DE10217200A1

DE10217200A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlen

Info

Publication number: DE10217200A1
Application number: DE10217200A
Authority: DE
Inventors: Lothar Winter; Erik Hannemann; Wolfgang Hanisch; Volkmar Fink
Original assignee: WINTER PIPELINE GmbH
Current assignee: WINTER PIPELINE GmbH
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-10-30

Abstract

Weiterentwicklung des Schweißens, Vergütens, Dispergierens und Beschichtens von Metallteilen mit Laserstrahlen von Laseranlagen hoher Leistung. Dazu werden bereits für diese Einsatzzwecke benutzte Laserschweißanlagen und Laserbeschichtungsanlagen verfahrensmäßig und konstruktiv verändert. Diese Veränderungen betreffen neue Moden für das Oszillieren des Laserstrahles auf der Oberfläche des Werkstückes und den Einbau eines elektrisch gesteuerten, beweglichen, letzten Umkehrspiegels oder Fokussierspiegels in der Laserbearbeitungsanlage, der dieses Oszillieren ermöglicht.

Description

Die Erfindung hat die Weiterentwicklung des Schweissens, Vergütens, Dispergierens und Beschichtens von Metallteilen mittels Laserstrahlen von Laseranlagen hoher Leistung mit flüssigkeitsgekühlten Spiegeln zum Inhalt. Dabei sollen bereits für diese Einsatzzwecke benutzte Laserschweissanlagen und Laserbeschichtungsanlagen verfahrensmäßig und konstruktiv so verändert werden, daß eine wesentliche Verbesserung der Schweissnaht und der gehärteten oder beschichteten Oberflächen der Metallteile erzielt wird.
Laseranlagen hoher Leistung mit flüssigkeitsgekühlten Spiegeln werden zum Schweissen ohne Zusatzmaterial (Tief-Schweisseffekt) eingesetzt. Soll diese Technologie erfolgreich eingesetzt werden, muß die Nahtvorbereitung und Montage der zu verschweissenden Teile höchsten Anforderungen gerecht werden. Sobald die Naht einen Spalt > 0,2 mm aufweist, kommt es zu Schweissfehlern (Mittelrippeneffekte, Nahteinfall, Fehler im Wurzelbereich usw.). Gleiches gilt für die konische Erweiterung des Spaltes oder der Fasenbildung durch Entgraten im Wurzelbereich. Aufwendige Nacharbeit ist die Folge.
Da eine Nahtvorbereitung, wie sie die Laserschweisstechnologie benötigt, sehr schwer zu realisieren ist und somit das Endprodukt verteuert, ist eine Änderung der Toleranzen (technologisches Fenster) beim Laserschweissen notwendig.
Beim Einsatz des Lasers zum Beschichten, Vergüten, Dispergieren usw. wird der Laserstrahl defokussiert (als Brennfleck) eingesetzt. Auf Grund der Modenstruktur ergibt es im Brennfleck keine gleichmäßige Energieverteilung. Ungleichmäßiger Wärmeeintrag bei der Bearbeitung ist nur durch 50%ige Überlappung zu minimieren. Ein gleichmäßiges Auftragen des beschichteten Materials wird damit aber auch nicht erreicht. Ein definierter möglichst geringer Eintrag des Basismaterials mit dem aufgeschmolzenen, beschichteten Material ist nicht gewährleistet und kann zu einer Verschlechterung der geforderten Eigenschaften des beschichteten Materials führen. Die Öberflächenvegütung mittels Laserstrahlen nach vorgenanntem Verfahren gewährleistet kein gleichmäßiges Vergüten der Oberfläche des bearbeiteten Materials.
Bisherige Lösungswege, wie
Vergrößerung des Spots durch Vergrößerung des Fokusabstandes zum Werkstück, führt zu einer Verformung der Schweissnaht (Weinglasform) und zu einer Verschlechterung der Nahtqualität im Wurzelbereich.
Bifokale Optik (sogenannte Dachspiegel) im letzten Umlenker führt zu einer Verbreiterung des zulässigen Spalts, wenn die Fokuslinie annähernd im rechten Winkel zur Schweissnaht liegt. Bei geschlossenen Konturen gibt es Bereiche in denen die Fokusse hintereinander liegen, in diesen Abschnitten kann es zu Fehlschweissungen kommen.
Mehrfachschweissen (z. B. 1. Lage links, 2. Lage rechts und 3. Lage mit verminderter Leistung in der Mitte) führt zu unzulässigen Materialumwandlungen bei einigen Werkstoffen und bei der letzten Naht zu verstärkter Porenbildung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für Laseranlagen hoher Leistung mit flüssigkeitsgekühlten Spiegeln vorzuschlagen, welches den Laserstrahl so über die zu verschweissenden Naht oder die zu beschichtende bzw. vergütende Oberfläche des Werkstückes führt, daß die bisherigen Probleme bei der Laserstrahlbearbeitung vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zur technischtechnologischen Realisierung der Führung des Laserstrahles über die zu verschweissende Naht oder die zu beschichtende bzw. vergütende Oberfläche des Werkstückes. Ausgehend von den bisherigen Lösungen zum Schweissen, Vergüten oder Beschichten mit Laserstrahlanlagen hoher Leistung mit flüssigkeitsgekühlten Spiegeln und der Vermeidung der dabei aufgetretenen Mängel wird als technische Lösung vorgeschlagen, den Laserstrahl über die zu verschweissende Naht oder die zu beschichtete bzw. zu vergütende Oberfläche des Werkstückes als oszillierenden Spot (Fokusfleck) zu führen. Mit diesem oszillierenden Spot wird ein Überschweissen von Montagefehlem bei der Vorbereitung der zu verschweissenden Werkstücken möglich und erlaubt somit eine Vergrößerung der technologischen Toleranzen. Gleiches gilt für das Beschichten oder Vergüten von Oberflächen von Werkstücke, hier bewirkt besonders das größerflächige Erwärmen der aufgebrachten Metallschicht bzw. der zu vergütenden Oberfläche des Werkstückes eine höhere Qualität der aufgebrachten Metallschicht bzw. der Härte der Oberfläche.
Das Beschichten und Vergüten von Werkstücken mit Laserstrahlanlagen hoher Leistung ist für besonders hoch beanspruchte Baugruppen, z. B. bei Armaturen für die Öl- und Gaswirtschaft, eine vorteilhafte Methode, um die auf Verschleiß beanspruchten Teile der Armaturen mit einer längeren Einsatzzeit zu versehen und mit dem Aufarbeiten der Verschleißflächen wieder einsatzfähig zu machen. Dieses Aufarbeiten erfolgt durch Beschichten mit metallischen Legierungen und Verbundwerkstoffen vorteilhaft mit Laserstrahlanlagen hoher Leistung. Die gegenwärtig dabei auftretenden technisch, technologischen Probleme betreffen beim Beschichten einen tiefen Einbrand und ein hohes Aufmischen des Grundwerkstoffes in das beschichtete Material.
Um diesen Nachteil mit den gegenwärtigen technologischen Laserstrahlanlagen hoher Leistung zu umgehen, wird mit niedriger Strahlungsenergie der aufzutragende Werkstoff aufgeschmolzen und in einem zweiten Arbeitsschritt dieser aufgetragene Werkstoff verschmolzen; damit wird die Bearbeitungszeit für eine Beschichten der Werkstücke verdoppelt und zusätzliche Oberflächendefekte beim zweiten Arbeitsvorgang des Verschmelzen treten vielfach auf. Mit dem oszillierenden Spot kann die Energiedichte des Laserstrahles für das Aufschmelzen der metallischen Legierungen und Verbundwerkstoffe vorteilhaft eingestellt werden und das Auf- und Verschmelzen in einem Arbeitsgang erfolgen. Als weiterer Vorteil ist eine gesteuerte Eindringtiefe des aufgeschmolzenen Materials in das Material des Werkstückes möglich (Abb. 17).
Als erfindungsgemäße Lösung wird eine elektromagnetische Steuerung des letzten Umlenkerspiegels oder des Fokussierspiegels vorgeschlagen, die folgende Arbeitsweisen erlaubt:

- einseitiges Auslenken des Fokus zur Korrektur asymmetrischer Spaltkonfigurationen;
- symmetrisches Pendeln des Fokus mit frei wählbarer Richtung, Frequenz und Amplitude;
- Oszillieren des Fokus mit frei wählbarer "Drehzahl" und "Kreisdurchmesser";

Bei Notwendigkeit sind auch beliebige Varianten als Mischung der Hauptarbeitsweisen möglich.
Für das Oszillieren des Spots unter Einbeziehung des Vorschubes des Werkstückes oder der Laserschweissvorrichtung werden erfindungsgemäß folgende verfahrensmäßige oszllierende Bewegungen für eine Schweissnaht vorgeschlagen:

1. eine kreiselnde Bewegung (Abb. 1-4);
2. eine pendelnde Bewegung (Abb. 5-8);
3. eine Zick-Zack Bewegung (Abb. 9-12);
4. eine lineare Bewegung (Abb. 13-16)

In der Abb. 4 wird die Überlappung der Spots des Laserstrahles für die 1. oben beschriebene Bewegung dargestellt, woraus gut ersichtlich wird, wie sich die Strahlungsenergie des Laserstrahles über die Schweißnaht verteilt.
So wird für die kreiselnden Bewegung des Spots in Abb. 4 eine gleichmäßige doppelte Energie an den Randzonen der Schweissnaht erzeugt, wobei die in der Mitte der Schweißnaht unterschiedliche Energiedichte auf den Verschmelzvorgang in der Naht keine Nachteile auf das Verschweissen verursacht.
Mit einer pendelnden Bewegung in Abb. 8 wird eine gleichmäßige Energiedichte über der Schweisnaht erzielt, wobei auf der linken Seite der zu verschweissenden Materialien die Energiedichte verdoppelt wird und so mehr Material zum Verschweissen aufgeschmolzen wird.
Mit Zick-Zack Bewegung in Abb. 12 werden ähnliche Ergebnisse wie mit der pendelnden Bewegung erzielt, nur sind hier die Energieverteilungsverhältnisse schärfer abgegrenzt.
Mit der linearen Bewegung in Abb. 16 wird eine gleichmäßige Energieverteilung ohne Überlappung erzeugt, somit bleibt die Energiedichte über die gesamte vom Spot überstrichene Fläche gleich. Mit dieser Führung des Spots lassen sich Werkstücke vorteilhaft beschichten oder vergüten.
Bestandteil dieser Erfindung ist eine Vorrichtung, die gegenüber dem bekannten Stand der Technik zur Strahlenführung und -formung mit Y- und X-Y-Scannern und Polygon Scannern auch eine oszillierende Bewegung des Spots des Laserstrahles auf dem Werkstück ermöglicht. Diese oszillierende Bewegung des Laserstrahles auf dem Werkstück wird erfindungsgemäß damit erreicht, daß der letzte Umkehrspiegel im Strahlengang vor dem Fokussierspiegel als ein beweglich steuerbarer Spiegel konstruktiv gestattet wird (Abb. 18). Die Bewegung des Spiegels erfolgt mittels Elektromagneten der Ablenkelemente (3), die zwischen dem Spiegel (1) und dem Spiegelgehäuse (2) am Umfang des Spiegels angeordnet sind. Dabei wird der Abstand des Spiegels vom Spiegelgehäuse durch vorzugsweise mechanischen Federn justiert. Die Elektromagnete sind in einer entsprechenden Anzahl am Umfang des Spiegels angebracht und jeder Elektromagnet kann einzeln angesteuert werden, damit ist eine Bewegung des Spiegels gegeben, die den Anzug der Elektromagneten der Ablenkelemente (3) folgt. Werden die Elektromagnete nun von einem Steuerstrom durchflossen, verändert sich der Spiegelabstand vom Spiegelgehäuse und damit die fest eingestellte Justierung des Umkehrspiegels im Strahlungsgang des Laserstrahles. Diese Bewegungsänderung, ausgehend vom Umfang des Spiegels, folgt der magnetischen Anziehungskraft der Elektromagneten und damit dem steuerbaren Stromfluß, der durch die Wicklungen der Elektromagnete fließt. Sind die Elektromagnete ohne Stromfluß, stellt sich die ursprüngliche Justierung des Umkehrspiegels oder des Fokussierspiegels wieder ein. Mit dieser konstruktiven Lösung der Bewegung des Umkehrspiegels oder des Fokussierspiegels sind alle im Verfahren aufgeführten Bewegungen des Spots des Laserstrahles auf dem Werkstück realisierbar. Da die Bewegungen des Umkehrspiegels oder des Fokussierspiegels periodisch mit Frequenzen zwischen 10-100 Hertz erfolgen sollen, sind die Ablenkelemente (3) (Elektromagnet und Feder) mit nach dem Stand der Technik bekannten Dämpfungsgliedern auszustatten, die ein Überschwingen der Ablenkelemente (3) vermeiden.
Diese techniche Lösung eignet sich besonders für flüssigkeitsgekühlte Spiegel, da hier die Zuführung der Kühlflüssigkeit nach den bisher bewährten Konstruktionen beibehalten werden kann und damit besonders für Laseranlagen hoher Leistung von Vorteil ist.
In den Abb. 19-21 sind mögliche Ausführungsformen des Umkehrspiegels als Spiegel mit glatter Fläche (1), als Spiegel mit Kegelform (1), als Spiegel mit Halbkugel (1) angegeben.
Die Kegelform in der Abb. 20 sowie die Halbkugelform in der Abb. 21 ermöglichen auf Grund der in einem Neigungswinkel von zweckmäßigerweise 30-60 Grad zur Spiegeloberfläche angebrachten Ablenkelemente (3) eine vorteilhaftere Bewegung der Spiegeloberfläche für das Oszillieren des Spots des Laserstrahles und mit der größeren Masse des beweglichen Teils des Umkehrspiegels ein geringeres Überschwingen und ein vorteilhafteres Justieren.
Eine weitere Ausführungsform nach dem Prinzip des Kegels oder der Halbkugel ergibt sich, wenn Kegel oder Halbkugel als Auflage (Gehäuse) für den Spiegel dienen und damit Gehäuse und Spiegel nach Abb. 20 und 21 vertauscht werden.
Abb. 1-4 kreiselnde Bewegungen des Laser-Spots
Abb. 1 Zyklusablauf
Abb. 2 Zyklusablauf
Abb. 3 Längenverhältnis Vorschub/Weg Laser-Spot
Abb. 4 Überlappungen Laser-Spot
Abb. 5-8 pendelnde Bewegungen des Laser-Spots
Abb. 5 Zyklusablauf
Abb. 6 Zyklusablauf
Abb. 7 Längenverhältnis Vorschub/Weg Laser-Spot
Abb. 8 Überlappungen Laser-Spot
Abb. 9-12 Zick-Zack Bewegungen des Laser-Spots
Abb. 9 Zyklusablauf
Abb. 10 Zyklusablauf
Abb. 11 Längenverhältnis Vorschub/Weg Laser-Spot
Abb. 12 Überlappungen Laser-Spot
Abb. 13-16 lineare Bewegungen des Laser-Spots
Abb. 13 Zyklusablauf
Abb. 14 Zyklusablauf
Abb. 15 Längenverhältnis Vorschub/Weg Laser-Spot
Abb. 16 Überlappungen Laser-Spot
Abb. 17 Aufschmelzen metallischer Legierungen
Abb. 18 Prinzip der Anordnung des Umkehrspiegels
Abb. 19 Spiegel mit glatter Fläche
Abb. 20 Spiegel mit Kegelform
Abb. 21 Spiegel mit Halbkugel Bezugszeichen 1 Spiegel
2 Spiegelgehäuse
3 Ablenkelemente
4 Kühlleitungen für den Spiegel

Claims

1. Verfahren zur Erweiterung der Technologie und Erhöhung der Qualität des Schweissens, Beschichtens oder Vergütens von Werkstücken aus Metall mit Laserstrahlanlagen hoher Leistung und flüssigkeitsgekühlten Spiegeln dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl über die zu verschweissende Naht oder das zu beschichtete oder zu Vergütende Werkstück als oszillierender Spot (Fokusfleck) geführt wird.

2. Verfahren zur Erweiterung der Technologie und Erhöhung der Qualität des Schweissens, Beschichtens oder Vergütens von Werkstücken aus Metall mit Laserstrahlanlagen hoher Leistung und flüssigkeitsgekühlten Spiegeln nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl als oszillierender Spot (Fokusfleck) unter Einbeziehung des Vorschubes des Werkstückes oder der Laserschweissvorrichtung
eine kreiselnde Bewegung (Abb. 1-4);
eine pendelnde Bewegung (Abb. 5-8);
eine Zick-Zack Bewegung (Abb. 9-12);
eine lineare Bewegung (Abb. 13-16)
sein kann.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Laserstrahles der vorletzte Spiegel im Strahlengang der fliegenden Optik, der letzte Umkehrspiegel oder der Fokussierspiegel, elastisch so befestigt werden, daß diese mit elektromagnetischen Ablenkelementen um einen geringen Betrag mit einer oszillierenen Taumelbewegung ausgelenkt werden können.

4, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierenden Bewegungen des letzten Umkehrspiegels oder des Fokusierspiegels mittels am Umfang des Spiegels angeordneter Ablenkelemente (3), bestehend aus Elektromagneten, Justierfedern und Dämpfungsgliedem, mit Hilfe eines Steuerstromes einer Programmsteuerung erzeugt werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitskühlung der Spiegel wie bisher realisiert wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Umkehrspiegel oder der Fokussierspiegel mit seinen am Umfang angeordneten Ablenkelementen (3) als Spiegel mit glatter Fläche (Abb. 19), als Spiegel mit Kegelform (Abb. 20), als Spiegel mit Halbkugel (Abb. 21) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Umkehrspiegel oder der Fokussierspiegel mit seinen am Umfang angeordneten Ablenkelementen (3) als Spiegel auf einem Kegel oder als Spiegel auf einer Halbkugel in spiegelbildlicher Ausbildung nach den Abb. 20 und 21 ausgebildet ist.