Laserschweißen Grundlagen: Kontaktlose Fusionsverfahren meistern

Grundlagen des Laserschweißens

Laserschweißen ist ein berührungsloser Prozess, der Zugang zur Schweißzone von einer Seite der zu verbindenden Teile erfordert.

• Die Schweißnaht entsteht, da das intensive Laserlicht das Material extrem schnell erhitzt – typischerweise in Millisekunden.
• Es gibt grundsätzlich drei Arten von Schweißnähten:
  • Leitungsmodus (Conduction mode)
  • Leitungs-/Penetrationsmodus (Conduction/penetration mode)
  • Penetrations- oder Schlüssellochmodus (Penetration or keyhole mode)
• Beim Leitungsmodus wird bei niedriger Energiedichte geschweißt, wodurch eine flache und breite Schweißnaht entsteht.
• Der Leitungs-/Penetrationsmodus tritt bei mittlerer Energiedichte auf und zeigt tiefere Penetration als der reine Leitungsmodus.
• Der Penetrations- oder Schlüssellochmodus zeichnet sich durch tiefe, schmale Schweißnähte aus.
  • In diesem Modus bildet das Laserlicht einen Faden aus verdampftem Material, bekannt als „Schlüsselloch“, der in das Material hineinreicht und als Leitkanal für das Laserlicht dient, um Energie effizient in das Material zu leiten.
  • Diese direkte Energiezufuhr in das Material beruht nicht auf Wärmeleitung zur Penetration, was die Wärmeeinbringung in das Material minimiert und die wärmebeeinflusste Zone (HAZ) reduziert.

Leitungsschweißen (Conduction Welding)

• Leitungsverbinden beschreibt eine Familie von Prozessen, bei denen der Laserstrahl fokussiert wird:
  • Um eine Leistungsdichte in der Größenordnung von 10³ W/mm² zu erreichen
  • Material schmilzt, um eine Verbindung ohne nennenswerte Verdampfung zu schaffen.
• Leitungsschweißen hat zwei Modi:
  • Direkte Erwärmung
  • Energiedurchstrahlung (Transmission)

Direkte Erwärmung

• Bei der direkten Erwärmung wird der Wärmefluss durch klassische thermische Leitung von einer Oberflächenwärmequelle gesteuert, und die Schweißnaht entsteht durch Aufschmelzen von Bereichen des Grundmaterials.
• Die ersten Leitungsschweißnähte wurden in den frühen 1960er Jahren mit niedrig leistenden gepulsten Rubin- und CO₂-Lasern für Drahtverbinder hergestellt.
• Leitungsschweißnähte können in einer Vielzahl von Metallen und Legierungen in Form von Drähten und dünnen Blechen in verschiedenen Konfigurationen hergestellt werden, wobei
  • CO₂-, Nd:YAG- und Diodenlaser mit Leistungen im Bereich von Zehnerpotenzen von Watt eingesetzt werden.
  • Direkte Erwärmung durch einen CO₂-Laserstrahl kann auch für Überlapp- und Stoßnähte in Polymerfolien verwendet werden.

Transmissionsschweißen

• Transmissionsschweißen ist ein effizientes Verfahren zum Verbinden von Polymeren, die die Nahinfrarotstrahlung von Nd:YAG- und Diodenlasern durchlassen.
• Die Energie wird durch neuartige interfaciale Absorptionsmethoden absorbiert.
• Verbundwerkstoffe können verbunden werden, sofern die thermischen Eigenschaften von Matrix und Verstärkung ähnlich sind.
• Der Energiedurchstrahlungsmodus des Leitungsschweißens wird mit Materialien verwendet, die Nahinfrarotstrahlung durchlassen, insbesondere Polymeren.
• Ein absorbierendes Tintenmaterial wird an der Grenzfläche einer Überlappnaht platziert. Die Tinte absorbiert die Laserstrahlenergie, die in eine begrenzte Dicke des umgebenden Materials geleitet wird, um einen geschmolzenen interfacialen Film zu bilden, der als Schweißnaht erstarrt.
• Dicke Überlappnähte können hergestellt werden, ohne die äußeren Oberflächen der Naht zu schmelzen.
• Stoßnähte können durch Lenken der Energie im Winkel zur Nahtlinie durch das Material auf einer Seite der Naht oder von einem Ende her hergestellt werden, wenn das Material hochtransmissiv ist.

Laserlöten und -hartlöten

• Bei den Laserlöt- und -hartlötprozessen wird der Strahl verwendet, um einen Zusatzwerkstoff zu schmelzen, der die Kanten der Naht benetzt, ohne das Grundmaterial zu schmelzen.
• Laserlöten begann in den frühen 1980er Jahren an Popularität zu gewinnen, um die Anschlüsse elektronischer Bauteile durch Löcher in Leiterplatten zu verbinden. Die Prozessparameter werden durch die Materialeigenschaften bestimmt.

Penetrations-Laserschweißen

• Bei hohen Leistungsdichten verdampfen alle Materialien, wenn die Energie absorbiert werden kann. Daher wird beim Schweißen in dieser Weise meist ein Loch durch Verdampfung gebildet.
• Dieses „Loch“ wird dann durch das Material geführt, wobei die geschmolzenen Wände sich dahinter wieder schließen.
• Das Ergebnis ist eine sogenannte „Schlüssellochschweißnaht“, die durch ihre parallelwandige Fusionszone und schmale Breite gekennzeichnet ist.

Effizienz des Laserschweißens

• Ein Begriff zur Definition dieses Effizienzkonzepts ist die „Fügeeffizienz“ (joining efficiency).
• Die Fügeeffizienz ist keine echte Effizienz, da sie Einheiten von (mm² verbunden / kJ zugeführt) hat.
  • Effizienz = V·t / P (der Kehrwert der spezifischen Energie beim Schneiden), wobei V = Vorschubgeschwindigkeit (mm/s), t = geschweißte Dicke (mm), P = einfallende Leistung (kW).

Fügeeffizienz

• Je höher der Wert der Fügeeffizienz, desto weniger Energie wird für unnötige Erwärmung aufgewendet.
  • Geringere wärmebeeinflusste Zone (HAZ).
  • Geringere Verformung.
• Widerstandsschweißen ist in dieser Hinsicht am effizientesten, da die Schmelz- und HAZ-Energie nur an der hochwiderständigen Grenzfläche erzeugt wird, die geschweißt werden soll.
• Laser- und Elektronenstrahlschweißen weisen ebenfalls gute Effizienzen und hohe Leistungsdichten auf.

Prozessvarianten

• Lichtbogenverstärktes Laserschweißen (Arc Augmented Laser Welding):
  • Der Lichtbogen einer WIG-Brenner, der nahe am Laserstrahl-Wechselwirkungspunkt montiert ist, rastet automatisch auf den vom Laser erzeugten Hotspot ein.
  • Die dafür erforderliche Temperatur liegt etwa 300 °C über der Umgebungstemperatur.
  • Der Effekt besteht entweder darin, einen instabilen Lichtbogen aufgrund seiner Vorschubgeschwindigkeit zu stabilisieren, oder den Widerstand eines stabilen Lichtbogens zu verringern.
  • Das Einrasten erfolgt nur bei Lichtbögen mit niedrigem Strom und damit langsamer Kathodenstrahlgeschwindigkeit; d. h. für Ströme unter 80 A.
  • Der Lichtbogen befindet sich auf derselben Seite des Werkstücks wie der Laser, was eine Verdopplung der Schweißgeschwindigkeit bei einem bescheidenen Anstieg der Investitionskosten ermöglicht.
• Zweistrahl-Laserschweißen (Twin Beam Laser Welding):
  • Werden zwei Laserstrahlen gleichzeitig eingesetzt, besteht die Möglichkeit, die Geometrie des Schweißpools und die Form der Schweißraupe zu steuern.
  • Bei Verwendung von zwei Elektronenstrahlen konnte das Schlüsselloch stabilisiert werden, was weniger Wellen im Schweißpool verursachte und eine bessere Penetration und Raupenform ergab.
  • Eine Kombination aus Excimer- und CO₂-Laserstrahl zeigte verbesserte Kopplung beim Schweißen hochreflektierender Materialien wie Aluminium oder Kupfer.
  • Die verbesserte Kopplung wurde hauptsächlich auf folgende Faktoren zurückgeführt:
    • Veränderung der Reflexion durch Oberflächenwellung, verursacht durch den Excimer.
    • Ein sekundärer Effekt durch Kopplung über das vom Excimer erzeugte Plasma.