DE19908218C1 - Plasma-assisted laser welding method uses plasma-generating element with lower melting point than either of welded parts for providing smelt bridge - Google Patents

Plasma-assisted laser welding method uses plasma-generating element with lower melting point than either of welded parts for providing smelt bridge

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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/18Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using absorbing layers on the workpiece, e.g. for marking or protecting purposes

Abstract

The welding method has a laser beam (5) directed onto a plasma-generating element (7) , attached to one of the parts (1,2) to be welded together, which has a lower melting point than the latter, for providing a plasma which allows storage of the laser energy and/or transmission of the laser energy to the welded parts, with formation of a smelt bridge (6), for providing a mechanical and/or electrical connection between the welded parts.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von Elementen.The invention relates to a laser beam welding process for Welding of elements.

Bei bekannten Schweißtechniken werden die zu verschweißenden Elemente möglichst spaltfrei aneinandergefügt. Fig. 1 zeigt einen Schweißprozeß nach dem Stand der Technik, bei dem ein erstes zu verschweißendes Element 1 mit einem zweiten zu ver­ schweißenden Element 2 verschweißt wird. Die Wirkrichtung des Laserstrahls 4 steht im wesentlichen senkrecht auf der Füge­ fläche der zu verschweißenden Elemente. Die Schmelzbrücken 6 werden am Auftreffort des Laserstrahls 5 auf dem ersten zu verschweißenden Element gebildet. Dabei wird das dünnere der beiden zu verschweißenden Elemente vorteilhafterweise mit dem Laser bestrahlt, weil das Durchschmelzen eines dünnen Blech­ teils problemfrei ausführbar ist und das dickere Teil eine sichere Barriere gegen Durchschmelzen darstellt.In known welding techniques, the elements to be welded are joined together as gap-free as possible. Fig. 1 shows a welding process according to the prior art, in which a first element 1 to be welded is welded to a second element 2 to be welded. The direction of action of the laser beam 4 is substantially perpendicular to the joining surface of the elements to be welded. The fusible links 6 are formed at the point of impact of the laser beam 5 on the first element to be welded. The thinner of the two elements to be welded is advantageously irradiated with the laser, because the melting of a thin sheet can be carried out without problems and the thicker part represents a safe barrier against melting.

Fig. 2 zeigt einen weiteren Schweißprozeß nach dem Stand der Technik, bei dem ein erstes zu verschweißendes Element 1 mit einem zweiten zu verschweißenden Element 2 verschweißt wird. Die Schmelzbrücken 6 befinden sich dabei an der Stirnseite des ersten zu verschweißenden Elementes bzw. an der Stirnsei­ te des ersten zu verschweißenden Elementes und an der Stirn­ seite des zweiten zu verschweißenden Elementes. Die Wirkrich­ tung des Laserstrahls 4 steht dabei im wesentlichen senkrecht auf der Fügefläche der zu verschweißenden Elemente bzw. im wesentlichen parallel zur Fügefläche der zu verschweißenden Elemente. Auch hier werden die Schmelzbrücken 6 am Auf­ treffort des Laserstrahls 5 auf das oder die zu verschweißen­ den Elemente gebildet. Fig. 2 shows another welding process of the prior art, in which a first element to be welded are welded 1 with a second element 2 is to be welded. The melting bridges 6 are located on the end face of the first element to be welded or on the front side of the first element to be welded and on the end face of the second element to be welded. The effective direction of the laser beam 4 is essentially perpendicular to the joining surface of the elements to be welded or substantially parallel to the joining surface of the elements to be welded. Here, too, the fusible links 6 are formed on the laser beam 5 where the elements are to be welded.

Aus US 4,751,365 ist ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verbinden von zwei zu verschweißenden Elementen bekannt, bei dem ein Materialzusatz in Form einer Nahteinlage verwendet wird. Der Zweck dieser Nahteinlage besteht darin, die Mate­ rialzusammensetzung der durch den Laserstrahl gebildeten Schmelze in geeigneter Weise zu beeinflussen. Die entstandene Schmelze bildet in der Nähe des Auftrefforts des Laserstrahls einen elektrischen und mechanischen Kontakt zwischen den zu verschweißenden Elementen.From US 4,751,365 is a laser beam welding process for Connecting two elements to be welded known at  which uses a material additive in the form of a seam insert becomes. The purpose of this suture insert is the mate rial composition of the laser beam To influence the melt in a suitable manner. The resulting one Melt forms near the point of impact of the laser beam an electrical and mechanical contact between the welding elements.

Der Nachteil der bekannten Schweißtechniken besteht darin, daß zum Aufschmelzen der zu verschweißenden Elemente eine re­ lativ hohe Laserleistung erforderlich ist. Daraus resultieren insbesondere bei der Schweißtechnik gemäß Fig. 1 störende Metallpartikel, die die Schweißstelle verunreinigen können. Darüber hinaus sind die bekannten Schweißtechniken nicht für das Laserschweißen in unmittelbarer Nähe von Kunststoffen ge­ eignet, da diese durch die hohen auftretenden Temperaturen leicht geschädigt werden. Viele Kunststoffe enthalten darüber hinaus eine Glasfaserfüllung, was bei Beschädigung eine zu­ sätzliche Partikelverschmutzung durch Glasfaserpartikel be­ deutet. Beim Laserschweißen im Relaisbau kommt erschwerend hinzu, daß hochlegierte Cu-Werkstoffe zum Einsatz kommen, die zum Schweißen eine besonders hohe Laserenergie und eine lange Pulsdauer erfordern. Aus der hohen Laserleistung resultiert eine unkontrollierte Wärmeentfaltung, die das Problem der Me­ tallspritzer und Partikelverschmutzung noch verstärkt.The disadvantage of the known welding techniques is that a relatively high laser power is required to melt the elements to be welded. This results, particularly in the welding technology according to FIG. 1, in disruptive metal particles which can contaminate the welding point. In addition, the known welding techniques are not suitable for laser welding in the immediate vicinity of plastics, since these are easily damaged by the high temperatures that occur. Many plastics also contain a glass fiber filling, which means additional damage caused by glass fiber particles if damaged. In laser welding in relay construction, it is made more difficult that high-alloy Cu materials are used, which require a particularly high laser energy and a long pulse duration for welding. The high laser power results in an uncontrolled heat release, which increases the problem of metal splashes and particle contamination.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Laser­ strahl-Schweißverfahren bereitzustellen, das bei geringer La­ serleistung eine kontrollierte Wärmeentfaltung ermöglicht. Dadurch soll die Bildung von Metallpartikeln und die Schädi­ gung von in der Nähe der Schweißstelle befindlichen Kunst­ stoffen vermieden werden.The aim of the present invention is therefore a laser to provide beam welding processes, which at low La controlled heat release. This is said to cause the formation of metal particles and damage art near the weld substances are avoided.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Schweißverfahren nach Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen. According to the invention, this aim is achieved by a welding process reached according to claim 1. Advantageous configurations the invention can be found in the further claims.  

Die Erfindung besteht darin, dass in einem plasmaunterstützten Laserstrahl-Schweissverfahren zum Verschweissen von Elementen ein Laserstrahl auf einen plasmabildenden Zusatz gerichtet wird, dessen Schmelztemperatur niedriger liegt als die der zu verschweissenden Elemente, und daraus ein Plasma gebildet wird. Die dabei erzeugte sehr heisse Plasmawolke überträgt ihre Wärme in kürzester Zeit auf die zu verschweissenden Elemente, welche zusätzlich noch durch die durch die Plasmawolke transmittierte Laserenergie aufgeheizt werden und dadurch zum schnellen Schmelzen gebracht werden. Aus der gebildeten Schmelze wird in der Nähe des Auftreffortes des Laserstrahls auf dem plasmabildenden Zusatz eine Schmelzbrücke gebildet, die einen mechanischen und/oder elektrischen Kontakt zwischen den zu verschweissenden Elementen ausbildet. Dadurch, dass die Laserenergie nicht mehr von den zu verschweissenden Elementen, sondern vom plasmabildenden Zusatz absorbiert wird, ist eine räumlich und zeitlich gut kontrollierte, prozesssichere Wärmeentfaltung möglich. Dadurch wird auch gewährleistet, vor allem während der Aufheizphase zu Beginn des Schweissprozesses, dass jede überschüssige Wärme als allererstes zum Phasenübergang des plasmabildenden Zusatzes und nicht zur Schädigung von Kunststoffteilen führt.The invention is that in one plasma-assisted laser beam welding process for Welding elements onto a laser beam plasma-forming additive is directed, the Melting temperature is lower than that of welding elements, and a plasma is formed from them becomes. The very hot plasma cloud generated thereby transmits their heat in no time at all to be welded Elements that are additionally determined by the Plasma cloud transmitted laser energy can be heated and thereby melt quickly. Out the melt formed is close to the point of impact of the laser beam on the plasma-forming additive Melting bridge formed, which is a mechanical and / or electrical contact between those to be welded Elements. Because the laser energy is not more of the elements to be welded, but of the plasma-forming additive is absorbed, is a spatial and well timed, reliable Heat development possible. This also ensures especially during the heating phase at the beginning of the Welding process that any excess heat than first of all to the phase transition of the plasma-forming additive and does not damage plastic parts.

Dabei wird besonders vorteilhafterweise ein Laserstrahl mit einer Energie kleiner als 10 Joule und einer Impulslänge kleiner als 3 ms verwendet. Dadurch kann die Schädigung angrenzender Kunststoffteile sowie die Bildung von Metallpartikel besonders effizient vermieden werden.It is particularly advantageous to use a laser beam an energy less than 10 joules and a pulse length used less than 3 ms. This can cause damage adjacent plastic parts as well as the formation of Metal particles can be avoided particularly efficiently.

Im Unterschied zu den bekannten Laserstrahl- Schweissverfahren funktioniert das erfindungsgemässe Verfahren auch bei Fügespalten zwischen den zu verschweissenden Elementen, die grösser als 0,03 mm sind; dies wirkt sich sogar vorteilhaft auf einen zu bildenden Wärmestau und die daraus resultierende Aufschmelzung der zu verschweissenden Elemente aus. Darüber hinaus sind grössere Luftspalte leichter einzustellen als kleine. In contrast to the known laser beam The welding method works according to the invention  Procedure also for joint gaps between the welding elements larger than 0.03 mm; this even has an advantageous effect on someone to be educated Heat build-up and the resulting melting of the welding elements. They are also larger Air gaps easier to adjust than small ones.  

Besonders vorteilhafterweise verwendet mas als plasmabildenden Zusatz Aluminium, Blei, Zink oder Zinn. Diese Materialien sind im Hinblick auf mögliche Verunreinigungen durch den plasmabildenden Zusatz unkritisch, haben keine explosionsartigen Nachwirkungen und sind leicht verfügbar.Mas is particularly advantageously used as plasma-forming additive aluminum, lead, zinc or tin. These materials are possible with regard to Impurities due to the plasma-forming additive uncritical, have no explosive aftermath and are readily available.

Eine besonders gute räumliche Definition der Wärmeentfaltung erreicht man, indem man vorteilhafterweise den plasmabildenden Zusatz als Oberflächenüberzug in der Nähe der zu bildenden Schmelzbrücke auf das oder die zu verschweissenden Elemente aufbringt. Dabei wird auch für einen guten Wärmekontakt zwischen dem plasmabildenden Zusatz und dem zu verschweissenden bzw. zu schmelzenden Element gesorgt. Ein solcher Oberflächenüberzug ist zudem leicht realisierbar.A particularly good spatial definition of the Unfolding heat is achieved by advantageously the plasma-forming additive as a surface coating in the Close to the melting bridge to be formed on the or the welding elements. It is also for good thermal contact between the plasma-forming Addition and the one to be welded or melted Element worried. Such a surface coating is also easy to implement.

Für den Fall, dass nur eines der zu verschweissenden Elemente an ein Kunststoffelement angrenzt, ist es besonders vorteilhaft, den plasmabildenden Zusatz nur auf einem ersten von zwei zu verschweissenden Elementen aufzubringen, wobei die Schmelze ausschliesslich aus dem ersten zu verschweissenden Element gebildet wird, und wobei das erste Element nicht an den Kunststoff angrenzt. In dem das zweite, an dem Kunststoff angrenzende Element nicht aufgeschmolzen wird, wird auch das Kunststoffelement besonders effektiv geschont.In the event that only one of the welded It is adjacent to a plastic element particularly advantageous only on the plasma-forming additive a first of two elements to be welded to apply, the melt exclusively from the first element to be welded is formed, and wherein the first element is not adjacent to the plastic. By doing the second element adjacent to the plastic is not is melted, the plastic element spared particularly effectively.

Um sicherzustellen, dass nur das erste zu verschweissende Element bzw. der darauf befindliche plasmabildende Zusatz vom Laserstrahl erhitzt wird und, dass die Schmelzbrücke gezielt an der gewünschten Stelle gebildet wird, ist es besonders vorteilhaft, von der senkrechten oder parallelen Wirkrichtung des Laserstrahls wie im Stand der Technik (Fig. 1 und Fig. 2) abzuweichen. Schweisst man am Rand des ersten zu verschweissenden Elementes, so birgt eine senkrechte Bestrahlung des plas­ mabildenden Zusatzes die Gefahr einer Erhitzung des dahinter­ liegenden zweiten zu verschweißenden Elementes. Eine paralle­ le Bestrahlung des Fügespaltes verbietet sich, weil dann die Gefahr besteht, daß die Schmelze sich zu beiden Seiten des ersten zu verschweißenden Elementes ausbildet. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, die Laserbestrahlung in einem Winkel α zwischen 10° und 40°, vorzugsweise 25°, zur Oberfläche des ersten zu verschweißenden Elementes durchzuführen. Durch die­ se schräge Bestrahlung des ersten zu verschweißenden Elemen­ tes wird auch ein Durchschmelzen am Rand dieses Elementes wirksam verhindert, da der Laserstrahl eine wesentliche Kom­ ponente in Richtung der größten Ausdehnung des zu schmelzen­ den Elementes besitzt.To ensure that only the first element to be welded or the plasma-forming additive on it is heated by the laser beam and that the fusible link is specifically formed at the desired location, it is particularly advantageous to use the vertical or parallel direction of action of the laser beam as in the state the technology ( Fig. 1 and Fig. 2). If welding is carried out at the edge of the first element to be welded, vertical radiation of the plasma-forming additive harbors the risk of the second element to be welded lying behind being heated. A parallel irradiation of the joining gap is forbidden because there is then a risk that the melt will form on both sides of the first element to be welded. It is therefore particularly advantageous to carry out the laser radiation at an angle α between 10 ° and 40 °, preferably 25 °, to the surface of the first element to be welded. Through the oblique radiation of the first element to be welded, melting through at the edge of this element is also effectively prevented, since the laser beam has a substantial component in the direction of the greatest extent of the element to be melted.

Vorteilhafterweise verwendet man als erstes zu verschweißen­ des Element ein Blech mit an der Stelle der zu bildenden Schmelzbrücke verminderter Dicke. Dadurch wird das Rufschmel­ zen des ersten Elementes erleichtert und eine schnellere Bil­ dung der Schmelzbrücke erreicht.It is advantageous to use welding first of the element with a sheet metal in place of the one to be formed Melting bridge of reduced thickness. This will make the call melt zen of the first element easier and a faster Bil reached the melting bridge.

Besonders vorteilhafterweise stellt man die Laserleistung so ein, daß sich nicht zum direkten Rufschmelzen der zu ver­ schweißenden Elemente ausreicht. Dann ist nämlich der Schweißprozeß einzig durch die Menge des plasmabildenden Zu­ satzes bestimmt. Nach Verbrauch des plasmabildenden Zusatzes kommt der Schweißprozeß automatisch zum Erliegen, und die an die Schweißstelle angrenzenden Elemente werden so wirkungs­ voll geschont. Im folgenden wird der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazu­ gehörigen Figuren näher erläutert.The laser power is set particularly advantageously in this way a that not for direct call melting of the ver welding elements is sufficient. Then that is Welding process only by the amount of the plasma forming Zu sentence determined. After consumption of the plasma-forming additive the welding process automatically comes to a standstill, and the the elements adjacent to the weld are thus effective fully protected. The following is the state of the art and the invention using exemplary embodiments and the associated figures explained in more detail.

Fig. 1 zeigt einen Schweißprozeß nach dem Stand der Tech­ nik wie bereits beschrieben. Fig. 1 shows a welding process according to the prior art technology as already described.

Fig. 2 zeigt einen Schweißprozeß nach dem Stand der Tech­ nik wie bereits beschrieben. Fig. 2 shows a welding process according to the prior art technology as already described.

Fig. 3 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen Schweiß­ prozeß im schematischen Querschnitt. Fig. 3 shows an example of a welding process according to the invention in schematic cross section.

Fig. 3 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen Laser­ schweißprozeß. Dabei soll das erste zu verschweißende Element 1 mit dem zweiten zu verschweißenden Element 2 verschweißt werden. Das zweite zu verschweißende Element grenzt direkt an ein Kunststoffelement 3 an. Durch die Verwendung des plasma­ bildenden Zusatzes 7 wird erreicht, daß die gesamte Lasere­ nergie sich am Auftreffort des Laserstrahls 5 auf dem plasma­ bildenden Zusatz entfaltet. Die Bestrahlung des plasmabilden­ den Zusatzes erfolgt dabei unter einem Winkel α, der zwischen 10° und 40°, vorzugsweise 25°, beträgt. Der plasmabildende Zu­ satz 7 ist auf dem ersten zu verschweißenden Element aufge­ bracht. Dadurch wird die Schmelzbrücke 6 ausschließlich aus dem Material des ersten zu verschweißenden Elementes und ne­ ben dem Auftreffort des Laserstrahls gebildet. Das zweite zu verschweißende Element 2 und das Kunststoffelement 3 sind so­ mit praktisch keiner thermischen Belastung ausgesetzt. Das erste zu verschweißende Element ist ein Blech mit an der Stelle der zu bildenden Schmelzbrücke verminderter Dicke. Da­ durch wird die Wärmeentfaltung sowie die Bildung der Schmelz­ brücke erleichtert. Fig. 3 shows an example of a laser welding process according to the invention. The first element 1 to be welded is to be welded to the second element 2 to be welded. The second element to be welded is directly adjacent to a plastic element 3 . By using the plasma-forming additive 7 it is achieved that the entire laser energy unfolds at the point of impact of the laser beam 5 on the plasma-forming additive. The plasma-stabilizing additive is irradiated at an angle α which is between 10 ° and 40 °, preferably 25 °. The plasma-forming set 7 is brought up on the first element to be welded. As a result, the fusible link 6 is formed exclusively from the material of the first element to be welded and next to the point of impact of the laser beam. The second element 2 to be welded and the plastic element 3 are thus exposed to practically no thermal stress. The first element to be welded is a sheet with a reduced thickness at the location of the melting bridge to be formed. Because the heat release and the formation of the melting bridge is facilitated.

Claims (9)

1. Plasmaunterstütztes Laserstrahl-Schweißverfahren zum Ver­ schweißen von Elementen, bei dem ein Laserstrahl auf einen plasmabildenden Zusatz gerichtet und daraus ein Plasma gebil­ det wird, bei dem die im erzeugten Plasma gespeicherte und/oder die durch das Plasma transmittierte Energie des La­ serstrahls auf eines oder mehrere zu verschweißende Elemente übertragen wird, welche dadurch zum schnellen Schmelzen ge­ bracht werden, bei dem aus der gebildeten Schmelze in der Nä­ he des Auftrefforts des Laserstrahls auf dem plasmabildenden Zusatz eine Schmelzbrücke gebildet wird die einen mechani­ schen und/oder elektrischen Kontakt zwischen den zu ver­ schweißenden Elementen ausbildet, und bei dem als plasmabil­ dender Zusatz ein Material mit einer Schmelztemperatur, die niedriger ist als die der zu verschweißenden Elemente ver­ wendet wird.1. Plasma-assisted laser beam welding process for ver welding of elements, in which a laser beam is directed plasma-forming additive and from it a plasma gebil is detected, in which the plasma stored in the generated and / or the energy of the La transmitted by the plasma beam onto one or more elements to be welded is transmitted, which ge thereby for rapid melting are brought, in which from the melt formed in the Nä the impact of the laser beam on the plasma-forming In addition, a melting bridge is formed mechani and / or electrical contact between the ver forms welding elements, and in which as plasma-stable additive a material with a melting temperature that is lower than that of the elements to be welded is applied. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Laserstrahl mit einer Energie kleiner als 10 Jou­ le und einer Impulslänge kleiner als 3 ms verwendet wird.2. The method according to claim 1, where a laser beam with an energy less than 10 Jou le and a pulse length less than 3 ms is used. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, bei dem ein Luftspalt größer als 0,03 mm zwischen den zu ver­ schweißenden Elementen vorgesehen wird.3. The method according to any one of claims 1-2, in which an air gap greater than 0.03 mm between the ver welding elements is provided. 4. Verfahren nach Anspruch 1-3, bei dem als plasmabildender Zusatz Aluminium, Blei, Zink oder Zinn verwendet wird.4. The method according to claims 1-3, in the case of the plasma-forming additive aluminum, lead, zinc or Tin is used. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem der plasmabildende Zusatz als Oberflächenüberzug in der Nähe der zu bildenden Schmelzbrücke auf das oder die zu verschweißenden Elemente aufgebracht wird.5. The method according to any one of claims 1-4, in which the plasma-forming additive as a surface coating in the proximity of the melting bridge to be formed to the or welding elements is applied. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem der plasmabildende Zusatz nur auf einem ersten von zwei zu verschweißenden Elementen aufgebracht wird, wobei die Schmelze ausschließlich aus dem ersten zu verschweißenden Element gebildet wird.6. The method according to any one of claims 1-5,  in which the plasma-forming additive only on a first of two elements to be welded is applied, the Melt only from the first to be welded Element is formed. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Laserbestrahlung in einem Winkel α zwischen 10° und 40°, vorzugsweise 25°, zur Oberfläche des ersten zu ver­ schweißenden Elementes durchgeführt wird.7. The method according to claim 6, in which the laser radiation at an angle α between 10 ° and 40 °, preferably 25 °, to the surface of the first ver welding element is carried out. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, bei dem als erstes zu verschweißendes Element ein Blech mit an der Stelle der zu bildenden Schmelzbrücke verminderter Dicke verwendet wird.8. The method according to any one of claims 5-7, in the first element to be welded with a sheet reduced at the location of the melting bridge to be formed Thickness is used. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, welches durch die Menge des plasmabildenden Zusatzes gesteu­ ert wird indem die Laserleistung so eingestellt wird, daß sie nicht zum direkten Aufschmelzen der zu verschweißenden Ele­ mente ausreicht.9. The method according to any one of claims 1-8, which is controlled by the amount of the plasma-forming additive ert by setting the laser power so that it not for the direct melting of the elements to be welded ment is sufficient.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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