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DE10254847A1 - Process for welding axial rotationally symmetrical welding seams comprises using a pulsed laser beam source, transforming the pulsed beam into a homogeneous ring using a lens, and focussing onto a workpiece - Google Patents

Process for welding axial rotationally symmetrical welding seams comprises using a pulsed laser beam source, transforming the pulsed beam into a homogeneous ring using a lens, and focussing onto a workpiece Download PDF

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DE10254847A1 DE2002154847 DE10254847A DE10254847A1 DE 10254847 A1 DE10254847 A1 DE 10254847A1 DE 2002154847 DE2002154847 DE 2002154847 DE 10254847 A DE10254847 A DE 10254847A DE 10254847 A1 DE10254847 A1 DE 10254847A1
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pulsed
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workpiece
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Jürgen Rapp
Martin Klassen
Klaus Spennemann
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B23K26/0734—Shaping the laser spot into an annular shape

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Abstract

Process for welding axial rotationally symmetrical welding seams comprises using a pulsed laser beam source (42), transforming the pulsed beam into a homogeneous ring using a lens (44), and focussing onto a workpiece (54). An Independent claim is also included for a device for welding axial rotationally symmetrical welding seams using a pulsed laser beam source.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen axialer, rotationssymmetrischer Schweißnähte mit einem Laserstrahl. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Schweißen axialer, rotationssymmetrischer Schweißnähte.The invention relates to a method for welding axial, rotationally symmetrical welds with a laser beam. Furthermore, the invention relates to a device for welding axially, rotationally symmetrical Welds.

Stand der TechnikState of the art

Beim Schweißen metallischer Werkstoffe hat sich der Einsatz von Lasern bewährt. Dabei wird zum Ausbilden der Verbindung der fokussierte Laserstrahl über die Oberfläche der Fügepartner bewegt. Das beim Schweißen entstehende Schmelzbad führt zu einer Verbindung der Fügepartner.When welding metallic materials the use of lasers has proven itself. It is used to train connecting the focused laser beam across the surface of the joining partner emotional. That when welding resulting melt pool leads to connect the joining partners.

Zum Erzeugen axialer, rotationssymmetrischer Schweißnähte wird üblicherweise das Werkstück mit Hilfe einer Drehachse relativ zu einem ortsfesten Laser bewegt. Die dabei lokal eng begrenzte Energieeinbringung führt zu thermisch induziertem Bauteilverzug, der bei verzugskritischen Bauteilen, wie bspw. bei Einspritzventilkomponenten mit abdichtender Funktion, zu Einschränkungen in der Bauteilfunktionalität führen kann.For generating axial, rotationally symmetrical Welds are common the workpiece moved with the help of an axis of rotation relative to a fixed laser. The locally narrowly limited energy input leads to thermal induced component distortion, which is critical for distortion components, such as For example, for injection valve components with a sealing function, to restrictions in component functionality to lead can.

Des weiteren sind die beim herkömmlichen Verfahren erforderlichen Prozeßzeiten relativ lang, da aufgrund des Charakters des Laserstrahlbahnschweißens mit Dauerstrichlasern die Schweißgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Steigerung der Laserleistung nicht beliebig erhöht werden kann.Furthermore, they are in the conventional method required process times relatively long, because of the nature of laser beam welding with Continuous wave lasers the welding speed cannot be increased arbitrarily while increasing the laser power can.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißen axialer, rotationssymmetrischer Schweißnähte mit einem Laserstrahl als Strahlquelle für den Laserstrahl eine gepulste Laserstrahlquelle verwendet. Die Intensitätsverteilung des gepulsten Strahls wird mittels einer geeigneten Optik in einen Ring transformiert, und dieser Ring wird auf ein Werkstück fokussiert.In contrast, in the method according to the invention for welding axial, rotationally symmetrical welds with a laser beam as Beam source for the laser beam uses a pulsed laser beam source. The intensity distribution of the pulsed beam is placed in a ring using suitable optics transformed, and this ring is focused on a workpiece.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, den durch den Schweißprozeß verursachten Verzug kleiner verzugssensibler Bauteile, die bspw. einen Durchmesser von weniger als 10 mm aufweisen, signifikant zu verringern und gleichzeitig die Prozeßzeit im Vergleich zu herkömmlichen Bahnschweißverfahren um mehr als 90% zu verkürzen. Gleichzeitig können Investitionskosten eingespart werden.The method according to the invention enables the delay caused by the welding process small components sensitive to distortion, for example with a diameter of have less than 10 mm, significantly reduce and at the same time the process time compared to conventional ones Orbital welding process shorten by more than 90%. simultaneously can Investment costs can be saved.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Laserstrahlung einer geeigneten gepulsten Strahlquelle, die typischerweise eine Pulslänge von 5 bis 25 ms und eine Pulsenergie von etwa 100 J hat, mit Hilfe einer geeigneten Optik in eine gleichmäßige ringförmige Intensitätsverteilung umgewandelt. Diese wird auf das Werkstück fokussiert, wobei eine Leistungsdichte von etwa 105 W/cm2 erreicht wird. Auf diese Weise wird simultan die gesamte Naht in einem Puls, ohne daß eine Relativbewegung zwischen der Optik und dem Werkstück durchgeführt werden muß, geschweißt.In the method according to the invention, the laser radiation from a suitable pulsed beam source, which typically has a pulse length of 5 to 25 ms and a pulse energy of about 100 J, is converted into a uniform, ring-shaped intensity distribution with the aid of suitable optics. This is focused on the workpiece, a power density of approximately 10 5 W / cm 2 being achieved. In this way, the entire seam is welded simultaneously in one pulse, without a relative movement between the optics and the workpiece having to be carried out.

Die zum Einsatz kommenden gepulsten Strahlquellen sind in der Lage, in kurzer Zeit Pulse hoher Energie zu emittieren. Bei ausreichender Strahlqualität entstehen Intensitäten auf dem Werkstück, die über die gesamte Ringgeometrie ein Aufschmelzen und sogar Verdampfen des Werkstoffs ermöglichen (Leistungsdichte ≈ 105 W/cm2). Auf diese Weise entstehen in kürzester Zeit tiefe und schmale Nähte. Zu lange Einwirkungszeiten führen zu einer unzulässigen starken Wärmeableitung in das Werkstück, was breite Nähte und stärkere Verzüge bewirkt.The pulsed beam sources used are able to emit high-energy pulses in a short time. If the beam quality is sufficient, intensities arise on the workpiece, which allow the material to melt and even evaporate over the entire ring geometry (power density ≈ 10 5 W / cm 2 ). In this way, deep and narrow seams are created in no time. Too long exposure times lead to an impermissible strong heat dissipation in the workpiece, which causes wide seams and stronger warpage.

Zum Erzeugen der ringförmigen Leistungsverteilung bietet sich bspw. die Verwendung eines Axikons an.To create the ring-shaped power distribution For example, the use of an axicon is recommended.

Der Laserstrahl kann fasergekoppelt oder auch direkt über Spiegel vom Laserresonator in die Bearbeitungsoptik geführt werden.The laser beam can be fiber-coupled or directly above Mirrors are guided from the laser resonator into the processing optics.

In Ausgestaltung der Erfindung ist in der Bearbeitungsoptik eine Standardauskopplung vorgesehen, die mit Hilfe entsprechender Sensorik eine Online-Prozeßüberwachung ermöglicht.In an embodiment of the invention a standard coupling is provided in the processing optics, which online process monitoring using appropriate sensors allows.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Schweißen axialsymmetrischer Schweißnähte sieht eine gepulste Laserstrahlquelle und eine geeignete Optik zum Transformieren des Strahls in einen Ring vor.The device according to the invention for welding axially symmetrical Welds sees one pulsed laser beam source and suitable optics for transforming of the beam in a ring.

Da es in der Regel nur schwer möglich ist, eine perfekte Bearbeitungsoptik ohne Positions- und Winkelfehler zu fertigen, ist vorzugsweise eine Justagemöglichkeit in der Optik integriert, die das optische ringformende Element zu dem Strahl ausrichtet und somit die Homogenität gewährleistet.Since it is usually difficult to get one perfect machining optics without position and angle errors, is preferably an adjustment option integrated in the optics, which the optical ring-forming element too aligns the beam and thus ensures homogeneity.

Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, als ringformendes Element ein Axikon zu verwenden und dieses senkrecht zu dem Strahlengang auf einem x-y-Verschiebetisch aufzunehmen. Durch Verschieben des Axikons kann dann die Intensitätsverteilung im Fokus optimiert werden.One way to do this is in using an axicon as the ring-forming element and this perpendicular to the beam path on an x-y shift table. The intensity distribution can then be adjusted by moving the axicon be optimized in focus.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and configurations the invention will become apparent from the description and the accompanying Drawing.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the above not only mentioned and the features to be explained below in the specified combination, but also in others Combinations or alone can be used without the frame to leave the present invention.

Zeichnungdrawing

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is based on exemplary embodiments shown in the drawing and will be referred to below on the drawing in detail described.

1 zeigt eine Verteilung der Lichtintensität auf einem Werkstück bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1 shows a distribution of the light intensity on a workpiece when using the inventive method.

2 zeigt eine axialsymmetrische Schweißnaht. 2 shows an axially symmetrical weld.

3 zeigt in einem Flußdiagramm den Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 shows in a flow chart the sequence of a preferred embodiment of the method according to the invention.

4 zeigt in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung. 4 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the device according to the invention.

5 zeigt schematisch den Aufbau einer Bearbeitungsoptik. 5 shows schematically the structure of a processing optics.

In 1 ist eine Verteilung der Lichtintensität auf einem Werkstück 10 verdeutlicht. Zu erkennen ist ein Schnitt 12 durch die Gesamtverteilung der Strahlenintensität auf der Oberfläche des Werkstücks 10 in Richtung eines Pfeils 14.In 1 is a distribution of light intensity on a workpiece 10 clarified. A cut can be seen 12 by the total distribution of the radiation intensity on the surface of the workpiece 10 in the direction of an arrow 14 ,

Von großer Bedeutung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die dargestellte Homogenität. Die Inhomogenität Δ/Imax liegt über den Umfang des Fokusrings auf dem Werkstück 10 deutlich unter 5%. Dies ist wichtig, da bereits kleine Differenzen der Intensität über den Ringumfang zu merklichen Unterschieden der Schweißnahttiefe führen. Eine unzureichende Qualität der Schweißnaht und eine asymmetrische Energieeinbringung in das Bauteil mit resultierendem Verzug wären die Folgen.The homogeneity shown is of great importance in the method according to the invention. The inhomogeneity Δ / I max lies over the circumference of the focus ring on the workpiece 10 well below 5%. This is important because even small differences in intensity across the circumference of the ring lead to noticeable differences in the weld depth. The consequences would be an inadequate quality of the weld seam and an asymmetrical introduction of energy into the component with resulting warpage.

In 2 ist eine axiale, rotationssymmetrische Schweißnaht 20 dargestellt. Doppelpfeil 22 verdeutlicht die Schweißbahnbreite. Doppelpfeil 24 zeigt die Schweißbahntiefe. Der mit einem Kreis 26 umgebene Bereich ist in der Zeichnung auch in einer Schnittdarstellung eines Werkstücks 28 gezeigt.In 2 is an axial, rotationally symmetrical weld 20 shown. double arrow 22 illustrates the welding track width. double arrow 24 shows the weld path depth. The one with a circle 26 The surrounding area is also in the drawing in a sectional view of a workpiece 28 shown.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten gepulsten Strahlungsquellen emittieren in kurzer Zeit Pulse hoher Energie.The process according to the invention Pulsed radiation sources used emit in a short time High energy pulses.

In 3 ist der Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Flußdiagramms wiedergegeben.In 3 the sequence of a preferred embodiment of the method according to the invention is reproduced by means of a flow chart.

In einem Schritt 30 wird ein gepulster Laserstrahl mit einer gepulsten Laserstrahlenquelle erzeugt. Die Pulslänge beträgt üblicherweise 5 bis 25 ms. Die Pulsenergie liegt typischerweise im Bereich von 100 J.In one step 30 a pulsed laser beam is generated with a pulsed laser beam source. The pulse length is usually 5 to 25 ms. The pulse energy is typically in the range of 100 J.

In einem Schritt 32 wird der erzeugte gepulste Laserstrahl, in diesem Fall fasergekoppelt, in eine Bearbeitungsoptik geführt. Alternativ hierzu kann der erzeugte Laserstrahl auch direkt über Spiegel in die Optik geführt werden.In one step 32 the pulsed laser beam generated, in this case fiber-coupled, is guided into processing optics. As an alternative to this, the laser beam generated can also be guided directly into the optics via mirrors.

Mittels eines Kollimationsmodules wird in Schritt 33 der Laserstrahl in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt.Using a collimation module in step 33 the laser beam is transformed into a parallel beam.

Mittels des Axikons wird in einem Schritt 34 der gepulste Laserstrahl in einen Ring transformiert. Das Axikon dient folglich als ringformendes bzw. transformierendes Mittel.The axicon is used in one step 34 the pulsed laser beam is transformed into a ring. The axicon therefore serves as a ring-forming or transforming means.

Das Axikon ist in einem verfahrbaren x-y-Schlitten aufgenommen und kann senkrecht zur Strahlachse verfahren werden. Dadurch wird es möglich, die Intensitätsverteilung des entstehenden Rings homogen über den gesamten Ringumfang einzustellen.The axicon is in a movable x-y slide recorded and can be moved perpendicular to the beam axis. This makes it possible the intensity distribution of the resulting ring homogeneously adjust the entire ring circumference.

In Schritt 35 wird mittels eines Standardauskoppelelements ein Teil des rückreflektierten Lichtes ausgekoppelt und ermöglicht mit Hilfe entsprechender Sensorik eine Online-Prozesskontrolle.In step 35 part of the back-reflected light is coupled out by means of a standard coupling element and enables online process control with the help of appropriate sensors.

In einem Schritt 36 wird der Ring auf ein Werkstück fokussiert.In one step 36 the ring is focused on a workpiece.

Die Schritte 33 bis 36 werden in einer Bearbeitungsoptik durchgeführt.The steps 33 to 36 are carried out in processing optics.

In einem Schritt 38 erfolgt dann das Schweißen, wobei simultan eine ringförmige Naht vollständig geschweißt wird.In one step 38 the welding then takes place, with an annular seam being completely welded simultaneously.

In 4 ist schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung, insgesamt mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet, dargestellt. Die Einrichtung 40 weist eine gepulste Strahlenquelle 42, eine Bearbeitungsoptik 44 und einen Verschiebetisch 46 auf.In 4 is schematically a device according to the invention, overall with the reference number 40 designated, shown. The facility 40 exhibits a pulsed radiation source 42 , a processing optics 44 and a sliding table 46 on.

Die Strahlenquelle 42 und die Bearbeitungsoptik 44 sind über Fasern 48 verbunden, über die die gepulsten Strahlen in die Bearbeitungsoptik 44 geleitet werden. In der Bearbeitungsoptik 44 werden die Strahlen mit Hilfe eines Axikons zu einem Ring geformt.The radiation source 42 and the processing optics 44 are about fibers 48 connected via which the pulsed beams into the processing optics 44 be directed. In the processing optics 44 the rays are formed into a ring using an axicon.

Der Verschiebetisch 46 ist, wie mit einem Doppelpfeil 50 verdeutlicht, in x-Richtung, wie Doppelpfeil 51 zeigt, in y-Richtung und wie Doppelpfeil 52 zeigt, in z-Richtung bewegbar. Somit ist durch den Verschiebetisch 46 durch die Verschiebbarkeit in x-y-Richtung einerseits die optimale Positionierung des ringförmigen Laserstrahls der Werkstückoberfläche und andererseits durch die Justagemöglichkeit in z-Richtung die exakte Einstellung der Fokuslage möglich.The sliding table 46 is like a double arrow 50 clarifies in the x direction, like double arrow 51 shows in y-direction and like double arrow 52 shows, movable in the z direction. So through the sliding table 46 due to the displaceability in the xy direction, on the one hand, the optimal positioning of the ring-shaped laser beam of the workpiece surface and, on the other hand, the exact adjustment of the focus position is possible due to the adjustment possibility in the z direction.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt in der minimierten Prozeßzeit durch Einsatz einer gepulsten Strahlungsquelle 42. Des weiteren wird erfindungsgemäß erreicht, daß die Nahtentstehung nicht sequentiell erfolgt. Aufgrund der homogenen Wärmeeinbringung wird eine Minimierung des Verzugs erreicht. Nahtinhomogenitäten am Nahtauslauf treten ebenfalls nicht auf, da ein Endkrater, wie bei herkömmlichen Verfahren, überhaupt nicht entsteht.An advantage of the method according to the invention and the device according to the invention lies in the minimized process time through the use of a pulsed radiation source 42 , It is also achieved according to the invention that the seam formation does not take place sequentially. Due to the homogeneous heat input, the warpage is minimized. Seam inhomogeneities at the seam outlet also do not occur, since an end crater, as with conventional methods, does not arise at all.

Gepulste Laserquellen sind im Vergleich zu kontinuierlich strahlenden Laserquellen preisgünstiger. Außerdem werden bei der erfindungsgemäßen Einrichtung keine bewegbaren Achsen zur Durchführung der axialsymmetrischen Schweißung mehr benötigt. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu konventionellen Verfahren mit geringeren Investitionskosten verbunden.Pulsed laser sources are cheaper compared to continuously radiating laser sources. In addition, no movable axes are required to carry out the axially symmetrical welding in the device according to the invention. The method according to the invention is thus low in comparison to conventional methods associated investment costs.

Ein möglicher Aufbau der Bearbeitungsoptik ist in 5 schematisch dargestellt. Zu erkennen ist eine Strahlführungskomponente 60, bspw. ein Lichtleiter. Die eigentliche Bearbeitungsoptik umfaßt ein Kollimationsmodul 62, ein in einem x-y-Verschiebetisch aufgenommenes ringformendes Modul 64, bspw. ein Axikon, und ein Fokussierungsmodul 66. Ein Werkstück befindet sich in einem Bereich 68.A possible structure of the processing optics is in 5 shown schematically. A beam guidance component can be seen 60 , for example an optical fiber. The actual processing optics include a collimation module 62 , a ring-forming module accommodated in an xy sliding table 64 , for example an axicon, and a focusing module 66 , A workpiece is in an area 68 ,

Claims (9)

Verfahren zum Schweißen axialer, rotationssymmetrischer Schweißnähte mit einem Laserstrahl, bei dem als Quelle für den Laserstrahl eine gepulste Laserstrahlquelle (42) verwendet wird, der gepulste Strahl mittels einer geeigneten Bearbeitungsoptik (44) in einen homogenen Ring transformiert und dieser homogene Ring auf ein Werkstück (10, 28, 54) fokussiert wird.Method for welding axial, rotationally symmetrical weld seams with a laser beam, in which a pulsed laser beam source ( 42 ) is used, the pulsed beam by means of suitable processing optics ( 44 ) transformed into a homogeneous ring and this homogeneous ring onto a workpiece ( 10 . 28 . 54 ) is focused. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in der geeigneten Bearbeitungsoptik (44) ein Axikon als ringformendes Element verwendet wird.Method according to claim 1, in which in the suitable processing optics ( 44 ) an axicon is used as the ring-forming element. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Laserstrahl fasergekoppelt in die Optik (44) geführt wird.Method according to Claim 1 or 2, in which the laser beam is fiber-coupled into the optics ( 44 ) to be led. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Laserstrahl direkt über Spiegel in die Optik (44) geführt wird:The method of claim 1 or 2, wherein the laser beam directly into the optics via mirrors ( 44 ) to be led: Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mit einer Standardauskopplung in der Optik (44) mittels einer entsprechenden Sensorik eine Online-Prozeßüberwachung durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 4, in which with a standard coupling in the optics ( 44 ) Online process monitoring is carried out by means of an appropriate sensor system. Einrichtung zum Schweißen axialer, rotationssymmetrischer Schweißnähte mit einer gepulsten Laserstrahlquelle (42) und einer geeigneten Bearbeitungsoptik (44) zum Transformieren des Laserstrahls in einen Ring.Device for welding axial, rotationally symmetrical welds with a pulsed laser beam source ( 42 ) and suitable processing optics ( 44 ) to transform the laser beam into a ring. Einrichtung nach Anspruch 6, bei der in der geeigneten Optik (44) ein Axikon (64) als ringformendes Element dient.Device according to claim 6, in which in the appropriate optics ( 44 ) an axicon ( 64 ) serves as a ring-forming element. Einrichtung nach Anspruch 6, bei der das Axikon (64) auf einem x-y-Verschiebetisch aufgenommen ist, um eine homogene Intensitätsverteilung einstellen zu können.Device according to claim 6, in which the axicon ( 64 ) is recorded on an xy shift table in order to be able to set a homogeneous intensity distribution. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der eine Justagevorrichtung (46) vorgesehen ist.Device according to Claim 6 or 7, in which an adjustment device ( 46 ) is provided.
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