Wie funktioniert ein Laserschweißgerät?

Ein Laser ist ein Strahl konzentrierter Lichtenergie, der bei einer bestimmten Wellenlänge erzeugt wird. In der Natur existiert Licht in einem Wellenlängenspektrum, das von sehr kurz (Röntgen- und Gammastrahlen) bis sehr lang (Radiowellen) reicht. Der Mensch kann nur sichtbare Wellenlängen oder Wellenlängen des „weißen Lichts“ von etwa 430 bis 690 Nanometer (nm) sehen. Ein Laserstrahl ist eine verstärkte Konzentration von Lichtenergie bei einer bestimmten Wellenlänge. Es handelt sich um kohärentes Licht, das die Fokussierung auf einen engen Punkt und einen engen Strahl über große Entfernungen ermöglicht. Das Wort Laser ist ein Akronym, das für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission steht.

Arbeitsprinzip des Laserschweißens

Im Inneren des Rubinkristalls wird ein Laserstrahl erzeugt. Der Rubinkristall besteht aus Aluminiumoxid mit darin verteiltem Chrom. Das bildet etwa 1/2000 Kristall, das ist weniger als natürlicher Rubin. Auf beiden Seiten des Kristalls sind innen silberbeschichtete Spiegel angebracht. Die eine Seite des Spiegels hat ein winziges Loch, durch dieses Loch tritt ein Strahl aus.

Um den Rubinkristall ist eine Blitzröhre angeordnet, die mit Xenon-Inertgas gefüllt ist. Der Blitz ist speziell so konzipiert, dass eine Blitzrate von etwa Tausend Blitzen pro Sekunde erreicht wird.

Die elektrische Energie wird in Lichtenergie umgewandelt, diese wird von einer Blitzröhre bearbeitet.

Der Kondensator dient zur Speicherung der elektrischen Energie und liefert die Hochspannung an die Blitzröhre, um entsprechend ausgeführt zu werden.

Die von Kondensator und Xenon abgegebene elektrische Energie wandelt die hohe Energie in weiße Blitzlichtrate von 1/1000 pro Sekunde um.

Die Chromatome von Rubinkristallen werden angeregt und in hohe Energie gepumpt. Durch die Wärmeentwicklung geht ein Teil dieser Energie verloren. Aber etwas Lichtenergie wird von Spiegel zu Spiegel reflektiert und wieder werden Chromatome bis zum Verlust ihrer zusätzlichen Energie gleichzeitig angeregt, um einen schmalen Strahl kohärenten Lichts zu bilden. Dies kommt durch das winzige Loch am einen Ende des Kristallspiegels heraus.

Dieser schmale Strahl wird durch eine optische Fokussierlinse fokussiert, um einen kleinen intensiven Laserstrahl auf dem Werkstück zu erzeugen.

Laserstrahlen ändern sich bei der Interaktion mit Material

Die Laserenergieabsorption eines Materials variiert basierend auf einer Reihe von Faktoren wie Wellenlänge, Materialdicke, Kristallstruktur, Materialzusätze, Molekularstruktur und mehr. Der Prozess nutzt die Vorteile dieser Materialeigenschaften und des Lasers, um eine Verbindung zwischen zwei Kunststoffmaterialien herzustellen – einem, der die Laserenergie überträgt und einem, der sie absorbiert.

Wenn ein Laserstrahl auf ein Material wie Kunststoff trifft, wird er basierend auf der Wellenlänge und der Zusammensetzung des Materials, auf das er trifft, entweder durchgelassen, reflektiert oder absorbiert. Die meisten Materialien weisen einen gewissen Grad aller drei Effekte auf, jedoch in unterschiedlichen Anteilen. Ein Material kann optisch klar für Licht im sichtbaren Spektrum und sehr absorbierend für Infrarotlaser sein oder für unsere Augen undurchsichtig, aber für Infrarotlaser transparent sein.

Laserschweißmechanik

Laserschweißen ist ein Verfahren, bei dem Materialien mit der Wärme zusammenwachsen, die durch die Anwendung eines konzentrierten kohärenten Lichtstrahls auf die zu verbindenden Oberflächen entsteht.

Es wird durch folgende Phasen erreicht:

1. Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstückmaterial.

2. Wärmeleitung und Temperaturanstieg.

3. Schmelzverdampfen und Fügen:Beim Schweißen mit dem Laserstrahl trifft die elektromagnetische Strahlung mit einer solchen Energiekonzentration auf die Oberfläche des Grundmetalls, dass die Temperatur der Oberfläche Schmelzdampf ist und sich Schmelzen des darunter liegenden Metalls bilden.