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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Es wird ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken (1) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vorgestellt, bei dem die Schweißstelle (9) mit einem ersten Laserstrahl (2) mit zumindest streckenweise im Wesentlichen zeitlich konstanter Leistung beaufschlagt wird und die Schweißstelle (9) gleichzeitig mit einem zweiten, gepulsten Laserstrahl (4) beaufschlagt wird, wobei sich die Einwirkstellen (3, 10) beider Laserstrahlen (2, 4) überschneiden. Dabei sind die Werkstücke (1) elektrolytisch oxidiert. Die jeweilige Eloxalschicht wird durch den gepulsten Laserstrahl (4) zumindest stellenweise verdampft. Auf diese Weise wird es erstmals möglich, eloxierte Werkstücke ohne vorbereitende Maßnahmen in einem gesonderten Schritt, insbesondere im Wärmeleitungsschweißverfahren, zu schweißen.
    公开号:DE102004027229A1
    申请号:DE102004027229
    申请日:2004-06-03
    公开日:2006-01-12
    发明作者:Axel Dipl.-Ing. Demmer；Dmitri Dipl.-Ing. Donst；Pierre Dipl.-Phys. Senster
    申请人:Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV；
    IPC主号:B23K26-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken ausAluminium oder einer Aluminiumlegierung, bei dem die Schweißstelle miteinem ersten Laserstrahl mit zumindest streckenweise im Wesentlichenzeitlich konstanter Leistung beaufschlagt wird, und die Schweißstellegleichzeitig mit einem zweiten, gepulsten Laserstrahl beaufschlagtwird, wobei sich die Einwirkstellen beider Laserstrahlen überschneiden.
    [0002] EinVerfahren der vorgenannten Art ist aus der DE 41 18 791 A1 bekannt.Danach wird der gepulste Laserstrahl gleichzeitig oder im Vorlaufzu einem dauerhaften Laserstrahl auf die zu schweißende Stellefokussiert. Hierdurch soll sich das Schweißergebnis gegenüber demSchweißenohne gepulsten Laserstrahl verbessern, was darauf zurückgeführt wird,dass die kurzfristig mit hohen Leistungsdichten auftreffenden Laserstrahlimpulseeine Plasmabildung an der Werkstoffoberfläche sicherstellen. Beispielhaftwurde fürden gepulsten Laserstrahl ein TEA-CO2-Laser bei einer Pulsfrequenzvon 80 Hz, einer Pulsdauer von 50 ns und Laserimpulsenergien von160 mJ eingesetzt. Es ist offenbart, die Einwirkstellen des gepulstenLaserstrahls und des dauerhaften Laserstrahls räumlich identisch oder räumlich getrennteinzustellen. Es ist davon auszugehen, dass die Ausdehnung der Einwirkstelledes gepulsten Laserstrahls der des dauerhaften Laserstrahls entspricht.Der genannte Stand der Technik betrifft allein das Schweißen voneinem Werkstückaus Aluminium oder dessen Legierungen und wurde für ein weitgehendprozesssicheres Tiefschweißenentwickelt. Das Tiefschweißenzeichnet sich durch schlanke und tiefe Schweißnähte aus. Die Laserintensitäten liegentypischerweise bei mehr als 1,5 – 4.106 W/cm2.
    [0003] Dergenannte Stand der Technik offenbart nicht die Möglichkeit, ein elektrolytischoxidiertes (eloxiertes) Werkstückaus einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung unter Einsatzvon Laserstrahlung prozesssicher zu schweißen. Nach diesseitiger Kenntnisist ein Wärmeleitungsschweißen von eloxiertenWerkstückenmittels Laserstrahlung sogar unmöglichwird. Es wird nach dem Stand der Technik daher als notwendig angesehen,die Eloxalschicht, die in ihrer Schichtstärke von 10 μm bis 100 μm und mehr die natürliche Oxidschicht(bis etwa 50 nm) um ein Vielfaches übersteigen kann, in einem aufwändigen gesondertenSchritt zu entfernen. Dieses Abtragen wird in der Regel mechanischdurchgeführt,da dies gegenübereiner Laserbehandlung wesentlich wirtschaftlicher ist. Der vollständige Abtragder Oxidschicht wird dabei geprüft.Wird die Eloxalschicht vor dem Fügennicht entfernt, so muss diese während desSchweißprozessesaufgeschmolzen oder zersetzt werden. Auf Grund der hohen Schmelztemperaturvon Aluminiumoxid von mehr als 2000 °C sind hierzu hohe Strahlleistungenund Strahlintensitäten erforderlich,die nur beim Tiefschweißenerreicht werden können.Durch die werkstoffbedingt hohe Wärmeleitung besteht die Gefahr,dass der unter der Eloxalschicht liegende Aluminiumgrundwerkstoff,der bei reinem Aluminium eine Schmelztemperatur von 660 °C hat, zuerstaufgeschmolzen wird. Das gegebenenfalls noch vorhandene Aluminiumoxidkann die Metallschmelze wie eine Haut umschließen und das stoffflüssige Verbindender Fügepartnerdurch eine Durchmischung der flüssigenSchmelze verhindern.
    [0004] Ausder DE 198 06 390A1 ist es bekannt, mittels gepulstem Laserstrahl spröde Werkstoffe,wie zum Beispiel Gläserund Keramiken derart zu bearbeiten, dass jeweils ein Elementarvolumenmit begrenzter Abtragstiefe aus dem Werkstoff abgetragen wird. HiermitkönnenpräziseStrukturen geschaffen werden. Es ist nicht offenbart, das Abtragenals Vorbereitung füreinen Schweißprozessdurchzuführen.
    [0005] Ausder US 5,499,668 istes bekannt, Oxidschichten von einer Metalloberfläche mittels eines gepulstenLasers zu entfernen. Auf diese Weise werden die Metalloberflächen für eine Lötverbindung oderfür eineBeschichtung vorbereitet. Eine Vorbereitung für einen Schweißprozessist nicht offenbart.
    [0006] Ausder DE 195 44 929A1 ist ein Verfahren zum flussmittelfreien Aufbringen einesLötmittelsauf ein Substrat oder einen Chip offenbart, bei dem die zum Löten vorgeseheneFlächemittels eines gepulsten Lasers von einer natürlichen Oxidschicht, zum Beispieleiner Aluminiumoxidschicht, befreit wird. Die so gesäuberte Fläche wirdmit einem Schutzgas beaufschlagt, um ein erneutes Oxidieren zu verhindern. Sobald dieReinigung einer Fläche,auf der eine Lotkugel angeordnet werden soll, beendet ist, wirdder gepulste Laserstrahl unterbrochen und die Lotkugel aufgegeben.Mittels eines zweiten Laserstrahls wird dann das Lötmittel,ebenfalls mit einem gepulsten Laserstrahl, geschmolzen. Ein Schweißverfahrenist hier nicht offenbart, vielmehr werden in Lötprozessen zwei artfremde Materialienmiteinander verbunden.
    [0007] Esist nun Aufgabe, der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangsgenannten Art zur Verfügungzu stellen, mit dem die Anwendungsmöglichkeiten des Laserstrahlschweißens erweitertwerden können.
    [0008] DieseAufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurchgelöst,dass die Werkstückeelektrolytisch oxidiert sind und die jeweilige Eloxalschicht durchden gepulsten Laserstrahl zumindest stellenweise verdampft wird.
    [0009] Hierdurchwird es erstmals möglich,Werkstückeaus eloxiertem Aluminium oder einer eloxierten Aluminiumlegierungmit einer Eloxalschicht mit bis zu 1000-fache Stärke einer natürlich entstandenenOxidschicht zuverlässigin einem einzigen Verfahrensschritt zu schweißen. Eine Prüfung, obdie jeweilige Eloxalschicht vollständig entfernt ist, entfällt. Dasgleichzeitige Einwirken des ersten Laserstrahls (cw-Laserstrahl) mitim Wesentlichen konstanter Leistung und des gepulsten Laserstrahlsauf die Schweißstellebringt zudem einen Synergieeffekt mit sich, der zu einem im Vergleichvon konventionellen Laserstrahlschweißverfahren niedrigeren Laserstrahlleistungsbedarfbeim dauerhaften Laser (cw-Laser) und damit zu niedrigeren Investitionskostenfür dieentsprechende Laserstrahlquelle führen kann. Somit ist es möglich, trotzEinsatzes eines zusätzlichengepulsten Laserstrahls gegenüberdem konventionellen Laserstrahlschweißverfahren wirtschaftlicherzu verfahren, da die Eloxalschicht nicht vor dem Schweißen in einemgesonderten Schritt entfernt und eine hinreichender Abtrag nichtgeprüft werdenmuss.
    [0010] DesWeiteren kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahrenso auszuführen,dass die Einwirkstelle des gepulsten Laserstrahls innerhalb derEinwirkstelle des ersten Laserstrahls permanent bewegt wird. Aufdiese Weise kann die vorteilhafte Wirkung des gepulsten Laserstrahlsauf sinnvolle Weise innerhalb der Einwirkstelle des cw-Laserstrahlssinnvoll verteilt werden.
    [0011] Dabeikann das erfindungsgemäße Verfahrenso ausgeführtwerden, dass die Bewegung der Einwirkstelle mittels mindestens einesgesteuerten, den gepulsten Laserstrahl ablenkenden Spiegels bewirktwird. Alternativ kann selbstverständlich eine andere optischeKomponente im optischen Wegverlauf des gepulsten Laserstrahls, wiez.B. eine Linse, bewegt werden, um die Position seiner Einwirkstellezu verändern.Auf einen Ablenkspiegel kann dann möglicherweise ganz verzichtetwerden.
    [0012] Weiterhinkann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dassdie Einwirkstelle des gepulsten Laserstrahls linienförmig ist,wobei die Längeder Linie im Wesentlichen dem Durchmesser der Einwirkstelle desersten Laserstrahls entspricht. In diesem Fall kann eine gesonderteBewegung des gepulsten Laserstrahls unterbleiben.
    [0013] Daserfindungsgemäße Verfahrenkann auch so ausgeführtwerden, dass der Durchmesser der Einwirkstelle des gepulsten Laserstrahlshöchstens 100 μm beträgt, beieiner Leistungsdichte von mehr als 1·1010 wcm-1 bei einer Pulsrate von mehr als 1 kHzund einer Pulsdauer von weniger als 20 ns,. Die Ausgangsleistungdes Lasers beträgtdabei zwischen 10 W und 200 W.
    [0014] Alsbesonders vorteilhaft hat sich der Einsatz eines Pulslasers mit20 bis 60 Watt, insbesondere 40 bis 45 Watt bei einer Frequenz vonetwa 30 – 70kHz, insbesondere 50 kHz, und eine Pulsdauer von 1 ns – 10 ns,insbesondere 5 ns, sowie eines Durchmessers des Brennflecks vonkleiner oder gleich 50 μm,z. B. 30 μm,erwiesen. Fürdie gepulste Laserstrahlung wurde beispielhaft ein Nd-YVO4-Lasereingesetzt.
    [0015] Daserfindungsgemäße Verfahrenkann auch so ausgeführtwerden, dass die Schweißstellepermanent mit einem Schutzgas beaufschlagt wird. Hierdurch kannverhindert werden, dass sich an den von der Eloxalschicht befreitenStellen wieder unmittelbar eine Oxidschicht bildet.
    [0016] Schließlich kanndas erfindungsgemäße Verfahrenso ausgeführtwerden, dass es fürdas Wärmeleitungsschweißen angewendetwird. Beim Wärmeleitungsschweißen werdendie Werkstückelediglich in einer bestimmten Zone der Werkstücksoberfläche, deren Geometrie durchdie Wärmeleitungin das Werkstückbestimmt wird, aufgeschmolzen. Die Schmelzzone zeichnet sich typischerweisedurch ein Verhältnisder Tiefe zur Breite von weniger als 0,5 aus. Beim Wärmeleitungsschweißen werdenim Vergleich zum Tiefschweißenwesentlich geringere Laserleistungen benötigt. Im Zusammenspiel mitdem gepulsten Laser werden fürden cw-Laser (Nd-YAG) lediglich etwa 1000 bis 1600 W bei einem Brennfleckdurchmesservon 2 mm benötigt.
    [0017] ImFolgenden wird ein Ausführungsbeispiel deserfindungsgemäßen Verfahrensanhand zweier Figuren erläutert.
    [0018] Eszeigt schematisch
    [0019] 1 imseitlichen Querschnitt ein zu schweißendes Werkstück mit auftreffendenLaserstrahlen und Schutzgasbeaufschlagung und
    [0020] 2 denVerlauf der Einwirkstelle eines gepulsten Laserstrahls während desSchweißvorgangs.
    [0021] In 1 istein Werkstück 1 sichtbar,das mittels eines Schweißprozessesim Wärmeleitungsschweißprozessmit einem zweiten, hinter dem Werkstück 1 liegenden undin 1 nicht sichtbaren Werkstück verschweißt werdensoll. Auf das Werkstück 1 istein cw-Laserstrahl 2 eines hier nicht gesondert dargestellten,in seiner Leistung im Wesentlichen zeitlich konstanten cw-Lasersgerichtet. Auf die Einwirkstelle 3 des cw-Laserstrahls 2 istdes Weiteren ein gepulster Laserstrahl 4 eines zweiten,hier ebenfalls nicht dargestellten Lasers gerichtet. Die Einwirkstelle 3 wird über eineDüse 5 miteinem Schutzgas 6 beaufschlagt. Während des Schweißprozesseswird das Werkstück 1 indie mit dem Pfeil 7 gekennzeichnete Richtung gleichmäßig verfahren. Imhier betroffenen Wärmeleitungsschweißverfahren wirddas Werkstück 1 nichtin seiner kompletten Tiefe aufgeschmolzen. Es entsteht vielmehreine Schweißnaht 8 miteiner Tiefe im Millimeterbereich oder weniger. An der Schweißstelle 9 istdas Material flüssig.
    [0022] Dergepulste Laserstrahl 4 wird mittels hier nicht dargestellterSpiegel eines Scanners regelmäßig hinund her bewegt. Zusammen mit dem Vorschub 7 des Werkstückes 1 ergibtsich der in 2 ersichtliche Verlauf des gepulstenLaserstrahls 4 auf dem Werkstück 1. Dargestelltsind hier die Einwirkstellen 10 des gepulsten Laserstrahls 4.Der gepulste Laserstrahl 4 erzeugt auf der in den Figurennicht gesondert dargestellten Eloxalschicht des eloxierten Werksstückes 1 napfförmige Einbrände, dadurch die Laserleistung die Eloxalschicht im Bereich der Einwirkstellen 10 undin deren Umgebung verdampft wird. Der Abtrag der Eloxalschicht kann,muss aber nicht zwangsläufigvollständigsein. Bei geeigneten Parametern ist ein prozesssicheres Schweißen eloxierterWerkstücke 1 ohneeinen vorherigen, vom Schweißvorgangzeitlich getrennten Abtrag der Eloxalschicht möglich. Die durch den gepulstenLaserstrahl 4 auf das Werkstück aufgebrachte Energie bewirktnicht alleine das Verdampfen der störenden Eloxalschicht sonderngleichzeitig auch das Entstehen eines Plasmas auf der Werkstückoberfläche, dasaufgrund der gegenüberder WerkstoffoberflächehöherenAbsorptionswerte fürdie Laserstrahlung füreine bessere Einkopplung sorgt. Auf Grund dessen benötigt dercw-Laser im Vergleich zu einem Verfahren ohne gepulsten Laserstrahl 4 undmit vorbehandeltem Werkstückeine deutlich geringere Leistung.
    [0023] Dadas Abtragen der Eloxalschicht und das Schweißen in einem Schritt erfolgt,wird im Vergleich zum Schweißenohne Einsatz des gepulsten Laserstrahls 4, also mit Abtragder Eloxalschicht in einem besonderen Schritt, ein wesentlich geringeresDurchflussvolumen des Schutzgases 6 benötigt.
    1 Werkstück 2 cw-Laserstrahl 3 Einwirkstelledes cw-Laserstrahls 4 gepulsterLaserstrahl 5 Düse 6 Schutzgas 7 Pfeil 8 Schweißnaht 9 Schweißstelle 10 Einwirkstelledes gepulsten Laserstrahls
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] Verfahren zum Schweißenvon Werkstücken (1)aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bei dem a) dieSchweißstelle(9) mit einem ersten Laserstrahl (2) mit zumindeststreckenweise im Wesentlichen zeitlich konstanter Leistung beaufschlagtwird, und b) die Schweißstelle(9) gleichzeitig mit einem zweiten, gepulsten Laserstrahl(4) beaufschlagt wird, wobei sich die Einwirkstellen (3, 10)beider Laserstrahlen (2, 4) überschneiden, dadurchgekennzeichnet, dass c) die Werkstücke (1) elektrolytischoxidiert sind und d) die jeweilige Eloxalschicht durch dengepulsten Laserstrahl (4) zumindest stellenweise verdampft wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Einwirkstelle (10) des gepulsten Laserstrahls(4) innerhalb der Einwirkstelle (3) des erstenLaserstrahls (2) permanent bewegt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Bewegung der Einwirkstelle (10) mittels mindestenseines gesteuerten, den gepulsten Laserstrahl (4) ablenkendenSpiegels bewirkt wird.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Einwirkstelle (10) des gepulsten Laserstrahls(4) linienförmigist, wobei die Längeder Linie im Wesentlichen dem Durchmesser der Einwirkstelle (3)des ersten Laserstrahls (2) entspricht.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass der Durchmesser der Einwirkstelle (10) des gepulstenLaserstrahls (4) höchstens100 μm beträgt, beieiner Leistungsdichte von mehr als 1·1010 wcm-1, einer Pulsrate von mehr als 1 kHzund einer Pulsdauer von weniger als 20 ns.
    [6] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Schweißstelle(9) permanent mit einem Schutzgas (6) beaufschlagtwird.
    [7] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass es fürdas Wärmeleitungsschweißen angewendetwird.
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    法律状态:
    2006-01-12| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-06-28| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
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