die Schweißnaht verlaufen soll, verlagerte Strahlfleck des Primärstrahles gepulster Laserenergie mit dem thermischen Aktivieren des Materials auch ein Auflösen von Oxid- und Schmutzablagerungen, woraufhin die so erstellte und noch erwärmte vorläufige, wegen Ausgasens noch unregelmäßig aufgeworfene Schweißnaht mittels des Sekundärstrahles aus derselben Pulsquelle unter verbesserter Absorption der eingebrachten Laserenergie homogenisiert wird.

Claims

Verfahren zum Verschweißen von längs einer Fügezone ihres Berührungsbereiches miteinander zu verbindenden Aluminiumteilen, insbesondere von Aluminiumdruckgussteilen, durch Einbringen der thermischen Energien gepulster fokussierter Laserstrahlen in die Fügezone an zwei längs der Fügezone distanziert aufeinander folgenden, also primären und sekundären, Strahlflecken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlflecken aus zwei parallel betriebenen gepulsten Laserquellen gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlflecken mittels einer Bifokaloptik aus einer gepulsten Laserquelle gewonnen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primär einwirkende Strahlfleck energetisch für das Schmelzen ausgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Strahlfleck zum Ausgasen von aus einem etwa vorangegangenen Gießprozess herrührenden Verunreinigungen sowie zum Beseitigen von Oxid- und Schmutzablagerungen ausgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Strahlfleck energetisch für ein Homogenisieren und Glätten der Fügezone ausgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie der Laserquelle auf beide Strahlflecken gleich aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Strahlflecken gleiche Querschnittsgeometrie aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine resultierende mittlere Leistung in der Größenordnung von 10% der mittleren Leistung einer für CW-Schweißen ausgelegten Dauerstrich-Laserquelle über die beiden Strahlflecke aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlflecken ohne gegenseitige Überlappung längs des Berührungsbereiches de Fügezone aufeinanderfolgend aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der beiden Strahlflecken um fast das Zweifache ihrer mittleren Durchmesser gegeneinander versetzt aufeinanderfolgend auf den Berührungsbereich gerichtet werden.