DVS 3221-2010 Wedge specimen for the verification of electron beam welds.pdf

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1、Nachdruck und Kopie,auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11) 15 91- 150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahre

2、ner Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vorliegende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derj

3、enigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Strahlschweien“Das Merkblatt enthlt Anleitungen zur einheitlichen und vergleichbaren Prfung von Parametern fr das Laserstrahlschweien. Eine Reihe dieser Parameter sind ausreichend definiert.

4、Fr die Prfung anderer wichtiger Parameter werden Empfehlungen gegeben.Die mit diesem Merkblatt gesammelten Erfahrungen und Erkenntnisse knnen bei einer spteren Normung von Abnahmeprfungen fr Laserstrahlschweimaschinen mitverwertet werden.Das Merkblatt ist in Zusammenarbeit mit Herstellern und Anwend

5、ern von Laserstrahlschweimaschinen sowie Forschungsinstituten aufgestellt worden.Inhalt:1 Anwendungsbereich2 Kenngren und Maeinheiten3 Zweck der Prozesssicherung4 Voraussetzungen fr einen berprfbaren Maschinenbetrieb5 Prfen der wichtigsten Schweiparameter6 Indirekte berprfung der Schweiparameter7 Sc

6、hrifttum1 AnwendungsbereichDas Merkblatt gilt fr das Prfen von wichtigen Schweiparame-tern bei Anwendung des Schmelzschweiens von metallischen Werkstoffen mit cw-Lasern. Schweiparameter sind: Strahlleistung am Ort des Werkstcks (Abschnitt 5.1) Durchmesser des fokussierten Laserstrahls (Fokusdurchmes

7、ser) (Abschnitt 5.2) Fokustiefe (Rayleighlnge) des Laserstrahls (Abschnitt 5.3) Strahlkennzahl der Laserstrahlquelle (Abschnitt 5.4) Strahlsymmetrie (Elliptizitt) (Abschnitt 5.5) Intensittsverteilung (Leistungsflussdichte-Verteilung) in der Fokusebene und im Bereich der Fokustiefe (Abschnitt 5.6) Po

8、larisation der Strahlung (Abschnitt 5.7) Schweigeschwindigkeit (Abschnitt 5.8) Positionierung des Fokuspunktes (Abschnitt 5.9) Gasstrom zur Plasmabeeinflussung (Prozessgas) (Abschnitt 5.10) Schutzgas (Abschnitt 5.11)2 Kenngren und MaeinheitenIm Folgenden werden die in diesem Merkblatt enthaltenen Ke

9、nn-gren und Maeinheiten genannt:3 Zweck der ProzesssicherungDie in Abschnitt 5 festgelegten Kenngren gehren zu den wichtigsten Schweiparametern fr das Laserstrahlschweien. Mit dem Prfen der Schweiparameter ist nachzuweisen, ob die Schwankungen dieser Kenngren innerhalb zulssiger Grenzenliegen.4 Vora

10、ussetzungen fr einen berprfbaren Maschinen-betriebDie Laserstrahlschweimaschine ist so aufzustellen und zu in-stallieren, dass der Ablauf des Schweivorganges durch uere Einflsse (zum Beispiel mechanische Schwingungen, Luftverun-reinigungen) nicht gestrt wird. Die Anschlussbedingungen bzw. Betriebsan

11、leitungen der Maschinenhersteller sind einzuhalten.5 Prfen der wichtigsten SchweiparameterDas Prfen der Kenngren soll am Ort des Werkstcks vorge-nommen werden.Die nachstehenden Prfungen knnen sowohl zum Zeitpunkt der Abnahme der Laserstrahlschweimaschine als auch zur War-tung und berprfung dieser Ma

12、schine im Laufe der Fertigung durchgefhrt werden.5.1 Strahlleistung am Ort des WerkstcksStrahlfhrung und Strahlformung verursachen durch Absorption Leistungsverluste. Im Neuzustand der Komponenten sind diese Verluste stabil. Im weiteren Einsatz kann es durch Kontamination zu einem Anstieg der Leistu

13、ngsverluste kommen. Deshalb ist es erforderlich, die Strahlleistung am Werkstck zu messen. Strahlleistung P kWIntensitt (Leistungsdichte) I W/cm2Strahldurchmesser dsmmFokusdurchmesser dfmmFokusradius rfmmFokustiefe (Rayleighlnge) zfmmSchweigeschwindigkeit vsmm/sStrahldivergenz smradStrahlparameterpr

14、odukt SPP mm mradStrahlqualitt Q Strahlkennzahl K Laserwellenlnge mFokussierzahl Brennweite f mmAusbreitungsrichtung z mmFfds-=Laserstrahlschweienvon metallischen Werkstoffen Prfen von SchweiparameternJanuar 2015MerkblattDVS 3203-2Ersetzt Ausgabe Dezember 1988B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9

15、B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 3203-2Da die meisten der dafr einsetzbaren Gerte nicht im fokussier-ten Strahl gemessen werden knnen, ist im hinreichenden Ab-stand vom Fokuspunkt unterhalb der Fokussieroptik zu messen.Di

16、e notwendige Leistungsstabilitt ist abhngig von der Schwei-geschwindigkeit vs, vom Fokusdurchmesser dfund den Prozess-anforderungen.5.2 Durchmesser des fokussierten Laserstrahls(Fokusdurchmesser)Als Bezugsgre fr den Fokusdurchmesser sowie fr den Strahldurchmesser an einem beliebigen Ort wird die Str

17、ahlquer-schnittsflche verwendet, in welcher 86% ( ) der Strahlleistung enthalten sind. Bei nicht radialsymmetrischer Strahl-geometrie sind der minimale und maximale Strahldurchmesser im Fokus anzugeben.Der Fokuspunkt ist der Ort (Fokuslage), an dem der Strahl die kleinste Strahlquerschnittsflche hat

18、.Der Fokusdurchmesser sollte analog der Strahlleistung in mg-lichst engen Grenzen konstant bleiben. 5.3 Fokustiefe (Rayleighlnge) des LaserstrahlsDie Fokustiefe oder auch Rayleighlnge zfist der Abstand zwischenden beiden Strahlquerschnittsflchen, die doppelt so gro sind wie die Strahlquerschnittsflc

19、he im Fokuspunkt, BiId 1. Bei radial-symmetrischen Strahlverteilungen hat sich der Fokusdurchmesseran den Grenzen der Fokustiefe um den Faktor vergrert.Die Fokustiefe ist besonders fr die maximal mgliche Schwei-tiefe (Schmelzzonentiefe) und die Prozessstabiltt bei toleranz-bedingten Bauteilhhenschwa

20、nkungen von Bedeutung.Die Angabe einer zulssigen Schwankungsbreite fr die Fokus-tiefe ist nicht erforderlich, da sich diese aus dem Fokusdurch-messer und der Fokuslage ergibt.Bild 1. Darstellung der geometrischen Kenngren zur Fokussierung vonLaserstrahlen.5.4 Strahlkennzahl der LaserstrahlquelleDie

21、einzelnen Strahlparameter sind voneinander nicht unabhn-gig whlbar.Fr den praktischen Gebrauch hat sich bei Lasern die Angabe der Strahlkennzahl K bewhrt.Je grer diese Kennzahl K ist, desto besser ist die Strahlqualitt.Der grtmgliche Wert ist 1 und wird bei einer Gauschen In-tensittsverteilung (TEM0

22、0) erreicht. Die Kennzahl steht in einem direkten Zusammenhang mit der Art der Intensittsverteilung im Strahl. Da aus der Art der Strahlverteilung bei Hochleistungslaser-systemen nur selten eine exakte Kennzahl angegeben werden kann, empfiehlt sich eine experimentelle Ermittlung. Hierzu ms-sen in de

23、r Regel nur zwei Gren gemessen werden (dies gilt insbesondere fr rotationssymmetrische Intensittsverteilungen): der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls df, der Durchmesser des unfokussierten Laserstrahls dsam Ort der fokussierenden Optik:Die Gre F = f/dswird als F-Zahl“ = Fokussierzahl bezeich

24、-net. Der Wert 1/F entspricht dem ffnungsverhltnis.Die Ermittlung der Strahlkennzahl K ber die Messung der Fokus-tiefe ist ebenfalls mglich:Whrend die Strahlkennzahl in Kombination mit der Strahlleis-tung das Potential einer Laserstrahlquelle beschreibt, wird das Bearbeitungsergebnis durch die Fokus

25、parameter wie Fokus-durchmesser, Fokustiefe und Strahlleistung bestimmt.Durch die Angabe der Strahlkennzahl K, der Fokussierzahl F und der Strahlleistung P sind die Laserstrahlparameter einer Schwei-ung eindeutig beschrieben (gilt fr rotationssymmetrische Strah-len).Zur Erzielung eines groen Tiefsch

26、weieffektes insbesondere bei Blechdicken ab 3 mm ist eine mglichst groe Kennzahl K anzustreben. Fr den Feinblechbereich bis 3 mm spielt die Strahl-qualittskennzahl eher eine untergeordnete Rolle. Hier hat die Formder Intensittsverteilung ber dem Strahlquerschnitt der soge-nannte Lasermode einen grer

27、en Einfluss auf das Schwei-ergebnis.Fr Festkrperlaser wird meist statt der Strahlkennzahl K das Strahl-parameterprodukt SPPals Produkt aus Fokusradius und halbem Fernfeldwinkel angegeben. Das SSP beschreibt letztendlich das Divergenzverhalten des Lasers nach dem Austritt aus dem Licht-leiterkabel LL

28、K in Abhngigkeit vom Kerndurchmesser der Faser. Es berechnet sich aus dem Produkt von Radius der Strahltaille bzw. des auskoppelnden LLK und dem halben Divergenzwinkel.Konventionelle lampen- oder diodengepumpte Festkrperlaser haben mit 20 mm mrad ein um einen Faktor 5 greres SSP als die Festkrperlas

29、er vom Typ Faser- oder Scheibenlaser.Es gilt folgender Zusammenhang zwischen der Strahlkennzahl K und dem SSP:Mit handelsblichen Messgerten kann die Strahlkennzahl K unddas Strahlparameterprodukt SSP ermittelt werden.5.5 Strahlsymmetrie (Elliptizitt)Bei elliptischer bzw. nicht rotationssymmetrischer

30、 Strahlverteilungist die Lage von minimalem und maximalem Strahldurchmesser bezogen auf die Schweirichtung eine das Schweiergebnis charakterisierende Kenngre. Besonders beim Schweien mit bewegten Optiken und beim Schweien in unterschiedlichen Richtungen ist die Lage der Strahlverteilung an die momen

31、tane Schweirichtung anzupassen.5.6 Intensittsverteilung (Leistungsflussdichte-Verteilung) in der Fokusebene und im Bereich der FokustiefeDie Intensittsverteilung ist mit der Verteilung der Leistungsfluss-dichte identisch. Sie wird in W/cm2angegeben. nderungen der maximalen Intensitt sowie der Intens

32、ittsverteilung in der Fokus-ebene als auch im Bereich der Fokustiefe knnen das Schwei-ergebnis beeinflussen. Ein Wert fr zulssige Abweichungen kannzurzeit nicht angegeben werden. Eine nderung der Intensitts-verteilung hat in der Regel eine nderung der Kennzahl zur Folgeund wird somit ber die Gren Fo

33、kusdurchmesser und Fokus-tiefe mit erfasst.5.7 Polarisation der StrahlungDie Laserstrahlung eines CO2-Lasers ist im Unterschied zu den Festkrperlasern meist polarisiert. Die Richtung der Strahlungs-polarisation, bezogen auf die Schweirichtung, kann besonders beirelativ geringen Strahlungsintensitten

34、 und bei greren Schwei-geschwindigkeiten die Schweitiefe beeinflussen. Der Grad der Polarisation und die Polarisationsrichtung sind zu kennzeichnen und gegebenenfalls zu kontrollieren.Beim Konturenschweien mit CO2-Lasern empfiehlt es sich, mit zirkularpolarisierter Laserstrahlung zu arbeiten.11e2- 0

35、,86=2dsdfzfzsfK4- f1dsdf-=K2 zfdf2-=SSP1K-=B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 3203-25.8 SchweigeschwindigkeitDie Schweinaht wird durch die Schweigeschwindigkeit in hn-licher Weise wie

36、 durch die Strahlleistung beeinflusst. Sie sollte deshalb in reproduzierbarer Weise 2% genau einstellbar sein.5.9 Positionierung des FokuspunktesDie Positioniergenauigkeit ergibt sich aus der geforderten Konstanzdes Fokusdurchmessers und der Fokuslage: quer zur Strahlachse etwa 1/20 der mittleren Na

37、htbreite fr Feinblech I-Naht, Stumpfsto in Strahlachse etwa 1/5 der Fokustiefe.Beeinflusst wird die Positioniergenauigkeit beispielsweise durch die Fhrungsgenauigkeit der Schweianlage, die Richtungsstabili-tt des Laserstrahls, die Bahnsteuerung, die Bauteiltoleranz usw.Inbesondere bei zu groen Baute

38、iltoleranzen aber auch durch den Verzug des Bauteils whrend des Schweiens sollte die Lage des Fokuspunktes mithilfe eines Nahtfolgesensors, der idealer-weise in der Schweioptik integriert ist, nachgeregelt werden (siehe auch Merkblatt DVS 3219).5.10 Gasstrom zur Prozessbeeinflussung (Prozessgas)Das

39、Prozessgas dient zur Beeinflussung der Plasmawolke ber dem Werkstck und ist fr die stabile Strahlungseinkopplung in dasWerkstck unverzichtbar. Hierbei sind zu beachten: Anstrmwin-kel und Auftreffpunkt des Gases, Gasdurchflussmenge, Dsen-durchmesser und verwendete Gasart. Weiterhin ist die Richtung d

40、er Gasstrmung in Bezug auf die Schweirichtung (schleppend oder stechend) zu bercksichtigen. Je nach Laserleistung bzw. Intensitt, Strahlqualitt und verwendetem Prozessgas ist eine zum Laserstrahl koaxial gerichtete Gasstrmung realisierbar. Im Allgemeinen ist dies bei CO2-Lasern bei Laserleistungen v

41、on bis zu 3 bis 4 kW mglich, bei Festkrperlasern auch noch bei deut-lich hheren Laserleistungen.Bei CO2-Lasern und Festkrperlasern knnen aktive Komponen-ten im Prozessgas unter anderem das Strmungsverhalten der Schmelze im Schweibad oder das Abkhlverhalten der Schmelzebeeinflussen. Dadurch wird z. B

42、. auf die Gestalt der Oberraupe, die Spritzerbildung oder auch die Schweigeschwindigkeit Ein-fluss genommen. Aktive Komponenten im Prozessgas knnen Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserstoff und werkstoffabhngig auchStickstoff sein.5.11 SchutzgasDas Schutzgas hat die Funktion, die Schweinaht vor der umge

43、-benden Atmosphre zu schtzen. Die Bedeutung des Schutz-gases ist fr das Laserstrahlschweien geringer als bei her-kmmlichen Schweiverfahren, weil aufgrund der geringen Stre-ckenenergie die Schweizone verhltnismig rasch abkhlt. Zumeist bernimmt das Prozessgas auch die Funktion eines Schutzgases. Bei b

44、estimmten Werkstoffen (z. B. Titan) und bei hohen Anforderungen an die Korrosionsbestndigkeit der Schwei-naht kann auf ein Schutzgas nicht verzichtet werden.6 Indirekte berprfung der SchweiparameterDurch Auswerten der Nahtgeometrie oder von Originalbauteilen kann produktionsbegleitend anhand von Mak

45、roschliffen an Probe-schweiungen zerstrend berprft werden, ob sich die Schwei-parameter gendert haben. Mit einer sensorgesttzten Inline-Kontrolle der Schweinahtgeometrie ist dies in gewissen Grenzenauch zerstrungsfrei mglich (siehe auch Merkblatt DVS 3219). Einstellwerte, Grundwerkstoff und Werkstck

46、geometrie sind hier-bei anwendungsbezogen zu whlen und die Messwerte sind an-wendungsbezogen zu beurteilen.Eine nherungsweise berprfung der Strahlparameter von CO2-Lasern ist durch Plexiglaseinbrnde mglich. berprft werden knnen: die Intensittsverteilung des unfokussierten Strahles, der Strahldurchme

47、sser und die Symmetrie des unfokussierten Strahles, die Lage des Fokuspunktes.Des Weiteren enthlt das Merkblatt DVS 3221 Keilprobe fr das Verifizieren von Elektronenstrahl-Schweinhten“ Empfehlungen,um anfangs ermittelte Einstelldaten anhand von Referenzschwei-ungen mithilfe sogenannter Keilproben zu

48、 verifizieren.7 SchrifttumDIN EN 14610 Schweien und verwandte Prozesse Begriffe fr MetallschweiprozesseDIN 1910-100 Schweien und verwandte Prozesse Begriffe Teil 100: Metallschweiprozesse mit Ergn-zungen zu DIN EN 14610:2005DIN 32511 Schweien Elektronenstrahlverfahren zur Ma-terialbearbeitung Begriffe fr Prozesse und GerteMerkblattDVS 3203-1Laserstrahlschweien von metallischen Werk-stoffen Verfahren und Laserstrahlschweian-lagenMerkblattDVS 3203-3Laserstrahlschweien von metallische