Ein Leitfaden zu den Grundlagen des Laserschweißens

Grundlagen des Laserschweißens

Das Laserschweißen ist ein berührungsloses Verfahren, das den Zugang zur Schweißzone von einer Seite der zu schweißenden Teile erfordert.

• Die Schweißnaht wird gebildet, da das intensive Laserlicht das Material schnell erhitzt, was normalerweise in Millisekunden berechnet wird.

• Normalerweise gibt es drei Arten von Schweißnähten:

– Leitungsmodus.

– Leitungs-/Penetrationsmodus.

– Penetrations- oder Schlüssellochmodus.

• Konduktionsschweißen wird bei niedriger Energiedichte durchgeführt, wodurch eine flache und breite Schweißlinse entsteht.

• Der Leitungs-/Durchdringungsmodus tritt bei mittlerer Energiedichte auf und zeigt eine stärkere Durchdringung als der Leitungsmodus.

• Das Einschweiß- oder Schlüssellochschweißen zeichnet sich durch tiefe schmale Schweißnähte aus.

– In diesem Modus bildet das Laserlicht einen Faden aus verdampftem Material, das als „Schlüsselloch“ bekannt ist und sich in das Material erstreckt und eine Leitung für das Laserlicht bietet, damit es effizient in das Material geleitet wird.

– Diese direkte Energiezufuhr in das Material ist nicht auf die Wärmeleitung angewiesen, um das Eindringen zu erreichen, und minimiert so die Wärme in das Material und reduziert die Wärmeeinflusszone.

Leitungsschweißen

• Konduktionsfügen beschreibt eine Familie von Prozessen, bei denen der Laserstrahl fokussiert wird:

– Um eine Leistungsdichte in der Größenordnung von 10³ Wmm⁻² zu erreichen

– Es verschmilzt das Material zu einer Verbindung ohne nennenswerte Verdampfung.

• Leitungsschweißen hat zwei Modi:

– Direktheizung

– Energieübertragung.

Direkte Hitze

• Beim direkten Erhitzen

– Der Wärmefluss wird durch die klassische Wärmeleitung von einer Oberflächenwärmequelle bestimmt und die Schweißnaht wird durch Schmelzen von Teilen des Grundmaterials hergestellt.

• Die ersten Leitungsschweißungen wurden in den frühen 1960er Jahren hergestellt, wobei gepulste Rubin- und CO2-Laser mit geringer Leistung für Drahtverbinder verwendet wurden.

• Konduktionsschweißungen können in einer Vielzahl von Metallen und Legierungen in Form von Drähten und dünnen Blechen in verschiedenen Konfigurationen unter Verwendung von hergestellt werden.

– CO2 , Nd:YAG und Diodenlaser mit Leistungen in der Größenordnung von mehreren zehn Watt.

– Die direkte Erwärmung durch einen CO2-Laserstrahl kann auch für Überlapp- und Stumpfnähte in Polymerplatten verwendet werden.

Transmissionsschweißen

• Transmissionsschweißen ist ein effizientes Mittel zum Verbinden von Polymeren, die die nahe Infrarotstrahlung von Nd:YAG- und Diodenlasern übertragen.

• Die Energie wird durch neuartige Grenzflächenabsorptionsverfahren absorbiert.

• Verbundwerkstoffe können verbunden werden, sofern die thermischen Eigenschaften von Matrix und Bewehrung ähnlich sind.

• Der Energieübertragungsmodus des Konduktionsschweißens wird bei Materialien verwendet, die nahe Infrarotstrahlung übertragen, insbesondere Polymere.

• An der Grenzfläche einer Überlappungsfuge wird eine absorbierende Tinte aufgebracht. Die Tinte absorbiert die Laserstrahlenergie, die in eine begrenzte Dicke des umgebenden Materials geleitet wird, um einen geschmolzenen Grenzflächenfilm zu bilden, der als Schweißverbindung erstarrt.

• Überlappungsverbindungen mit dickem Querschnitt können hergestellt werden, ohne dass die Außenflächen der Verbindung schmelzen.

• Stumpfnähte können hergestellt werden, indem die Energie auf einer Seite der Verbindung durch das Material in einem Winkel in Richtung der Verbindungslinie geleitet wird, oder von einem Ende, wenn das Material stark durchlässig ist.

Laserlöten und -löten

• Beim Laserlöten und Hartlöten wird der Strahl zum Aufschmelzen eines Füllstoffzusatzes verwendet, der die Fügekanten benetzt, ohne das Grundmaterial aufzuschmelzen.

• Das Laserlöten begann in den frühen 1980er Jahren an Popularität zu gewinnen, um die Anschlüsse elektronischer Komponenten durch Löcher in Leiterplatten zu verbinden. Die Prozessparameter werden durch die Materialeigenschaften bestimmt.

Penetrationslaserschweißen

• Bei hohen Leistungsdichten verdampfen alle Materialien, wenn die Energie aufgenommen werden kann. Daher wird beim Schweißen auf diese Weise normalerweise ein Loch durch Verdampfen gebildet.

• Dieses "Loch" wird dann durch das Material gefahren, wobei die geschmolzenen Wände dahinter dicht sind.

• Das Ergebnis ist eine sogenannte „Schlüssellochschweißung. Diese zeichnet sich durch ihre parallelseitige Schweißzone und geringe Breite aus.

Laserschweißeffizienz

• Ein Begriff zur Definition dieses Effizienzkonzepts ist als „Fügeeffizienz“ bekannt.

• Die Fügeeffizienz ist keine echte Effizienz, da sie Einheiten von (mm2 verbunden /kJ geliefert) hat.

– Wirkungsgrad =V.t/P (der Kehrwert der spezifischen Energie beim Schneiden) wobei V =Verfahrgeschwindigkeit, mm/s; t =Dicke geschweißt, mm; P =einfallende Leistung, KW.

Verbindungseffizienz

• Je höher der Wert der Fügeeffizienz ist, desto weniger Energie wird für unnötige Erwärmung aufgewendet.

– Untere Wärmeeinflusszone (WEZ).

– Geringere Verzerrung.

• Widerstandsschweißen ist in dieser Hinsicht am effizientesten, da die Schmelz- und WEZ-Energie nur an der zu schweißenden hochohmigen Grenzfläche erzeugt wird.

• Laser und Elektronenstrahl haben ebenfalls gute Wirkungsgrade und hohe Leistungsdichten.

Prozessvarianten

• Lichtbogenverstärktes Laserschweißen.

– Der Lichtbogen eines WIG-Brenners, der in der Nähe des Laserstrahl-Interaktionspunkts montiert ist, wird automatisch auf den lasererzeugten Hot Spot eingerastet.

– Die für dieses Phänomen erforderliche Temperatur liegt etwa 300°C über der Umgebungstemperatur.

– Der Effekt besteht entweder darin, einen aufgrund seiner Verfahrgeschwindigkeit instabilen Lichtbogen zu stabilisieren oder den Widerstand eines stabilen Lichtbogens zu verringern.

– Die Sperrung erfolgt nur bei Lichtbögen mit geringem Strom und damit langsamem Kathodenstrahl; dh für Ströme unter 80 A.

– Der Lichtbogen befindet sich auf der gleichen Seite des Werkstücks wie der Laser, was eine Verdoppelung der Schweißgeschwindigkeit für eine moderate Erhöhung der Kapitalkosten ermöglicht.

• Doppelstrahl-Laserschweißen

– Bei gleichzeitigem Einsatz von zwei Laserstrahlen besteht die Möglichkeit, die Schweißbadgeometrie und die Schweißraupenform zu steuern.

– Mit zwei Elektronenstrahlen konnte das Schlüsselloch stabilisiert werden, was zu weniger Wellen im Schweißbad und zu einer besseren Eindringung und Wulstform führt.

– Eine Kombination aus Excimer- und CO2-Laserstrahl zeigte eine verbesserte Kopplung für das Schweißen von Materialien mit hohem Reflexionsvermögen wie Aluminium oder Kupfer.

– Die verbesserte Kopplung wurde hauptsächlich aus folgenden Gründen in Betracht gezogen:

• Änderung des Reflexionsvermögens durch Oberflächenwelligkeit, die durch den Excimer verursacht wird.

• ein sekundärer Effekt, der sich aus der Kopplung durch das Excimer-erzeugte Plasma ergibt.