DE102012006762A1

DE102012006762A1 - Verfahren zum thermischen Fügen von, vorzugsweise metallischen, Fügepartnern durch berührungslose Wärmezufuhr, insbesondere Laserstrahlschweißen, sowie thermische Fügenaht

Info

Publication number: DE102012006762A1
Application number: DE201210006762
Authority: DE
Inventors: Florian Schmidt; Jens D. von Beren; Haiko von Rebenstock
Original assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Current assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-02

Abstract

Verfahren zum thermischen Fügen von, vorzugsweise metallischen, Fügepartnern durch berührungslose Wärmezufuhr, insbesondere Laserstrahlschweißen, vor allem Laserstrahltiefschweißen, bei dem die Fügepartner entlang einer vorgegebenen Fügelinie durch berührungslose Wärmezufuhr geschmolzen und mittels einer Fügenaht aus nachfolgend erstarrter Schmelze miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und thermische Fügenaht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen von, vorzugsweise metallischen, Fügepartnern durch berührungslose Wärmezufuhr, insbesondere Laserstrahlschweißen, vor allem Laserstrahltiefschweißen, bei dem die Fügepartner entlang einer vorgegebenen Fügelinie durch berührungslose Wärmezufuhr geschmolzen und mittels einer Fügenaht aus nachfolgend erstarrter Schmelze miteinander verbunden werden, sowie eine thermische Fügenaht. Die Fügepartner können zum Beispiel aus Aluminiumlegierungen, Ni-Basiswerkstoffen, austenitischen rostfreien Stählen, Grundstählen und legierten Stählen bestehen oder diese umfassen.
Thermisches Fügen wird als stoffschlüssiges Fügen definiert, bei dem die thermische Energie durch Lichtbogentechnik, Strahltechnik, Widerstanderwärmung, Hochfrequenztechnik, etc. in die Fügestelle eingebracht wird. Zum thermischen Fügen gehört auch Laserstrahlschweißen. Beim Laserstrahlschweißen wird im Hinblick auf die eingesetzten Strahlintensitäten zwischen Laserstrahltiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen unterschieden. Beim Laserstrahltiefschweißen wird in metallischen Werkstoffen eine Dampfkapillare (Keyhole) erzeugt. Aus der Dampfkapillare strömt Metalldampf. In der Metallschmelze wird durch den abströmenden Metalldampf der Dampfkapillare und die Bewegung der Kapillare durch das Bauteil (Fügepartner) sowie durch die Erstarrung der Schmelze ein prozesstypisches Strömungsmuster in der Schmelzzone erzeugt. Das erstarrte Strömungsmuster bestimmt die metallurgischen Eigenschaften der Lasertiefschweißung, d. h. der Laserstrahlschweißnaht.
Grundsätzlich ermöglicht der Tiefschweißeffekt das effiziente Schweißen mit minimalem Wärmeeintrag. Ziel eines Laserstrahlschweißprozesses ist es, möglichst hohe Einschweißtiefen und hohe Schweißgeschwindigkeiten zu erzielen, bei gleichzeitig bestmöglichen Werkstoffeigenschaften innerhalb der Fügezone. Viele Legierungen bilden innerhalb von Laserschweißnähten stängelartige, dendritische Strukturen, welche gegenüber dem Grundwerkstoff schlechtere mechanische Eigenschaften aufweisen (zum Beispiel Heißrissempfindlichtkeit).
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, beim thermischen Fügen von Fügepartnern eine Fügenaht mit besseren mechanischen Eigenschaften zu erzeugen.
Erfindungsmäß wird diese Aufgabe bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Schmelze gezielt zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Darüber hinaus liefert die vorliegende Erfindung eine thermische Fügenaht gemäß Anspruch 18. Dendritische Strukturen können größtenteils gefeint sein oder vollständig fehlen oder nur einen vernachlässigbaren oder geringen Anteil ausmachen.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Schmelze zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, indem mechanische Schwingungsenergie räumlich punktuell, lokal oder regional eingetragen wird.
Andererseits ist auch denkbar, dass die Schmelze zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, indem mechanische Schwingungsenergie entlang eines Teils oder der gesamten Fügelinie eingetragen wird.
Wiederum alternativ kann die Schmelze zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, indem die Fügepartner in Schwingungen versetzt werden.
Vorteilhafterweise verläuft die Richtung der mechanischen Schwingungen im Wesentlichen parallel zur optischen Achse eines zur Wärmezufuhr mittels Laserstrahlschweißen verwendeten einfallenden Laserstrahls. Normalerweise trifft der Laserstrahl senkrecht auf die Fläche eines oder beider Fügepartner. Es ist aber auch denkbar, dass er unter einem anderen Winkel auf den Fügepartner bzw. beide Fügepartner auftrifft.
Günstigerweise fällt die Richtung der mechanischen Schwingungen im Wesentlichen mit der Flächennormalen eines der beider Fügepartner zusammen.
Es ist auch denkbar, dass die Richtung der mechanischen Schwingungen im Wesentlichen parallel zur Fläche eines oder beider Fügepartner verläuft.
Vorteilhafterweise wird die mechanische Schwingungsanregung spätestens mit Beginn der Wärmezufuhr gestartet.
Es ist auch günstig, wenn die mechanische Schwingungsanregung bei im Wesentlichen vollständigem Erstarren der Schmelze am Fügenahtende beendet wird.
Vorteilhafterweise wird die Schmelze kontaktlos zu mechanischen Schwingungen angeregt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird zur mechanischen Schwingungsanregung ein pulsierender, vorzugsweise mit einem zur Wärmezufuhr mittels Laserstrahlschweißen verwendeten Laserstrahl gleichlaufender, Gasstrom, vorzugsweise Schutzgasstrom, verwendet.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der pulsierende Gasstrom ein kontinuierlicher Gasstrom, vorzugsweise Schutzgasstrom, ist, der mit Druckimpulsen mit einer Frequenz im Bereich von ca. 10 Hz bis ca. 500 Hz beaufschlagt wird.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform wird zur mechanischen Schwingungsanregung ein, vorzugsweise einem zur Wärmezufuhr mittels Laserstrahlschweißen verwendeten Laserstrahl nachlaufender, Signalgenerator verwendet.
Günstigerweise erzeugt der Schwingungsgenerator mechanische Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich von ca. 10 Hz bis ca. 4000 Hz.
Vorteilhafterweise wird der Signalgenerator in Kombination mit einer Sonotrode verwendet.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung wird zur mechanischen Schwingungsanregung ein, vorzugsweise einem zur Wärmezufuhr mittels Laserstrahlschweißen verwendeten Laserstrahl nachlaufender, Pulslaser verwendet.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Pulslaser Plasmaimpulse an der Schmelzeoberfläche erzeugt, die in der Schmelze mechanische Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich von ca. 10 Hz bis ca. 200 Hz liefern.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die mechanische Schwingungsanregung der Schmelze das Strömungsmuster der Schmelze, insbesondere Metallschmelze, verändert werden kann. Die erzeugten Schwingungsmuster erzeugen eine modulierte Schmelzbaddynamik, die das Erstarrungsverhalten der Schmelze, insbesondere Metallschmelze, verändert. Beim Laserstrahltiefschweißen erzeugen die erzeugten Schwingungsmuster in Interaktion mit den Schwingungen der Dampfkapillare eine modulierte Schmelzbaddynamik.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Am Beispiel des Laserstrahltiefschweißens soll nun eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Eine Vorrichtung 10 zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen elektrodynamischen Schwingungserreger (Shaker) 12, der eine darauf montierte Spanneinrichtung 14 sowie zwei darauf fixierte Fügepartner 16 und 18 in Schwingung versetzt. Prinzipiell könnte das Verfahren auch bei einem einzelnen Werkstück zur Blindschweißung verwendet werden. Die mechanischen Schwingungen werden somit direkt auf die eingespannten Fügepartner (das eingespannte Werkstück) übertragen, so dass bei einem Laserstrahltiefschweißen die entstehende Schmelze zu Schwingungen angeregt wird. Zum Laserstrahltiefschweißen sind ein Hochleistungslaser (nicht gezeigt), der einen Laserstrahl 20 erzeugt, eine Schutzgaszuführung 22 und eine Wurzelgaszuführung 24 vorgesehen. Der Laserstrahl 20 wird in Vorschubrichtung, wie durch den Pfeil v gezeigt, entlang einer Fügelinie 25 über das Werkstück gefahren. Im Bereich seines Fokus erzeugt er eine Schmelze, die zu einer Fügenaht (Schweißnaht) 26 erstarrt. Die Schutzgaszuführung 22 läuft dem Laserstrahl 20 nach. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Schwingungsanregung in z-Richtung, d. h. in der durch den Doppelpfeil b gezeigten Bewegungsrichtung. Beim periodischen Defokussieren bei großen Amplituden in z-Richtung kann sich Tiefschweißen periodisch mit Wärmeleitschweißen abwechseln. Beim Schwingen in y-Richtung kann die Schweißnaht periodisch um eine Mittellinie schwanken. Die Schwingungsanregung könnte jedoch auch in anderen Richtungen und mit anderen Muster erfolgen. Ganz allgemein kann die Beeinflussung der metallurgischen Eigenschaften der Schweißverbindung durch gerichtete, zum Beispiel kreisförmig, linear, elliptisch oder mathematisch beschreibbar, oder auch durch ungerichtetes Einkoppeln periodischer Schwingungen mit definierten Amplituden aus einem Schwingungserreger, der zum Beispiel elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein kann, erzeugt werden. Die mechanische Schwingungsanregung beginnt in diesem Beispiel mit dem Beginn des Laserstrahltiefschweißprozesses und hält noch nach dem Laserstrahltiefschweißprozess bis zum vollständigen Erstarren, d. h. Unterschreiten der Solidustemperatur in der gesamten Schweißnaht, am Schweißnahtende an.
Die in die Fügepartner eingekoppelte mechanische Schwingung initiiert während des Laserstrahltiefschweißens Bewegungen in der flüssigen Metallschmelze. In Folge derselben wird die Korngefügeausbildung während der Abkühlphase verändert. Die in die Fügepartner bzw. das Werkstück bzw. das Bauteil übertragenen mechanischen Schwingungen verursachen in der Metallschmelze unterschiedliche Effekte:

– Oszillierende Beschleunigungen der Metallschmelze, welche zu einer periodischen Bewegung des Schmelzbades führen,
– Einflussnahme auf die Schmelzbaddynamik und
– Beeinflussung der Korngefügeausbildung bei Erstarrung der Schmelze.

Die mechanischen Schwingungen beeinflussen während der Erstarrungsphase das sich ausbildende Korngefüge, so dass ein Kornfeinungseffekt erzielt werden kann.
Der Schwingungserreger 12 kann mit den Fügepartnern bzw. dem Werkstück bzw. Bauteil verbunden sein oder die mechanischen Schwingungen mittels eines Koppelmediums, wie zum Beispiel Gas, oder über die direkte Körperschallanregung, zum Beispiel durch Beaufschlagung des Bauteils mit Biegewellen, auf die Metallschmelze übertragen. Die Ansteuerung des Schwingungserregers 12 kann mittels unterschiedlicher Schwingungsformen, wie zum Beispiel Sägezahn, Sinuswelle, Rechteck, freie Wellenformen und Kombinationen derselben, und Schwingungsamplituden bzw. auch über einen Regelkreis gesteuert erfolgen.
Die in das Bauteil eingebrachten mechanischen Schwingungen können beispielsweise mittels eines Schwingungsmesssystems gemessen sowie als Stell- und Regelgröße zur Ansteuerung des Schwingungserregers genutzt werden.
Der Schwingungserreger 12 wird von einem Verstärker (nicht gezeigt) und einem vorgeschalteten Frequenzgenerator (nicht gezeigt) angesteuert, welcher es ermöglicht, verschiedene Wellenformen in den Aufbau zu initiieren. Durch den Eintrag von mechanischen Schwingungen während des Laserstrahltiefschweißprozesses konnte eine Kornfeinung bei Legierungen wie EN AW-5083 erzielt werden. Bei Erstarrung der Metallschmelze ohne Eintrag von mechanischen Schwingungen haben sich grobe, dendritische Strukturen gebildet, welche zu einer Verminderung der mechanischen Eigenschaften führen. Bei Eintrag von mechanischen Schwingungen mit einer Frequenz von zum Beispiel 4000 Hz ist dagegen ein Kornfeinungeffekt eingetreten und haben sich größtenteils feine, globulare Strukturen gebildet. Die mechanischen Kennwerte solcher Strukturen bzw. Fügenähte sind deutlich besser gegenüber den groben Korngefügeausprägungen. Beispielsweise wird die Festigkeit gesteigert sowie die Heißrissneigung und Eigenspannung innerhalb des Schweißgefüges gesenkt.
Mit dem Verfahren ist es möglich, Schwingungen prozessintern, d. h. während des Schweißprozesses, bei einem kontaktlosen Schweißverfahren (ohne Lichtbogendruck) in das Schweißbad einzuleiten. Dadurch wird eine Korngefügebeeinflussung während des Schweißprozesses ermöglicht. Das Korngefüge wird dahingehend beeinflusst, dass feinere Strukturen entstehen und mechanische Kennwerte verbessert werden. Es kann eine Kornfeinung erzielt werden.
Die in der 2 gezeigte Vorrichtung 28 dient zur lokalen mechanischen Schwingungsanregung beim Laserstrahltiefschweißen. Dies erfolgt über die Schutzgaszuführung 22, die mit einer Gasversorgung 23 in Verbindung steht, wobei noch ein Regelventil 21 zwischengeschaltet ist. Der kontinuierliche Schutzgasstrom wird mit oszillierenden Druckimpulsen mit einer Frequenz zwischen 10 Hz und 500 Hz beaufschlagt. Auf diese Weise wird das Schweißbad im schmelzflüssigen Zustand in Schwingung versetzt. Das Korngefüge wird beim Erstarrungsvorgang beeinflusst. Die Beeinflussung erfolgt kontaktlos. Für den mechanischen Schwingungseintrag ist keine komplexe Systemtechnik erforderlich. Insbesondere muss nicht das gesamte Bauteil bzw. Werkstück in Schwingung versetzt werden.
Mittels der in 3 gezeigten Vorrichtung 31 erfolgt die mechanische Schwingungsanregung mithilfe eines Signalgenerators 30 und einer damit über einen Leistungsverstärker 33 verbundenen Sonotrode 32, die aus einem hochschmelzenden Werkstoff gefertigt ist. Die Sonotrode wird in Schwingung versetzt und läuft dem Laserstrahl 20 nach. Der Schwingungseintrag erfolgt im Schweißbad im schmelzflüssigen Zustand vor der Erstarrung. Die Korngefügeausbildung wird beim Erstarrungsvorgang beeinflusst. Die Frequenz der mechanischen Schwingungsanregung kann im Bereich von 10 Hz bis 4000 Hz erfolgen. Es können hohe Energieeinträge realisiert werden. Der Schwingungseintrag erfolgt direkt im Schweißbad. Die Art der Schwingungsanregung ist energieeffizient.
In 4 ist eine Vorrichtung 34 gezeigt, bei der die mechanische Schwingungsanregung durch einen Pulslaser 36 erfolgt, was zudem durch PW (Pulsed Wave) gekennzeichnet ist. Mittels kurzer, hochenergetischer Laserpulse werden Plasmaimpulse an der Schweißbadoberfläche erzeugt, welche mechanische Schwingungen in die Schmelze eintragen. Der mechanische Schwingungseintrag kann mit Frequenzen im Bereich von 10 Hz bis 200 Hz erfolgen. Auf diese Weise können hohe Energieeinträge realisiert werden und erfolgt der Schwingungseintrag direkt im Schweißbad. Es wird kein Bauraum in unmittelbarer Nähe der Schweißnaht beansprucht und schränkt somit nicht die Zugänglichkeit ein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Schwingungserreger
14: Spanneinrichtung
16, 18: Fügepartner
20: Laserstrahl
21: Regelventil
22: Schutzgaszuführung
23: Gasversorgung
24: Wurzelgaszuführung
25: Fügelinie
26: Fügenaht
28: Vorrichtung
30: Signalgenerator
31: Vorrichtung
32: Sonotrode
33: Leistungsverstärker
34: Vorrichtung
36: Pulslaser
b: Bewegungsrichtung
v: Vorschubrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN AW-5083 [0034]

Claims

Verfahren zum thermischen Fügen von, vorzugsweise metallischen, Fügepartnern (16, 18) durch berührungslose Wärmezufuhr, insbesondere Laserstrahlschweißen, vor allem Laserstrahltiefschweißen, bei dem die Fügepartner (16, 18) entlang einer vorgegebenen Fügelinie (25) durch berührungslose Wärmezufuhr geschmolzen und mittels einer Fügenaht (26) aus nachfolgend erstarrter Schmelze miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze gezielt zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, indem mechanische Schwingungsenergie räumlich punktuell, lokal oder regional eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, indem mechanische Schwingungsenergie entlang eines Teils oder der gesamten Fügelinie (25) eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, indem die Fügepartner (16, 18) in Schwingungen versetzt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (b) der mechanischen Schwingungen im Wesentlichen parallel zur optischen Achse eines zur Wärmezufuhr mittels Laserstrahlschweißen verwendeten einfallenden Laserstrahls (20) verläuft.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (b) der mechanischen Schwingungen im Wesentlichen mit der Flächennormalen eines oder beider Fügepartner (16, 18) zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (b) der mechanischen Schwingungen im Wesentlichen parallel zur Fläche eines oder beider Fügepartner (16, 18) verläuft.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schwingungsanregung spätestens mit Beginn der Wärmezufuhr gestartet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schwingungsanregung bei im Wesentlichen vollständigem Erstarren der Schmelze am Fügenahtende beendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze kontaktlos zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Schwingungsanregung ein pulsierender, vorzugsweise mit einem zur Wärmezufuhr mittels Laserstrahlschweißen verwendeten Laserstrahl (20) gleichlaufender, Gasstrom, vorzugsweise Schutzgasstrom, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der pulsierende Gasstrom ein kontinuierlicher Gasstrom, vorzugsweise Schutzgasstrom, ist, der mit Druckimpulsen mit einer Frequenz im Bereich von ca. 10 Hz bis ca. 500 Hz beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Schwingungsanregung ein, vorzugsweise einem zur Wärmezufuhr mittels Laserstrahlschweißen verwendeten Laserstrahl (20) nachlaufender, Signalgenerator (30) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgenerator mechanische Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich von ca. 10 Hz bis ca. 4000 Hz erzeugt.
Verfahren nach Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (30) in Kombination mit einer Sonotrode (32) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Schwingungsanregung ein, vorzugsweise einem zur Wärmezufuhr mittels Laserstrahlschweißen verwendeten Laserstrahl (20) nachlaufender, Pulslaser (36) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulslaser (36) Plasmaimpulse an der Schmelzeoberfläche erzeugt, die in der Schmelze mechanische Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich von ca. 10 Hz bis ca. 200 Hz liefern.
Thermische Fügenaht (26), insbesondere mittels eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein gefeintes, globulitisches Korngefüge aufweist.