DE19944469A1

DE19944469A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Hybridschweißen

Info

Publication number: DE19944469A1
Application number: DE19944469A
Authority: DE
Inventors: Stefan Trube; Ernst Miklos; Juergen Scholz
Original assignee: Linde Gas AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Die Erfindung setzt sich mit dem Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen auseinander, wobei ein fokussierter Laserstrahl und ein elektrischer Lichtbogen auf im wesentlichen dieselbe Bearbeitungsstelle am Werkstück treffen. Erfindungsgemäß wird die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet. Mit Vorteil wird die Lichtbogenachse koaxial zur Laserstrahlachse angeordnet. Insbesondere kann die Laserstrahlung ringförmig um die Lichtbogenachse auf das Werkstück geleitet werden. Es können mehrere Laserstrahlenbündel auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche geleitet werden. Diodenlaser werden bevorzugt eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf das zu bearbeitende, relativbewegte Werkstück geleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück erzeugt wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen umfassend einen Laserschweißkopf zum Zuleiten zumindest eines fokussierten Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück, einem Schweißbrenner zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer Elektrode und dem Werkstück und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen einerseits dem Laserschweißkopf und dem Brenner und andererseits dem Werkstück.

Laserstrahl- und Lichtbogenschweißverfahren sind mit einem breiten Einsatzfeld in der industriellen Fertigung etabliert. Beide Verfahren haben ihre spezifischen Anwendun gen, die durch die physikalischen Prozesse des jeweiligen Energietransports zum Werkstoff und die erreichten Energieflüsse gekennzeichnet werden.

Charakteristisch bei dem Laserstrahlschweißen ist die geringe Einbringung von Energie in den Werkstoff bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten, was zu einer vergleichbar schmalen wärmebeeinflußten Zone mit einem großen Verhältnis von Einschweißtiefe zu Nahtbreite führt. Allerdings ist beim Laserstrahlschweißen die erzielbare Spaltüberbrückbarkeit aufgrund des kleinen Strahldurchmessers der Laserstrahlung gering.

Der Lichtbogenschweißprozeß führt aufgrund der wesentlich kleineren Energiedichte zu geringeren Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Außerdem ist der Brennfleck des Lichtbogens an der Werkstückoberfläche größer als beim Laserstrahl. Als Folge ergeben sich beim Lichtbogenschweißen breitere Nähte als beim Laserstrahl schweißen, so daß bei einer vergleichbaren Schweißnahttiefe die Spaltüberbrück barkeit größer ist.

Seit einiger Zeit wird versucht, das Laserstrahlschweißen mit dem Lichtbogen schweißen zu kombinieren. Dabei sind grundsätzlich zwei Verfahrensvarianten denkbar. Die erste Möglichkeit stellt die serielle Prozeßführung dar. Dabei wirken Laserstrahl und Lichtbogen in der Regel zeitlich und örtlich getrennt auf das Werkstück.

Die zweite mögliche Verfahrensvariante wird als sog. Hybridschweißen bezeichnet. Dabei wirken Laserstrahl und Lichtbogen (MSG, WIG oder Plasma) zeitgleich in der Wechselwirkungszone (Plasma und Schmelze) und beeinflussen oder unterstützen sich gegenseitig.

Die Erfindung setzt sich mit dem Hybridschweißen auseinander, wobei die Laserstrah lung und der Lichtbogen im wesentlichen auf dieselbe Stelle am Werkstück auftreffen. Beim Hybridschweißen führt der Lichtbogen dem Schweißgut im oberen Nahtbereich zusätzlich zum Laserstrahl Wärme zu, was zu einer kelchförmigen Gestaltung der Schweißnaht führt. Die wechselseitige Beeinflussung der Prozesse erlaubt je nach dem eingesetzten Laserstrahlschweiß- oder Lichtbogenschweißverfahren und den dabei eingestellten Prozeßparametern unterschiedliche Ausprägungen und Ausrich tungen. Die Wärmebelastung des Werkstücks beim Hybridschweißen kann ähnlich wie beim Laserstrahlschweißen relativ gering gehalten werden. Je nach dem Verhältnis der Leistungsbeiträge durch Laserstrahlung oder Lichtbogen überwiegt der Charakter des jeweiligen Verfahrens beim Hybridschweißen.

Beim Hybridschweißen wird bisher die Schutzgasschweißmimik entweder seitlich unter einem Winkel zur Laserstrahlachse oder koaxial um den Laserstrahl angeordnet. Der artige Hybridschweißverfahren sind beispielsweise aus der DE 43 34 568 A1 bekannt.

Durch die unsymmetrische Anordnung von Elektrode und Laserstrahl bestehen nur eingeschränkt Automatisierungsmöglichkeiten. Abweichungen der relativen Position der bei den Energiequellen Laserstrahlung und Lichtbogen zueinander und/oder zum Werkstück schränken die Reproduzierbarkeit des Prozesses ein und/oder führen zu ungleichmäßiger Qualität.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, durch welche die oben bezeichneten Nachteile überwunden werden können und insbesondere eine verbesserte Auto matisierungsmöglichkeit geschaffen wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren dadurch gelöst, daß die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine entsprechende Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorgesehen.

Die Achse des Lichtbogens kann koaxial zur Laserstrahlachse ausgerichtet werden. Insbesondere kann die Laserstrahlung ringförmig um die Lichtbogenachse auf das Werkstück geleitet werden.

In Ausbildung der Erfindung werden mehrere Laserstrahlbündel auf die zu bearbei tende Werkstückoberfläche geleitet.

Erfindungsgemäß kann die Laserstrahlung durch einen oder mehrere Laser erzeugt werden. Grundsätzlich eignen sich alle zum Schweißen bekannten Laser besondere Vorteile werden durch den Einsatz von Diodenlasern, insbesondere von Hochleistungs diodenlaser (HDL), erzielt. Bei mehreren Laserstrahlquellen bzw. Laserstrahlbündeln oder bei mehreren Diodenlasern können durch unterschiedliche Ansteuerung oder Diodensegmente und/oder durch unterschiedliche Positionierung der einzelnen Laser definiert die Wärmezufuhr und/oder die Schmelzbadeigenschaften gesteuert werden. Dies führt im Zusammenhang mit der konzentrischen Ausrichtung der Lichtbogenachse zur Laserstrahlung zu einer merklichen Erhöhung der Prozeßsicherheit. Durch die Erfindung können die Möglichkeiten der Automatisierbarkeit beim Hybridschweißen wesentlich gesteigert werden.

Das Hybridschweißen kann sowohl mit als auch ohne Schutz- und/oder Prozeßgas erfolgen. Im Rahmen der Erfindung können alle für das Lasertrahlschweißen und/oder für das Lichtbogenschweißen bekannten Schutz- und/oder Prozeßgase eingesetzt werden. Dabei können Gase oder Gasgemische Verwendung finden.

Im Zusammenhang mit der Erfindung können abschmelzende oder nicht-abschmel zende Elektroden verwendet werden. Durch eine koaxiale Anordnung von Laserstrahl achse und Achse der Zufuhr des Zusatzwerkstoffes bei Abschmelzender Elektrode kann die Prozeßsicherheit zusätzlich erhöht werden. Bei nicht-abschmelzender Elek trode kann sowohl mit als auch ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet werden.

In Weiterbildung der Erfindung kann anstelle einer Einzelelektrode auch mit mehreren Elektroden mit gleichem oder mit unterschiedlichem elektrischen Potential geschweißt werden (z. B. Tandem- oder Doppeldraht).

Als Lichtbogenschweißverfahren kommen im Zusammenhang mit der Erfindung die Lichtbogenschweißverfahren MSG, MAG, MIG, WIG oder Plasma in Betracht.

Unter einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein im wesent lichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahl verstanden. Außer bei der überwiegend eingesetzten Methode mit im wesentlich auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahlung kann die Erfindung auch bei der selten benutzten Variante mit auf die Werkstückoberfläche defokussierter Strahlung Anwendung finden.

Claims

1. Verfahren zum Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf das zu bearbeitende, relativbewegte Werkstück geleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Lichtbogens koaxial zur Laserstrahlachse ausgerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung ringförmig um die Lichtbogenachse auf das zu bearbeitende Werkstück geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laserstrahlen bündel auf das zu bearbeitende Werkstück geleitet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung durch einen oder mehrere Laser erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß CO₂- Laser, Nd:YAG-Laser oder bevorzugt Diodenlaser eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeß- und/oder Schutzgas auf das zu bearbeitende Werkstück strömt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine abschmelzende oder nichtabschmelzende Elektrode verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden mit gleichem oder unterschiedlichem elektrischen Potential eingesetzt werden.

10. Vorrichtung zum Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen umfassend einen Laserschweißkopf zum Zuleiten zumindest eines fokussierten Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück, einem Schweißbrenner zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer Elektrode und dem Werkstück und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen einerseits dem Laserschweißkopf und dem Brenner und andererseits dem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorge sehen ist, so daß die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorgesehen ist, so daß die Achse des Lichtbogens koaxial zur Laserstrahlachse ausgerichtet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorgesehen ist, so daß die Laser strahlung ringförmig um die Lichtbogenachse auf das zu bearbeitende Werkstück geleitet wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zuleiten der Laserstrahlung Mittel zum Zuleiten mehrerer Laserstrahlenbündel auf das zu bearbeitende Werkstück umfassen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Laser zur Erzeugung der Laserstrahlung vorhanden sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser oder bevorzugt Diodenlaser enthalten sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zufuhr eines Prozeß- und/oder Schutzgases auf das zu bearbeitende Werkstück vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine abschmelzende oder nicht-abschmelzende Elektrode vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden mit gleichem oder unterschiedlichem elektrischen Potential vorhanden sind.

19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18 zum auto matisierten Hybridschweißen.