DE2647082A1 - LASER WELDING - Google Patents
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Description
DiPL-ING. GDiPL-ING. G
HELMUT GÖRTZHELMUT GÖRTZ
^ί^ 18. Oktober 1976^ ί ^ October 18, 1976
Gzm/Wa.Gzm / Wa.
Union Carbide Corporation, 270 Park Avenue, New York, N.Y.Union Carbide Corporation, 270 Park Avenue, New York, N.Y.
LaserschweißenLaser welding
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die kontinuierliche Nahtschweißung von Streifen von plattenförmigen! Material bei hoher Geschwindigkeit unter Verwendung eines Laserstrahls als Energiequelle für das Schweißen; die Erfindung bezieht sich auch auf die Schweißkonstruktion, die mittels dieses Verfahrens hergestellt wird.The invention relates to a method for the continuous seam welding of strips of plate-shaped! Material at high speed using a laser beam as a power source for welding; the invention relates also on the welded structure that is manufactured using this process.
Zwei Bedingungen müssen erfüllt sein, damit eine Nahtschweissung an plattenförmigen! Material bei hoher gleichförmiger Geschwindigkeit durchgeführt werden kann. Die Schweißenergie muß den Werkstücken konzentriert zugeführt werden, so daß die Erhitzung lokal ist; außerdem muß die Schweißkonstruktion schnell gebildet werden, bevor sich die Wärme in die Masse des Metalls ausbreitet. Bisher war die Zusammensetzung des Materials besonders signifikant für die Kontrolle der Schweißgeschwindigkeit, insbesondere wenn es sich um ein leitendes Metall wie Aluminium handelte. Bei konventionellem autogenem Schweißen und Elektroschweißen ist die Schweißgeschwindigkeit selbst für leichtes metallisches Eichmaterial (gage metal material) auf weniger als 12 m/Min, begrenzt, denn die Erhit-Two conditions must be met for a seam welding on plate-shaped! Material at high uniform speed can be carried out. The welding energy must be supplied to the workpieces in a concentrated manner, so that the Heating is local; in addition, the weldment must be formed quickly before the heat builds up in the mass of the metal spreads. So far, the composition of the material has been particularly significant in controlling welding speed, especially when it is conductive Metal acted like aluminum. In conventional oxy-fuel welding and electric welding, the welding speed is even for light metallic calibration material (gage metal material) to less than 12 m / min, because the heating
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zung ist nicht genügend lokal, wobei sich ein wesentlicher Teil der Wärme in der Masse des Metalls und der Umgebung verliert. Mit Hochfrequenz-Widerstandsschweißung wird eine Geschwindigkeit von 90 m bis 120 m/Min, erreicht, aber nur in einer begrenzten Zahl von Konfigurationen, wo die Kontaktfläche eng ist und die Schweißenergie auf die Kontaktfläche konzentriert ist. Ein Elektronenstrahl ist eine Energiequelle hoher Dichte, aber es ist eine Vakuumausrüstung notwendig, damit ein Strahl hoher Energiedichte über eine akzeptable Distanz erhalten wird. Demgemäß sind alle bekannten Schweißverfahren entweder im .eigentlichen Sinne ungeeignet für das Schweißen von Werkstücken bei einer vernünftigen hohen Geschwindigkeit von wenigstens 30 m/Min., besonders für Werkstücke aus Aluminium, oder sie sind wegen Begrenzungen der Konfiguration und unzweckmäßiger Erfordernisse bezüglich der Haltevorrichtung ungeeignet.tion is not sufficiently local, with a substantial part of the heat being lost in the bulk of the metal and the surrounding area. With high-frequency resistance welding, a speed of 90 m to 120 m / min is achieved, but only in one limited number of configurations where the contact area is tight and the welding energy is concentrated on the contact area is. An electron beam is a high density energy source, but vacuum equipment is necessary to make a beam high energy density is obtained over an acceptable distance. Accordingly, all known welding processes are either actually Sense unsuitable for welding workpieces at a reasonably high speed of at least 30 m / min., Especially for workpieces made of aluminum, or they are more inexpedient due to configuration limitations Unsuitable requirements for the holding device.
Es wurde gefunden, daß eine kontinuierliche Nahtschweißung zwischen bewegten Werkstücken aus plattenförmigen! Material mit Hilfe eines Laserstrahls als Energiequelle für das Schweissen hergestellt werden kann, wenn bestimmte kritische Bedingungen erfüllt sind. Laserstrahlen wurden bisher erfolgreich als Quellen von Energie hoher Dichte verwendet, und zwar für tief eindringende Schweißungen und für das Punktschweißen. In allen früheren Anwendungen von Lasern auf dem Gebiet des Schweißens war es das Ziel, höhere Energie für das tiefere Eindringen bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf eine spezifische minimale Energiedichte begrenzt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Durchdringen durch den Querschnitt der Werkstücke unerwünscht und bei gewissen Anwendungen sogar abträglich. Anders ausgedrückt, das erfin-It has been found that a continuous seam weld between moving workpieces made of plate-shaped! material with the help of a laser beam as an energy source for welding can be established if certain critical conditions are met. Laser beams have been successful so far used as sources of high density energy for deep penetration welds and spot welding. In all previous applications of lasers in the field of welding, the goal has been to use higher energy for the deeper Provide penetration. The method according to the invention is not limited to a specific minimum energy density. In the method according to the invention, the penetration through the cross section of the workpieces is undesirable and in certain cases Applications even detrimental. In other words, the invented
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dungsgemäße Verfahren ergibt eine geschweißte Naht zwischen den Streifen von plattenförmigen! Material, die außer an den Enden der Naht nicht sichtbar ist. Irgendein Laser kann verwendet werden, obwohl bei verringerter Laserenergie ein Kompromiß bezüglich der Schweißgeschwindigkeit zu schließen ist. Mit Hilfe eines 1 kW (^-kontinuierlichen Lasers wurden Schweißgeschwindigkeiten bis zu 150 m/Min, erreicht, wobei ausgezeichnete Schweißqualitäten erzielt wurden.method according to the invention results in a welded seam between the strip of plate-shaped! Material that is not visible except at the ends of the seam. Any laser can be used although a compromise has to be made in terms of welding speed with reduced laser energy. With the aid of a 1 kW (^ -continuous laser, welding speeds of up to 150 m / min were achieved, whereby excellent welding qualities were achieved.
Es wurde auch gefunden, daß die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung hergestellte Schweißkonstruktion eine "Schmelzschweissung" ist, die hier definiert wird als Koaleszenz zwischen den Grundmaterialien, was daher rührt,daß sie in der Schmelzzone in den geschmolzenen Zustand übergeführt werden; die Schweißkonstruktion ist weiterhin dadurch charakterisiert, daß in dem umgebenden Grundmaterial eine von der Hitze beeinflußte Zone fehlt. Der Terminus "von der Wärme beeinflußte Zone" bezeichnet jenen Teil des Grundmetalls, welcher der Schmelzzone benachbart ist, aber nicht geschmolzen wurde, die mechanischen Eigenschaften oder die MikroStruktur wurde jedoch durch die Hitze beim Schweißen geändert. Wenn mit Hilfe eines üblichen Lichtmikroskops bei hundertfacher Vergrößerung keine Änderungen der Mikrostruktur entdeckt werden können, dann fehlt die von der Hitze beeinflußte Zone in der Nähe der Schmelzzone. Unter diesen Umständen wären die Änderungen in der Mikrostruktur kleiner als 10 mm. Alle bisher bekannten Schweißverfahren führen zu einer Schweißkonstruktion mit einer klar erkennbaren Zone, die von der Hitze beeinflußt ist und mit freiem Auge gesehen werden kann. Die konventionelle Laser- und Elektronenstrahls chweißung führt zu Schweißkonstruktionen mit einer bedeutenden Zone, die von der Hitze beeinflußt ist und die bei 50-facher Vergrößerung mit Hilfe eines Lichtmikroskops be-*It has also been found that using the present Invention produced weldment is a "fusion weld" which is defined herein as coalescence between the Base materials resulting from being molten in the melting zone; the welded structure is further characterized by the fact that in the surrounding base material there is a zone influenced by the heat is missing. The term "heat affected zone" denotes that part of the base metal which is the melting zone is adjacent but has not been melted, however the mechanical properties or the microstructure has been reduced by the Changed heat when welding. If with the help of an ordinary light microscope at a magnification of a hundred times there are no changes the microstructure can be detected, then the heat affected zone near the melt zone is missing. Under under these circumstances the changes in the microstructure would be less than 10 mm. All previously known welding processes result in a weldment with a clearly visible zone that is affected by the heat and visible to the naked eye can be seen. Conventional laser and electron beam welding leads to welded structures with a significant zone, which is affected by the heat and which can be viewed at 50x magnification with the aid of a light microscope *
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obachtet werden kann.can be observed.
Das Verfahren zur kontinuierlichen Nahtschweißung von bewegten
Streifen von plattenförmigera Material besteht aus folgenden
Schritten:The method for the continuous seam welding of moving strips of plate-shaped material consists of the following
Steps:
Wenigstens einer der bewegten Streifen wird gegen den anderen bewegt, wobei sich zwischen den bewegten Streifen ein konvergierendes V ausbildet;At least one of the moving strips is moved against the other, with a converging one between the moving strips V trains;
eine Kraft von mehr als Null Pond wird auf eine Stelle angewandt, die dem Punkt benachbart ist, bei welchem die bewegten Streifen konvergieren, so daß die bewegten Streifen am Konvergenzpunkt in innigem Kontakt übereinanderlappen;a force greater than zero pond is applied to a point adjacent to the point at which the moved Stripes converge so that the moving stripes are at the point of convergence overlap in intimate contact;
ein Laserstrahl auf das konvergierende V gerichtete wird, so
daß zwischen den bewegten, überlappenden Streifen eine kontinuierliche, geschweißte Naht entsteht.a laser beam is directed towards the converging V, so
that a continuous, welded seam is created between the moving, overlapping strips.
Zusätzlich wird eine kontinuierliche Abschlußkonstruktion
geformt, die aus einem Schmelzschweiß-Nugget besteht zwischen den zwei Grundmaterialien, welche durch die Abwesenheit einer
durch die Hitze beeinflußten Zone charakterisiert sind.In addition, there is a continuous finishing construction
consisting of a fusion weld nugget between the two base materials, which are characterized by the absence of a heat affected zone.
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AOAO
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde beobachtet, daß der Laserstrahl innerhalb der Symmetrieebene und eines engen Brennpunktbereiches, der sich nur vom Konvergenzpunkt abwärts erstreckt, fokussiert sein muß, wenn der Laserstrahl optimal ausgenützt werden soll.In accordance with the present invention, it has been observed that the laser beam is within the plane of symmetry and a narrow focal area that extends only from the point of convergence extends downwards, must be focused if the laser beam is to be used optimally.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet "optimale Verwendung der Laserstrahlenergie"", daß eine kontinuierliche Schweißkonstruktion erzielt werden kann, und zwar bei höchstmöglicher Geschwindigkeit und geringster Laserstrahlenergie. Die Fähigkeit, die Laserstrahlenergie möglichst gering zu halten und dennoch schnell zu schweißen, sollte nicht unterschätzt werden, denn sie bedeutet einen wesentlichen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber einem System, das sonst sehr von hoher Laserstrahlenergie abhängt, um eine kontinuierliche Schweißkonstruktion bei hoher Geschwindigkeit zu erzielen.In the context of the present invention, "optimal use of laser beam energy" "means continuous Welding construction can be achieved, at the highest possible speed and lowest Laser beam energy. The ability to keep the laser beam energy as low as possible and still weld quickly, should not be underestimated, because it represents a significant economic advantage over a system which otherwise depends very much on high laser beam energy, in order to create a continuous welded construction at high speed to achieve.
Demgemäß ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Schweißen bewegter Platten von streifenförmigem Material bei hoher Geschwindigkeit zu entwickeln, und zwar unter Verwendung eines Laserstrahls, um eine geschweißte Naht zwischen den bewegten Streifen herzustellen.Accordingly, it is the primary object of the present invention to provide a method of welding moving plates of strip-shaped Develop material at high speed, using a laser beam to create a welded Establish a seam between the moving strips.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schweißkonstruktion vorzugeben, die aus einem Schmelzschweißungsnugget besteht, der durch die Abwesenheit einer von der Hitze beeinflußten Zone charakterisiert ist.Another object of the present invention is to provide a Specify weldment made from a fusion weld nugget characterized by the absence of a heat affected zone.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and drawings attached drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 die bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Draufsicht,Fig. 1 shows the preferred device for carrying out the invention Procedure in plan view,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Qualität der Schweißkonstruktion als Funktion der Lage des Brennpunktes, und zwar unter Verwendung von Linsen mit zwei verschiedenen Brennweiten, wobei die anderen Verfahrensparameter vorgegeben sind, Figure 2 is a graph of the quality of the weldment as a function of the position of the focal point, using two different lenses Focal lengths, whereby the other process parameters are specified,
Fig. 3aFig. 3a
bis 3e eine vergrößerte Darstellung des konvergierenden V, das sich zwischen den Druckrollen ausbildet, um die Wirkung der folgenden Parameter auf das Schweißen zu verdeutlichen: Lage des Brennpunktes, Brennweite und Durchmesser der Druckrollen,to 3e an enlarged view of the converging V that forms between the pressure rollers around the To clarify the effect of the following parameters on welding: position of the focal point, focal length and Diameter of the pressure rollers,
Fig.4a-bFig. 4a-b
und 5a-b Fotografien der hundertfach vergrößerten geschweißten Naht zwischen zwei Streifen von Aluminiumplatten bei einer Geschwindigkeit von 120 m und 150 m/Min.and Figures 5a-b include photographs of the welded seam, magnified 100 times, between two strips of aluminum panels a speed of 120 m and 150 m / min.
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Auf Fig. 1 ist die Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zwei Streifen von plattenförmigem Material 10 und 12 werden von den Vorratsrollen 14 und 16 in Richtung aufeinander so gezogen, daß sich ein konvergierendes V bildet, bei dem die Streifen 10 und 12 beim Konvergenzpunkt 18 übereinanderliegen. Die Streifen 10 und 12 werden durch die Druckrollen A und B miteinander in Kontakt gebracht, so daß der Berührungspunkt zwischen den Druckrollen dem Konvergenzpunkt 18 entspricht. Leerlaufrollen 20 und 22 können verwendet werden, um die Streifen 10 und 12 zu handhaben und um die Spannung in den Streifen beim Ziehen aufrechtzuerhalten. Obwohl jedes Plattenmaterial 10 und 12 nach Fig. 1 aus einem gewickelten Streifen kontinuierlicher Länge besteht, versteht es sich von selbst, daß die Streifen des plattenförmigen MaterialsiO und 12 nicht auf Streifen kontinuierlicher Länge beschränkt sind. Wenn die Streifen des plattenförmigen Materials eine im vorausbestimmte begrenzte Länge aufweisen, wäre eine andere Ausgabevorrichtung nötig, um die Streifen zu verarbeiten, und zwar vorzugsweise nacheinander durch die Druckrollen A und B. Es sind Abwickelvorrichtungen bekannt, die mit einer konventionellen Ausrüstung verwendet werden können, um kontinuierlich oder diskontinuierlich und in kontrollierten Zeitintervallen streifenförmiges Material begrenzter Länge entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren einzuführen.1 shows the apparatus for carrying out the present invention. Two strips of plate-shaped Material 10 and 12 are fed from supply rolls 14 and 16 in Direction towards each other drawn so that a converging V forms, in which the strips 10 and 12 at the point of convergence 18 are on top of each other. The strips 10 and 12 are brought into contact with each other by the pressure rollers A and B, so that the The point of contact between the pressure rollers corresponds to the point of convergence 18. Idler rollers 20 and 22 can be used to handle strips 10 and 12 and to maintain tension in the strips as they are pulled. Though each Plate material 10 and 12 according to FIG. 1 consists of a wound strip of continuous length, of course It goes without saying that the strips of sheet material 10 and 12 are not limited to strips of continuous length are. When the strips of sheet material have a having a predetermined limited length, another output device would be required to process the strips, and although preferably one after the other by the pressure rollers A and B. There are known unwinding devices that use a conventional one Equipment can be used continuously or intermittently and at controlled time intervals to introduce strip-shaped material of limited length according to the method according to the invention.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Streifen 10 und 12 aus irgendeinem Metall oder Kunststoff bestehen, obwohl die Zusammensetzung jedes Materials verträglich sein.muß. Die Eigenschaften des Plattenmaterials, wie z.B. seine Leitfähigkeit und sein thermisches DiffusionsvermögenTo carry out the method according to the invention, the strips 10 and 12 can be made of any metal or plastic, although the composition of each material must be compatible. The properties of the plate material, e.g. its conductivity and its thermal diffusivity
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bedeuten keine Einschränkung. Demgemäß eignet sich das Verfahren besonders für das Schweißen von leitenden Metallen wie Aluminium und Kupfer. Zudem ist die Dicke des Materials nur begrenzt durch Gesichtspunkte der praktischen Handhabung und der Geschwindigkeit. Plattenmaterial der Dicke von nur 0,25 mm bis zu einer Plattendicke von 6 mm kann mit Hilfe des erfin-r dungsgemäßen Verfahrens leicht geschweißtwerden.do not mean any restriction. Accordingly, the method is particularly suitable for welding conductive metals such as Aluminum and copper. In addition, the thickness of the material is only limited by aspects of practical handling and the speed. Board material with a thickness of only 0.25 mm up to a board thickness of 6 mm can be produced with the help of the erfin-r easily welded according to the method.
Die Streifen 10 und 12 werden durch die Druckrollen A und B durch die Greifvorrichtungen 24 und 26 gezogen, welche die Streifen unterhalb des Konvergenzpunktes 18 ziehen und ebenso entlang eines im voraus bestimmten und vorzugsweise unveränderlichen Weges in Richtung des Pfeiles in Fig. 1. Obwohl es vorzuziehen ist, die Streifen 10 und 12 durch die Druckrollen A und B von unterhalb zu ziehen, können die Streifen auch von einem Punkt oberhalb der Druckrollen zugeführt werden; alternativ können die Druckrollen selbst angetrieben werden. Die Geschwindigkeit, mit der die Streifen durch die Rollen A und B gezogen werden, ist eine Verfahrensvariable, die in einer noch zu diskutierenden Weise beeinflußt wird.The strips 10 and 12 are driven by the pressure rollers A and B. pulled by the gripping devices 24 and 26, which the Draw strips below the point of convergence 18 and also along a predetermined and preferably unchangeable one Travel in the direction of the arrow in Fig. 1. Although it is preferable to pass the strips 10 and 12 through the pressure rollers To pull A and B from below, the strips can also be fed from a point above the pressure rollers; alternatively, the pressure rollers can be driven themselves. The speed at which the strips pass through rollers A and B drawn is a process variable that is affected in a manner to be discussed.
Eine konventionelle Quelle 30 für Laserenergie erzeugt einen .Laserstrahl 32, der optisch durch eine Linse 34 oder irgendein anderes optisches Medium fokussiert wird, und zwar auf das konvergierende V, das aus.den bewegten Streifen 10 und 12 gebildet ist. Die Energie des Laserstrahls 32 ist kein kritischer Faktor für die Erzeugung einer geschweißten Naht zwischen den bewegten Streifen; sie ist jedoch eine der regelnden Variablen bei der Bestimmung der maximalen Geschwindigkeit, mit der eine kontinuierliche Schweißung ausgeführt werden kann. Für irgend-A conventional source 30 of laser energy generates a laser beam 32 which is optically passed through a lens 34 or some Another optical medium is focused on the converging V formed from the moving strips 10 and 12 is. The energy of the laser beam 32 is not a critical factor in creating a welded seam between the moving strip; however, it is one of the regulating variables in determining the maximum speed with which one continuous welding can be carried out. For any-
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einen Laser gegebener Energie besteht eine optimale Beziehung zwischen Brennweite, Lage des Brennpunktes, Durchmesser des Strahls, Orientierung des Strahls, Durchmesser der Druckrolle und Schweißgeschwindigkeit, welche eine Schweißung akzeptabler Qualität erzeugt. Die richtige Fokussierung des Laserstrahls 32 auf das konvergierende V ist wesentlich , wenn man überhaupt eine Schweißung erhalten will, abgesehen von der Energie des Lasers. Zudem kann durch eine richtige Fokussierung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren eine ,optimale Ausnützung der Laserenergie erreicht werden. Das Fokussieren des Laserstrahls wird ausführlich in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 diskutiert.A laser of given energy exists an optimal relationship between focal length, position of the focal point, diameter of the Beam, beam orientation, pressure roller diameter and welding speed, which make a weld more acceptable Quality creates. Properly focusing the laser beam 32 on the converging V is essential, if at all wants to get a weld apart from the energy of the laser. In addition, a correct focus can be used accordingly the method according to the invention an optimal utilization the laser energy can be achieved. The focusing of the laser beam is detailed in connection with FIGS. 2 and 3 discussed.
Die Druckrollen A und B haben eine kritische Funktion in Verbindung mit dem richtigen Fokussieren des Laserstrahls, bei der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung. Es wurde gefunden, daß die Streifen 10 und 12 beim Konvergenzpunkt 18 in innigem Kontakt miteinander sein müssen; zudem muß an dieser Stelle wenigstens eine Nominal-Druckkraft gegen die Streifen ausgeübt werden. Das völlige Fehlen einer Druckkraft führt dazu, daß eine kontinuierliche Schweißung zwischen den bewegten Streifen selbst bei herabgesetzten Geschwindigkeiten und anderen optimalen Verfahrensvariablen nicht durchgeführt werden kann. Die Größe der Kompressionskraft scheint nicht signifikant zu sein, vorausgesetzt, daß wenigstens irgendein positiver Druck ausgeübt wird. Ein zu großer Druck ist nachteilig und kann zu einer Verformung führen.The pressure rollers A and B have a critical function in connection with properly focusing the laser beam in practicing the present invention. It was found that strips 10 and 12 must be in intimate contact at convergence point 18; moreover must at this Place at least a nominal compressive force against the strips. The complete lack of a compressive force leads to ensure that a continuous weld between the moving strips even at reduced speeds and other optimal process variables cannot be performed can. The magnitude of the compression force does not appear to be significant, provided that at least some positive one Pressure is applied. Too much pressure is disadvantageous and can lead to deformation.
Es versteht sich, daß die Scnweißung, die zwischen den bewegten Streifen ausgebildet wird, in dem Maße, wie die Streifen vorwärtsbewegt werden, kontinuierlich sein muß. Ein Mangel anIt will be understood that the weld formed between the moving strips as the strips advance must be continuous. A lack of
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Kontinuität der Naht bedeutet, daß überhaupt keine Schweißung entstanden ist. Die Kontinuität der Schweißung kann mit freiem Auge festgestellt werden oder indem die Naht durch Druck auf undichte Stellen geprüft wird. Offensichtlich hängt die Qualität der Schweißung davon ab, daß wenigstens gewisse minimale Druckerfordernisse erfüllt sind, die von der Anwendung der geschweißten Streifen abhängen.Continuity of the seam means that no weld has been made at all. The continuity of the weld can be achieved with free Eye or by pressing on the seam leaks are checked. Obviously, the quality of the weld depends on at least certain minimum Pressure requirements are met which depend on the application of the welded strips.
Die Druckrollen A und B sind vorzugsweise konventionelle Quetschwalzen mit einer kreisförmigen Peripherie. Auch andere Vorrichtungen können verwendet werden, vorausgesetzt, daß diese Vorrichtungen eine gekrümmte Kontur annehmen, sobald sie den Konvergenzpunkt erreichen. Für eine bilaterale Schweißsymmetrie sind die Durchmesser der Druckrollen A und B gleich.Pressure rollers A and B are preferably conventional nip rollers with a circular periphery. Others too Devices can be used provided that these devices assume a curved contour once they have the Reach the point of convergence. For bilateral welding symmetry, the diameters of pressure rollers A and B are the same.
Die Fig. 2 und 3 verdeutlichen die Wichtigkeit des Fokussierens und des Durchmessers der Druckrollen A und B für die Qualität der Schweißung.Figs. 2 and 3 illustrate the importance of focusing and the diameter of the pressure rollers A and B for quality the weld.
Um eine Schweißung zu verwirklichen, muß der Laserstrahl auf das konvergierende V fokussiert werden, und zwar im wesentlichen oberhalb des Konvergenzpunktes. Die Breite, die für das Fokussieren genommen wird, hängt hauptsächlich ab von der Brennweite, dem Durdimesser des Strahls, dem Durchmesser der Abquetschwalze und von der zu erreichenden Geschwindigkeit. Die Fig. 2 und 3a bis 3e enthalten die Resultate einer Anzahl von Versuchen, die mit einem 1 kW kontinuierlichen CC^-Laser der Wellenlänge 10,6 Mikron durchgeführt wurden; der Ausgangsstrahl (TEM00-Mode) hat einen Durchmesser von 1,25 cm; dieser Strahl wurde durch optische Linsen der Brennweite 6,25 cm undTo achieve a weld, the laser beam must be focused on the converging V, substantially above the point of convergence. The width taken for focusing depends mainly on the focal length, the diameter of the beam, the diameter of the squeegee roller and the speed to be achieved. Figures 2 and 3a to 3e contain the results of a number of experiments carried out with a 1 kW continuous CC ^ laser of wavelength 10.6 microns; the output beam (TEM 00 mode) has a diameter of 1.25 cm; this beam was through optical lenses of focal length 6.25 cm and
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9,37 cm auf einen Brennpunkt mit dem Durchmesser von ungefähr 0,1 mm bei den Brennpunkten f1, f2 und f3 fokussiert. Eine weitere Anzahl von Brennpunkten bezüglich des Berührungspunktes wurden verwendet, um die graphische Darstellung in Fig. 2 zu erhalten. Extrapolation der Daten in Fig. 2 und 3 zeigt die Bedeutung der folgenden Kriterien für eine kontinuierliche, schnelle Nahtschweißung, mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 30 m/Min:9.37 cm to a focal point about the diameter of 0.1 mm focused at the focal points f1, f2 and f3. One another number of focal points with respect to the point of contact were used to make up the graph in FIG obtain. Extrapolation of the data in Figs. 2 and 3 shows the importance of the following criteria for continuous, fast seam welding, at a speed of at least 30 m / min:
a) der Laserstrahl sollte in wesentlichen entlang der "Symmettrieebene" eingeführt werden, welche als die Ebene definiert ist, welche durch den Berührungspunkt 18 zwischen den Druckrollen A und B geht und welche parallel zu ihren longitudinalen Achsen liegt. Wenn der Laserstrahl außerhalb der Symmetrieebene liegt, aber in einer Ebene, die parallel zur Symmetrieebene ist, wird eine nicht-symmetrische Schweißung zwischen den Streifen gebildet. Das Ausmaß der Asymmetrie ist direkt proportional zu der Abweichung von der Symmetrieebene. Aber die Lage des Strahls innerhalb der Symmetrieebene ist über einen weiten Bereich bis zu wenigstens + 30° einstellbar, vorausgesetzt, daß der Brennpunkt relativ genau aufrechterhalten wird, wie im folgenden erklärt wirdja) the laser beam should essentially be along the "plane of symmetry" which is defined as the plane passing through the point of contact 18 between the pressure rollers A and B goes and which is parallel to their longitudinal axes. If the laser beam is outside the Plane of symmetry lies, but in a plane parallel to If the plane of symmetry is a non-symmetrical weld formed between the strips. The extent of the asymmetry is directly proportional to the deviation from the plane of symmetry. But the position of the ray within the plane of symmetry can be adjusted over a wide range up to at least + 30 °, provided that the focal point is relatively accurate is maintained as explained below j
b) wenn eine optimale Ausnützung des Laserstrahls nicht erforderlich ist und der Laserstrahl genügend Energie enthält, dann kann der Brennpunkt im wesentlichen über dem Konvergenzpunkt 18 liegen. Wenn jedoch eine optimale Ausnützung erwünscht ist, sollte der Brennpunkt des Lasers innerhalb eines engen Brennpunktbereiches aufrechterhalten werden, der im wesentlichen vom Konvergenzpunkt bis zu einer Stelle abwärtsb) when optimal utilization of the laser beam is not required and the laser beam contains sufficient energy, then the focal point can be substantially above the convergence point 18 lying. However, if optimal utilization is desired, the focus of the laser should be within one can be maintained in a narrow focal area, essentially from the convergence point to a point downward
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davon reicht. Der Ausdruck"optimale Verwendung"bezeichnet die Fähigkeit, eine kontinuierliche Schweißung bei höchstmöglicher Geschwindigkeit und bei möglichst geringer Laserstrahlenergie zu verwirklichen. Die Lage des Brennpunkts bezüglich des Berührungspunktes als Funktion des Druckes ist in Fig. 2 dargestellt für eine Linse der Brennweite 6,25 cm und 9,37 cm, wobei der Durchmesser des Strahls 1,25 cm beträgt. Der Brennpunktbereich, innerhalb dessen eine akzeptable, kontinuierliche, ununterbrochene geschweißte Naht zwischen bewegten Streifen hergestellt wird, variiert entsprechend den Änderungen der anderen Verfahrensparameter. Für den hier beschriebenen 1 kW CO2-Laser, der innerhalb der Symmetrieebene auf zwei bewegte Aluminiumstreifen (Geschwindigkeit wenigstens 120 m/Min., Druckrollen A und B mit einem Durchmesser von 2,8 cm) fokussiert wird, ist der akzeptable Brennpunktbereich nur ungefähr 1,75 mm breit für die Linse mit einer Brennweite von 6, 25 cm und ungefähr 3, 25 mm für die Linse mit der Brennweite von 9,37 cm. Es ist interessant und überraschend, daß sich der Bereich des Brennpunktes nur vom Berührungspunkt abwärts erstreckt. Der Bereich des Brennpunktes kann dadurch erweitert werden, daß der Durchmesser der Druckrollen A und B verringert wird und/oder die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder die Energie des Laserstrahls oder die Brennweite oder beide Faktoren erhöht werden. Es wird jedoch angenommen, daß bei einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit eine annehmbare Schweißung zwischen den Streifen nicht hergestellt werden kann, ohne daß der Strahl auf einen Brennpunkt im wesentlichen am Konvergenzpunkt fokusiert wird oder jenseits des Konvergenzpunktes, d.h. davonthat's enough. The term "optimal use" denotes the ability to achieve a continuous weld at the highest possible speed and with the lowest possible laser beam energy. The position of the focal point with respect to the point of contact as a function of pressure is shown in FIG. 2 for a lens of focal length 6.25 cm and 9.37 cm, the diameter of the beam being 1.25 cm. The focal range within which an acceptable, continuous, uninterrupted welded seam is made between moving strips will vary according to changes in the other process parameters. For the 1 kW CO 2 laser described here, which is focused on two moving aluminum strips (speed at least 120 m / min., Pressure rollers A and B with a diameter of 2.8 cm) within the plane of symmetry, the acceptable focal point range is only approximate 1.75 mm wide for the 6.25 cm focal length lens and about 3.25 mm for the 9.37 cm focal length lens. It is interesting and surprising that the area of focus only extends downward from the point of contact. The area of the focal point can be expanded by reducing the diameter of the pressure rollers A and B and / or increasing the operating speed and / or the energy of the laser beam or the focal length or both factors. It is believed, however, that at a high speed of operation, an acceptable weld between the strips cannot be made without focusing the beam on a focal point substantially at or beyond the point of convergence, ie
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abwärts selbst mit einem Laserstrahl wesentlich höherer Energie;downwards, even with a laser beam, is much higher Energy;
c) der Eintritt eines Laserstrahls konischer Geometrie in ein konvergierendes V aus den vorangleitenden Streifen des Materials 10 und 12 kann den Strahl in Abhängigkeit von der Größe des konvergierenden Lichtbündels, d.h. der Brennweite, der Lage des Brennpunktes und des Durchmessers der Druckrolle verkürzen. Für die oben bezeichneten Lagen des Brennpunktes war eine Verkürzung des Laserstrahls durch die Druckrollen unvermeidbar. Unter gewissen Umständen kann das Verkürzen sogar erwünscht sein. Wenn der Laserstrahl die Druckrolle trifft, wird ein Teil der Laserenergie in das konvergierende V und daher auch in die aktive Schweißzone reflektiert, ein Teil wird von den bewegten Streifen absorbiert und erscheint als Wärme und ein Teil wird diffus gestreut und geht so verloren. Je weiter vom Konvergenzpunkt entfernt das Verkürzen erfolgt, desto mehr Laserenergie geht verloren.c) the entry of a laser beam of conical geometry into a converging V from the preceding strips of the material 10 and 12 can adjust the beam depending on the size of the converging light beam, i. the focal length, the position of the focal point and the diameter of the pressure roller. For those identified above At the focal point, a shortening of the laser beam by the pressure rollers was unavoidable. Under certain In some circumstances, shortening may even be desirable. When the laser beam hits the pressure roller, it will part of the laser energy is reflected into the converging V and therefore also into the active welding zone Part is absorbed by the moving stripes and appears as heat and a part is diffusely scattered and is thus lost. The further away from the point of convergence the shortening occurs, the more laser energy is lost.
Die Beziehung zwischen dem Verkürzen, wenn es überhaupt erfolgt, der Lage des Brennpunktes, dem Durchmesser der Druckrolle und der Brennweite wird in den Fig, 3a bis 3e gezeigt, wo der Durchmesser der beiden Rollen A und B zwischen einem Wert von 2,8 cm und 5 cm variiert wurde; die optische Linse wurde entlang der optischen Achse verschoben und die Brennweite variierte von 6,25 cm bis 9,37 cm, wobei der Brennpunkt an den Positionen f1, f2 und f3 entstand. Es versteht sich, daß der Durchmesser der Druckrollen A und B auch die zusätz-The relationship between the shortening, if any, the location of the focal point, the diameter of the pressure roller and the focal length is shown in Figures 3a to 3e, where the diameter of the two rollers A and B is between a Value was varied from 2.8 cm and 5 cm; the optical lens was moved along the optical axis and the focal length varied from 6.25 cm to 9.37 cm with the focus at positions f1, f2 and f3. It goes without saying that the diameter of the pressure rollers A and B also
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liehe Dicke der Streifen 10 und 12 umfaßt. Der Durchmesser des ■Laserstrahls betrug in jedem Fall 1,25 cm. Für die Brennpunktposition f1f die abwärts vom Berührungspunkt 18 eine Grenze bildet, wie aus den Fig. 3a und 3b hervorgeht, erfolgte das Verkürzen beim Punkt C, und zwar mit den Druckrollen A und B vom Durchmesser 2,8 cm und einer Linse der Brennweite 6,25 cm wie aus der Fig. 3a hervorgeht; beim Punkt D erfolgt die Verkürzung, wobei Druckrollen A und B vom Durchmesser 5 cm verwendet wurden und die Linse derselben Brennweite wie in Fig. 3b gezeigt wird. Mit einer Brennpunktposition f2, welche wie in Fig. 3c gezeigt, am Berührungspunkt 18 einen Abschluß bildet, erfolgte die Verkürzung beim Punkt E, und zwar unter Verwendung dner Linse der Brennweite 6,25 cm und der Druckrollen A und B vom Durchmesser 5 cm. Mit einem Strahl vom Durchmesser 1,25 cm und einer Linse der Brennweite 9,37 cm,deren Brennpunkt, wie aus Fig. 3b hervorgeht,bei f1 liegt, und unter Verwendung der DruckroTLen A und B vom Durchmesser 2,8 cm erfolgte die Verkürzung am Punkt F, der näher am Berührungspunkt liegt als die Punkte C, D und E. Daraus folgt, daß die Verkürzung des Strahls dadurch verringert werden kann, daß die·Brennweite vergrößert wird. Die empirische Bewertung der Schweißungen in den Fig. 3a bis 4b zeigt, daß für eine Linse mit einer Brennweite von 6,25 cm eine bessere Qualität der Schweißung erreicht wird, wenn Druckrollen mit einem kleineren Durchmesser verwendet werden; für eine Linse mit einer Brennweite von 8,75 cm ergab sich über einen breiteren Bereich eine überlegene Schweißung, wenn Druckrollen mit kleinerem Durchmesser verwendet wurden. Unter sonst gleichen Bedingungen führen also Druckrollen mit einem kleineren Durchmesser zu einer besseren Energieausnützung. Wenn die Verkürzung genügend nahe am Kon-borrowed thickness of the strips 10 and 12 comprises. The diameter of the laser beam was 1.25 cm in each case. For the focal position f1 f which forms a limit downwards from the point of contact 18, as can be seen from FIGS. 3a and 3b, the shortening took place at point C, with pressure rollers A and B with a diameter of 2.8 cm and a lens of the focal length 6.25 cm as shown in FIG. 3a; at point D the shortening takes place, pressure rollers A and B with a diameter of 5 cm being used and the lens of the same focal length as shown in FIG. 3b. With a focal position f2, which, as shown in FIG. 3c, forms a termination at the contact point 18, the shortening at point E was carried out using the lens with a focal length of 6.25 cm and the pressure rollers A and B with a diameter of 5 cm. The shortening took place with a beam with a diameter of 1.25 cm and a lens with a focal length of 9.37 cm, the focal point of which, as can be seen from FIG at point F, which is closer to the point of contact than points C, D and E. It follows that the shortening of the beam can be reduced by increasing the focal length. The empirical evaluation of the welds in FIGS. 3a to 4b shows that for a lens with a focal length of 6.25 cm a better quality of the weld is achieved if pressure rollers with a smaller diameter are used; for a 8.75 cm focal length lens, a superior weld resulted over a wider area when smaller diameter pressure rollers were used. All other things being equal, pressure rollers with a smaller diameter lead to better energy utilization. If the shortening is sufficiently close to the
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vergenzpunkt erfolgt, leitet die V-förmige Geometrie die Laserenergie in die Schweißzone. Die dritte Brennpunktposition f3 wurde mit Hilfe eines Strahls vom Durchmesser 1,25 cm bewirkt, wie aus Fig. 3e hervorgeht, mit einer Linse der Brennweite 6,25 cm und Druckrollen A und B vom Durchmesser 2,8 cmjder Punkt £3 begrenzt einen Ort gerade kurz vor dem Berührungspunkt 18, d.h. etwas aufwärts vom Berührungspunkt. Ungeachtet der Tatsache, daß keine Verkürzung erfolgt und der Brennpunkt nahe am Berührungspunkt 18 liegt, konnte hier keine kontinuierliche Schweißung erzielt werden. Demgemäß ist die Energie des Laserstrahls nicht annähernd so wichtig für die Erzielung einer kontinuierlichen Schweißung wie die Lage des Brennpunktes, die Größe des konvergierenden Lichtkegels, welche durch die Brennweite bestimmt wird und der Durchmesser des Strahls und der Durchmesser der Druckrollen, die in den Absätzen (a), (b) und (c) erläutert wurde, wenn eine optimale Ausnützung der Laserstrahlenergie erforderlich ist. Zudem gestatten die Eigenschaften der Geometrie des konvergierenden V eine effektivere Absorption der Laserstrahlenergie, was zu einer höheren Schweißgeschwindigkeit führt und eine Zusammenballung des geschweißten Materials verhindert. Die Zusammenballung ist ein Problem, das bei Verfahren zur Verschweißung von Ecken auf dünnem Material auftritt.The V-shaped geometry directs the laser energy into the welding zone. The third focal position f3 was effected with the aid of a beam with a diameter of 1.25 cm, as can be seen from FIG. 3e, with a lens with a focal length of 6.25 cm and pressure rollers A and B with a diameter of 2.8 cm, each point £ 3 delimits a location just before the point of contact 18, ie a little upwards from the point of contact. Notwithstanding the fact that there is no shortening and the focal point is close to the contact point 18, a continuous weld could not be achieved here. Accordingly, the energy of the laser beam is not nearly as important for achieving a continuous weld as the position of the focal point, the size of the converging light cone, which is determined by the focal length, and the diameter of the beam and the diameter of the pressure rollers, which are specified in paragraphs ( a), (b) and (c) have been explained when an optimal utilization of the laser beam energy is required. In addition, the properties of the geometry of the converging V allow the laser beam energy to be absorbed more effectively, resulting in a higher welding speed and preventing the welded material from agglomerating. Aging is a problem encountered in processes for welding corners on thin material.
Fotografien der Schweißkonstruktionen, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, und zwar unter Verwendung des 1 kW CO2-LaSers und unter Bedingungen, welche den oben diskutierten Kriterien genügen, werden in den Fig. 4a bis 4b und 5a bis 5b gezeigt, und zwar für Aluminiumstreifen der Dicke 0,15 mm, wobei die Fig. 4a bis 4b die SchweißungPhotographs of the weldments made according to the method of the present invention using the 1 kW CO 2 laser and under conditions which meet the criteria discussed above are shown in Figures 4a to 4b and 5a to 5b for aluminum strips 0.15 mm thick, FIGS. 4a to 4b showing the weld
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zeigen, welche "bei einer Schweißgeschwindigkeit von 12Om erhalten wurde; die Fig. 5a bis 5b zeigen die Schweißkonstruktion, die bei einer Schweißgeschwindigkeit von 150 m/Min, erhalten wurde. Die Fotografien wurden mit einem konventionellen optischen Mikroskop bei hundertfacher Vergrößerung aufgenommen. In jedem Falle hat die Schweißkonstruktion eine Mikrostruktur, die für alle Schmelzschweißungen charakteristisch ist, aber bei dieser Vergrößerung ist eine von der Hitze beeinflußte Zone nicht zu sehen. Eine von der Hitze beeinflußte Zone ist, wie früher bereits bemerkt wurde, normalerweise mit blossemAuge zu sehen. Beide Fig. 4 und 5 zeigen die Schweißkonstruktion der Länge nach, um die Kontinuität der Schweißung entlang der Länge der Naht zu zeigen; auch der Querschnitt wird gezeigt. Der Querschnitt der Schweißung, die bei einer Geschwindigkeit von 120 m/Min, erhalten wurde, ist gleichförmiger als die Schweißung, die bei einer Geschwindigkeit von 150 m/Min, erhalten wurde, wie sich aus dem Vergleich der Fig. 4b und 5b ergibt. Beide Schweißkonstruktionen sind symmetrisch und haben eine Dicke, die nur einen Bruchteil der Dicke des Streifens beträgt. Die Dicke der Schweißkonstruktion ist im wesentlichen unabhängig von der Dicke des Streifens.show which "at a welding speed of 120 m was obtained; FIGS. 5a to 5b show the welded construction, obtained at a welding speed of 150 m / min. The photographs were taken with a conventional optical microscope taken at 100x magnification. In any case, the welded construction has a microstructure, which is characteristic of all fusion welds, but at this magnification one is from the heat affected zone not visible. A heat affected zone, as noted earlier, is normal to be seen with the naked eye. Both Figs. 4 and 5 show the weldment lengthwise to show the continuity of the weld along the length of the seam; also the Cross section is shown. The cross-section of the weld obtained at a speed of 120 m / min is more uniform than the weld obtained at a speed of 150 m / min, as can be seen from the comparison 4b and 5b results. Both weldments are symmetrical and have a thickness that is only a fraction of that Thickness of the strip is. The thickness of the weldment is essentially independent of the thickness of the strip.
Die oben angeführten Beispiele betreffen Streifenmaterial aus Aluminium. Auch Streifenmaterial anderer Zusammensetzungen wurde geprüft, wobei sich ergab, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Kohlenstoffstahl, rostfreien Stahl, Kupfer, Messing und andere Materialien angewendet werden kann, die durch Kombination der hier aufgeführten Metalle entstehen; in allen Fällen ergaben sich befriedigende kontinuierliche Schweißungen· Demgemäß ist die vorliegende Erfindung nichtThe examples given above relate to strip material made of aluminium. Strip material of other compositions was also tested and it was found that the method according to the invention Can also be applied to carbon steel, stainless steel, copper, brass and other materials that arise from a combination of the metals listed here; satisfactory continuous results were found in all cases Welds · Accordingly, the present invention is not
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auf ein Streifenmaterial bestimmter Zusammensetzung beschränkt. Abgesehen von rostfreiem Stahl und Kohlenstoffstahl zeigte keine Schweißkonstruktion eine von der Hitze beeinflußte Zone.limited to a strip material of a certain composition. Except for stainless steel and carbon steel showed no welded construction a zone affected by the heat.
Es versteht sich, daß bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung viele Variationen möglich sind. Fig. 1 beschreibt das bevorzugte System, bei welchem der Laserstrahl im wesent·*· liehen innerhalb der Symmetrieebene liegt und seine Hauptvektorkomponente in Ausbreitungsrichtung zeigt; eine andere Ausführungsform bestünde darin, die Streifen so zu legen, daß sich eine V-förmige Konfiguration ergibt und die Streifen bezüglich des Laserstrahls so zu bewegen, daß die Hauptvektorkomponente des Strahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung steht.It will be understood that many variations are possible in practicing the present invention. Fig. 1 describes the preferred system in which the laser beam is essentially borrowed lies within the plane of symmetry and its main vector component shows in the direction of propagation; Another embodiment would be to lay the strips so that a V-shaped configuration and to move the strips with respect to the laser beam so that the main vector component of the beam is perpendicular to the direction of propagation.
Eine kontinuierliche Nahtschweißung wird zwischen zwei Streifen eines plattenförmigen Materials hergestellt, während die Streifen bewegt werden, daß zwischen den bewegten Streifen eine V-förmige Anordnung hergestellt wird, beim Konvergenzpunkt ein Druck angewendet wird und der Laserstrahl in das konvergierende V fokussiert wird.A continuous seam weld is made between two strips of sheet material while the strips are moved so that a V-shaped arrangement is made between the moved strips, at the point of convergence a pressure is applied and the laser beam is focused into the converging V.
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Claims (27)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US62548075A | 1975-10-24 | 1975-10-24 | |
US62547975A | 1975-10-24 | 1975-10-24 |
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