DE3827297A1 - Vorrichtung und verfahren zum fuegen von werkstuecken mit laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit Laserstrahlung, die zum insbesondere Verschweißen eines Werkstücks mit mindestens einem an der Fügestelle vorzugsweise konvex gebogenen Werkstück im wesentlichen parallel zur Fügespaltebene und im wesentlichen senkrecht zur Fügelinie gerichtet eingestrahlt sowie über­ wiegend in einer einzigen Ebene polarisiert ist.

Eine derartige Vorrichtung ist Gegenstand der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 37 13 975.4. Die überwiegend in einer einzigen Ebene linear polarisierte Laserstrahlung ist überwiegend parallel zur Fügespaltebene polarisiert. Damit wird bei streifendem Einfall des Laser­ lichts auf die zu fügenden Kanten oder Flächen eine große Reflexion der Laserstrahlung erreicht, so daß diese bei Viel­ fachreflexionen infolge der oben angegebenen Strahlführung relativ zu den zu fügenden Werkstücken bis zur Fügestelle oder in deren unmittelbare Nähe gelangt, ohne zuvor erheb­ lichen Energieverlust zu erleiden. Infolgedessen wird der zum Fügen der Werkstücke aufzuschmelzende Werkstoff prak­ tisch erst an der Fügestelle aufgeschmolzen, so daß es nicht erforderlich ist, einen wesentlichen Querdruck auszuüben, um eine hinreichend feste Verschweißung der Werkstücke mit­ einander zu erreichen.

Beim Fügen von Werkstücken mit Laserstrahlung ist es allgemein bekannt, den Laserstrahl vorzugsweise senkrecht zur Werkstückoberfläche auf das Werkstück bzw. auf den Fügebereich der zu fügenden Werkstücke zu fokussieren. Die Strahlungsintensität an der Fügestelle ist so groß, bei Stahl z. B. größer als 10⁶ W/cm², daß Werkstoff verdampft. Das führt zur Ausbildung eines Plasmas in Verbindung mit einer Dampfkapillare an der Fügestelle. Die an sich er­ wünschte Folge ist eine erhöhte Energieeinkopplung, so daß mit vergleichsweise großen Nahttiefen und/oder Geschwindig­ keiten gefügt werden kann. Der bei diesem Fügen erforderliche Leistungsbedarf wird wesentlich durch die für die Verdampfung des Werkstoffs benötigte Leistung beeinflußt. Diese Leistung ist insbesondere für Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen thermischen Eigenschaften entsprechend unterschiedlich. Das gilt z. B. für das Verschweißen von Werkstücken aus Aluminium mit Werkstücken aus Stahl. Infolgedessen ist daß Fügen mit senkrecht auf die Werkstückoberfläche gerichtetem Laserstrahl nur bei extrem genauer Prozeßführung in wenigen Ausnahmefällen durchführbar.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die zur Verfügung stehende Strahlungsleistung zum Fügen der Werkstücke effizienter genutzt wird, nämlich in auf deren Werkstoffe abgestimmte Weise.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Laserstrahlung überwiegend senkrecht zur Spaltebene polarisiert ist.

Als linear polarisierte Laserstrahlung steht also senk­ recht zur Fügespaltebene polarisierte Strahlung zur Verfü­ gung, die bei der vorgegebenen Fügegeometrie zu einer opti­ malen Energieabsorption führt, nämlich bei streifendem Ein­ fall der Laserstrahlung in einen Fügespalt zwischen einander zugekehrten Werkstückflächen. Dann ist der in der zwischen den einander zugekehrten Flächen gelegenen Einfallsebene gemessene Einfallswinkel sehr groß, so daß wegen der senk­ recht zur Spaltebene bzw. parallel zur Einfallsebene pola­ risierten Laserstrahlung eine entsprechend große Strahlungs­ absorption erfolgt. Infolgedessen ist es möglich, die Strah­ lungsenergie genau an der gewünschten Stelle nahezu voll­ ständig absorbieren zu lassen, was den Vorteil hat, daß auf die Ausbildung eines laserinduzierten Plasmas zur gesteiger­ ten Energieeinbindung verzichtet werden kann. Damit entfallen auch die bei einem Fügen mit Plasma erforderlichen besonderen Maßnahmen, z. B. das Verhindern von Detonationen. Es genügt vielmehr, das Werkstück anzuschmelzen und zu fügen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Einfallswinkel des Laserstrahls bezüglich eines Werkstücks dem Brewster- Winkel des Materials dieses Werkstücks entspricht.

Bei einer Einstrahlung des Laserstrahls unter einem dem Brewster-Winkel entsprechenden Winkel wird die Energie der Laserstrahlung nahezu vollständig an der Werkstückober­ fläche absorbiert. Der Brewster-Winkel ist bei metallischen Werkstoffen sehr groß, so daß er bei Werkstücken mit einander zugekehrten Fügeflächen insbesondere dann gut ausgenutzt werden kann, wenn eine konvex gebogene Werkstückfläche vor­ handen ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Laserstrahl zu­ mindest überwiegend auf nur eines der zu fügenden Werkstücke gerichtet. Demgemäß wird die vom Laserstrahl transportierte Energie auch nur im wesentlichen in dieses Werkstück einge­ koppelt. Damit ergibt sich die grundsätzliche Möglichkeit, die Energieeinkoppelung unter Anwendung der senkrecht zur Spaltebene polarisierten Laserstrahlung in nur eines der beiden Werkstücke einzukoppeln, nämlich in jenes, welches die höhere Schmelztemperatur hat und demgemäß mehr Energie zum Aufschmelzen benötigt. Mit dieser Vorrichtung wird daher das Fügen von Werkstücken, die unterschiedliche Werkstoffe haben, erleichtert.

Um den Laserstrahl bei sehr engen Fügespalten genügend tief zwischen die Werkstücke einstrahlen zu können, ohne daß die Energie vorzeitig in das oder in die Werkstücke ein­ gekoppelt wird, ist der Laserstrahl als spaltparalleler Streifen ausgebildet oder quer zum Fügespalt fokussiert. Das ist insbesondere erforderlich, wenn dickere Werkstücke ge­ fügt werden sollen, deren Formveränderungen mit kleinen Radien problematisch ist.

Ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit Laser­ strahlung, die während des insbesondere Verschweißens eines Werkstücks mit mindestens einem an der Fügestelle vorzugsweise konvex gebogenen Werkstück im wesentlichen parallel zur Fügespaltebene und senkrecht zur Fügelinie eingestrahlt wird und überwiegend in einer einzigen Ebene polarisiert ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß überwiegend zur senkrecht zur Spaltebene polarisierte Laserstrahlung zum plasmafreien Aufschmelzen von Werkstoff verwendet wird.

Bei diesem Verfahren wird, wie bei der vorbeschriebenen Vorrichtung, die gesteigerte Energieabsorption aus senk­ recht zur Spaltebene polarisierter Laserstrahlung bei streifendem Strahlungseinfall zwischen die zu fügenden Werkstücke ausgenutzt, und zwar zum plasmafreien Aufschmelzen von Werkstoff. Eine Materialverdampfung findet also nicht statt. Durch die fast vollständige Energieeinkoppelung in die Fügestelle ohne Entwicklung eines Plasmas bzw. einer Dampfkapillaren kann die zur Verfügung stehende Strahlungs­ leistung für den Fügeprozeß effizienter genutzt werden, und zwar sowohl effizienter hinsichtlich des Fügens mit Ausbildung eines laserinduzierten Plasmas, als auch hinsichtlich des bekannten plasmalosen Aufschmelzens von Werkstoff mit zirkular­ polarisierter Laserstrahlung.

In Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens eins der Werkstücke mit der Laserstrahlung angeschmolzen und das zweite Werkstück in die erstarrende Schmelze des ersten Werkstücks eingetaucht. Infolgedessen können Werkstücke aus Materialien mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen verbunden werden. Beispielsweise werden ein aus Stahl und ein aus Aluminium oder dessen Legierung bestehendes Werkstück gefügt. Die betreffenden Schmelztemperaturen sind etwa 600°C für Aluminium und 1600°C für Stahl. Das Eintauchen von Fügepartnern in ein Schmelzbad erfolgt bei dem oben beschriebenen streifenden Strahlungseinfall bei einem Länge-zu-Breite-Verhältnis des Schmelzbades von sehr viel größer als 1, so daß auch bei geringer Krümmung des konvex gebogenen Werkstücks eine hinreichende Eintauchtiefe auch über die erforderliche Länge zur Verfügung steht.

Um die unterschiedlichsten Fügekonfigurationen herstellen zu können, werden einerseits ein Rohr oder eine gekrümmte Platte als gebogenes Werkstück und andererseits ein gerader Steg oder eine gerade Platte als gerades Werkstück verwendet.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht zweier zu fügender Werkstücke,

Fig. 2 die Ansicht der Werkstücke der Fig. 1 in Richtung A, und

Fig. 3 die Abhängigkeit der Reflexion vom Einfallswinkel in diagrammatischer Darstellung.

In Fig. 1 sind zwei Werkstücke 4 und 6 dargestellt, die gefügt werden sollen. Das Werkstück 6 ist ein gerader Steg und das Werkstück 4 ist eine gebogene Platte. Infolgedessen schließen beide zwischen sich einen Fügespalt 5 ein, dessen Spaltebene in Fig. 2 mit 1 bezeichnet ist. In den Fügespalt 5 zwischen den Werkstücken 4, 6 strahlt ein Laser mit einem Laserstrahl 3. Die Strahlführung ist in Anpassung an die gegebene Werkstückgeometrie derart, daß der Strahl im wesent­ lichen parallel zur Fügespaltebene 1 und im wesentlichen senkrecht zur Fügelinie 8 gerichtet ist. Die Fügelinie 8 ist die Berühmungslinie der Werkstücke 4, 6 bzw. die Be­ rührungslinie der theoretischen Außenflächen der Werkstücke 4, 6 am Beginn der Verbindungsnaht 10.

Fig. 1 läßt außerdem erkennen, daß der Laserstrahl 3 als Streifen ausgebildet ist, der in der Fügespaltebene 1 bzw. im wesentlichen parallel zu dieser liegt. Durch diese Strahlformung wird erreicht, daß die Fügestelle 9 vergleichs­ weise tief im Spalt liegt, weil eine vorzeitige Bestrahlung der Werkstücke 4, 6 vermieden wird. Die Formung des Strahlquer­ schnitts in Anpassung an den Fügespalt erfolgt durch optische Linsen, wie Zylinder-, Meniskus-, sphärische Linsen usw. und/oder durch Spiegel, wie sphärische, elliptische oder parabolische Spiegel. Die Führung des Laserstrahls 3 erfolgt durch entsprechende oder plane Spiegel in herkömmlicher Weise. Die entsprechenden Bauteile sind daher nicht dargestellt.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Laserstrahlung im wesentlichen senkrecht zur Spaltebene 1 schwingt. Es handelt sich also um eine parallel zur Einfallsebene liegende Pola­ risation der Laserstrahlung, wobei die Einfallsebene senk­ recht zu den zu fügenden Flächen 6′, 4′ der Werkstücke 6, 4 liegt, weil der Laserstrahl 3 zumindest auf eine dieser Flächen trifft. Aus Fig. 2 ist daher ersichtlich, daß der Einfallswinkel 2 des Laserstrahls 3 bzw. der Laserstrahlung an der Fügestelle 9 bezüglich des Werkstücks 4 sehr groß ist, nämlich praktisch 90°. Der Einfallswinkel 2 kann durch eine entsprechende Ausrichtung des Laserstrahls 3 zum Werkstück 4 auch auf eine davon abweichende gewünschte Größe durch ent­ sprechende Strahlführung eingestellt werden.

Aus Fig. 6 ist die Abhängigkeit der Reflexion linear polarisierter Laserstrahlung vom Einfallswinkel ersichtlich. Für p-polarisierte Laserstrahlung, die also parallel zur Einfallsebene schwingt, wie in Fig. 2 dargestellt, ergibt sich in der Nähe von 90° ein Minimum. Infolgedessen wird die Energie entsprechend polarisierter Laserstrahlung weit­ gehend in das Werkstück eingekoppelt. Die Kurve für p- polarisierte Laserstrahlung ist werkstoffabhängig, liegt jedoch für die hier in erster Linie in Rede stehenden metallischen Werkstoffe mit ihrem Minimum stets nahe 90°. Dieses Minium wird als Brewster-Winkel bezeichnet. Infolge­ dessen führt gemäß der Fig. 1, 2 streifend bzw. nahezu tangential einfallende Laserstrahlung zu einer weitgehenden Energieabsorption, insbesondere wenn der Einfallswinkel 2 gleich dem Brewster-Winkel ist.

Bedingt durch den großen Einfallswinkel 2 des Laserstrahls bzw. infolge der Bestrahlung des Werkstücks 4 bereits vor der Fügelinie 8 wird auch schon weit vor der Fügelinie 8 Werkstoff aufgeschmolzen, so daß das Schmelzbad der Schmelze 7 sehr lang im Verhältnis zur Breite ist. Das ergibt sich auch durch die perspektivische Darstellung der Fig. 1, in der die Schmelzzone quergestrichelt dargestellt ist. In dieses Schmelzbad 7 wird das als Steg ausgebildete Werkstück 6 einge­ taucht und verbindet sich mit der erstarrenden Schmelze 7. Die Form des Schmelzbades 7 bzw. dessen Länge ermöglicht das Vorheizen des Werkstücks 4, so daß auf diese Weise heiß-riß­ empfindliche Werkstoffe geschweißt werden können. In jedem Fall ist es möglich, das Fügen bzw. Schweißen durch Bestrahlung des Werkstücks 4 oder auch des Werkstücks 6 durchzuführen, indem Werkstoff lediglich angeschmolzen, aber nicht verdampft wird, so daß sich auch kein laserinduziertes Plasma ausbilden kann.

Die Werkstücke können auch abweichend von der Darstellung in Fig. 1, 2 ausgestaltet sein. Beispielsweise können beide Werkstücke konvex gekrümmt sein. Die zur Erzielung einer geraden oder in bestimmter Weise geformten Verbindungsnaht 9 erforderlichen Werkstückführungen sind herkömmlicher Art und werden daher nicht weiter beschrieben.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit Laserstrahlung, die zum insbesondere Verschweißen eines Werkstücks mit mindestens einem an der Fügestelle vorzugsweise konvex gebogenen Werkstück im wesentlichen parallel zur Füge­ spaltebene und im wesentlichen senkrecht zur Fügelinie gerichtet eingestrahlt sowie überwiegend in einer ein­ zigen Ebene linear polarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung überwiegend senkrecht zur Spaltebene (1) polarisiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einfallswinkel (2) des Laserstrahls (3) bezüglich eines Werkstücks (4) dem Brewster-Winkel des Materials dieses Werkstücks (4) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laserstrahl (3) zu­ mindest überwiegend auf nur eines der zu fügenden Werk­ stücke (4) gerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (3) als spaltparalleler Streifen ausgebildet oder quer zum Fügespalt (5) fokussiert ist.

5. Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit Laserstrahlung, die während des insbesondere Verschweißens eines Werk­ stücks mit mindestens einem an der Fügestelle vorzugs­ weise konvex gebogenen Werkstück im wesentlichen parallel zur Fügespaltebene und senkrecht zur Fügelinie einge­ strahlt wird und überwiegend in einer einzigen Ebene polarisiert ist, dadurch gekennzeich­ net, daß überwiegend zur Spaltebene (1) polarisierte Strahlung zum plasmafreien Aufschmelzen von Werkstoff verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eines der Werkstücke (4) mit der Laserstrahlung angeschmolzen und das zweite Werkstück (6) in die erstarrende Schmelze (7) des ersten Werkstücks (4) eingetaucht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein aus Stahl und ein aus Aluminium oder dessen Legierung bestehendes Werkstück gefügt werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits ein Rohr oder eine Platte als gebogenes Werkstück (4) und andererseits ein Steg oder eine Platte als gerades Werkstück (6) verwendet werden.