Was ist Laserschweißen? - Arbeitsweise, Typen und Anwendung

Was ist Laserschweißen?

Das Laserstrahlschweißen (LBW) ist eine Schweißtechnik, mit der Teile aus Metall oder Thermoplasten mit Hilfe eines Lasers verbunden werden. Der Strahl bietet eine konzentrierte Wärmequelle, die schmale, tiefe Schweißnähte und hohe Schweißraten ermöglicht. Es basiert auf dem Schlüsselloch- oder Durchdringungsschweißen.

Das Laserschweißen arbeitet in zwei grundlegend unterschiedlichen Modi:leitungsbegrenztes Schweißen und Stichlochschweißen. Der Modus, in dem der Laserstrahl mit dem zu schweißenden Material interagiert, hängt von der Leistungsdichte des Strahls ab, der auf das Werkstück trifft.

Die Verfahren werden häufig in hochvolumigen Anwendungen mit Automatisierung, wie in der Automobilindustrie, eingesetzt. Der Hauptvorteil des Laserschweißens ist aufgrund seiner hohen Energiedichte seine Fähigkeit, den Bereich an den Rändern der Verbindung zu schmelzen, ohne einen großen Bereich des Teils zu beeinträchtigen.

Das Laserschweißen ist ein Schmelzschweißverfahren mit hoher Leistungsdichte, das im Vergleich zu Lichtbogenschweißverfahren Schweißnähte mit hohem Aspektverhältnis bei relativ geringer Wärmezufuhr erzeugt. Darüber hinaus kann das Laserschweißen „aus dem Vakuum heraus“ durchgeführt werden, und die faseroptische Zuführung von Nahinfrarot-Festkörperlaserstrahlen bietet eine erhöhte Flexibilität im Vergleich zu anderen Fügetechnologien.

Ausrüstung der Laserstrahlmaschine

Die Hauptteile oder Ausrüstung des Laserstrahlschweißens sind:

• Lasermaschine: Es ist eine Maschine, die verwendet wird, um einen Laser zum Schweißen herzustellen. Die Hauptkomponenten der Lasermaschine sind unten dargestellt.
• Stromquelle: Eine Hochspannungsquelle wird über die Lasermaschine angelegt, um einen Laserstrahl zu erzeugen.
• CAM: Es handelt sich um eine computergestützte Fertigung, bei der die Lasermaschine in die Computer integriert ist, um den Schweißprozess durchzuführen. Die gesamte Steuerung während des Laserschweißprozesses erfolgt durch CAM. Es beschleunigt den Schweißprozess in größerem Maße.
• CAD: Es wird als computergestütztes Design bezeichnet. Es wird verwendet, um den Job für das Schweißen zu entwerfen. Hier werden Computer verwendet, um das Werkstück zu entwerfen und wie das Schweißen daran durchgeführt wird.
• Schutzgas: Während des Schweißvorgangs kann ein Schutzgas verwendet werden, um eine Oxidation des W/P zu verhindern.

Wie funktioniert Laserstrahlschweißen?

Laserschweißen ist ein Verfahren, bei dem Metalle oder Thermoplaste mit einem Laserstrahl zu einer Schweißnaht verbunden werden. Da es sich um eine so konzentrierte Wärmequelle handelt, kann Laserschweißen bei dünnen Materialien mit hohen Schweißgeschwindigkeiten von Metern pro Minute durchgeführt werden und bei dickeren Materialien schmale, tiefe Schweißnähte zwischen rechtwinkligen Teilen erzeugen.

Das Laserstrahlschweißen funktioniert nach dem Prinzip, dass die Elektronen eines Atoms angeregt werden, indem sie etwas Energie erhalten. Und nach einiger Zeit, wenn es in seinen Grundzustand zurückkehrt, sendet es ein Lichtphoton aus.

Die Konzentration dieses emittierten Photons wird durch die angeregte Strahlungsemission erhöht und wir erhalten einen hochenergetischen fokussierten Laserstrahl. Die Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung wird als Laser bezeichnet.

Zunächst wird die Schweißmaschine (zwischen den beiden zu verbindenden Metallteilen) an der gewünschten Stelle aufgestellt. Später wird eine Hochspannungsstromversorgung an die Lasermaschine angelegt, um eine Operation durchzuführen.

Die Linse wird verwendet, um den Laser in den Bereich zu fokussieren, in dem geschweißt werden muss. CAM wird verwendet, um die Geschwindigkeit des Lasers und des Werkstücktisches während des Schweißvorgangs zu steuern.

Es startet die Blitzlampe der Maschine und sendet Lichtphotonen aus. Die Energie der Lichtphotonen wird von den Atomen der Rubinkristalle absorbiert und die Elektronen auf ihre höheren Energieniveaus angeregt. Wenn sie in ihren Niedrigenergiezustand oder Grundzustand zurückkehren, emittieren sie ein Lichtphoton.

Dieses Lichtphoton regt wiederum die Elektronen des Atoms an und erzeugt zwei Photonen. Dieser Prozess wird fortgesetzt und wir erhalten einen fokussierten Laserstrahl, der an der gewünschten Stelle zum Zusammenschweißen mehrerer Teile verwendet wird.

Verwendete Laserarten

1. Gaslaser: Es verwendet Gasgemische als Lasermedium, um Laser zu erzeugen. Als Lasermedium werden Gasgemische wie Stickstoff, Helium und CO2 verwendet.
2. Festkörperlaser: Es verwendet mehrere feste Medien wie synthetischen Rubinkristall (Chrom in Aluminiumoxid), Neodym in Glas (Nd:Glas) und Neodym in Yttrium-Aluminium-Granat (Nd-YAG, am häufigsten verwendet).
3. Faserlaser: Das Lasermedium bei diesem Lasertyp ist die optische Faser selbst.

Vorteile der Laserstrahlmaschine

Die präzise Steuerung des Laserstrahls bietet Anwendern mehrere Vorteile gegenüber WIG, MIG und Punktschweißen:

• Schweißfestigkeit: Die Laserschweißnaht ist schmal mit einem hervorragenden Verhältnis von Tiefe zu Breite und höherer Festigkeit.
• Wärmeeinflusszone: Die Wärmeeinflusszone ist begrenzt, und aufgrund der schnellen Abkühlung wird das umgebende Material nicht geglüht.
• Metalle: Laser schweißen erfolgreich Kohlenstoffstahl, hochfesten Stahl, Edelstahl, Titan, Aluminium und Edelmetalle sowie unterschiedliche Materialien.
• Präzisionsarbeit: Der kleine, streng kontrollierte Laserstrahl ermöglicht ein genaues Mikroschweißen von Miniaturbauteilen.
• Verformung: Teile weisen eine minimale Verformung oder Schrumpfung auf.
• Kein Kontakt: Kein physischer Kontakt zwischen Material und Laserkopf.
• Einseitiges Schweißen: Laserschweißen kann Punktschweißen ersetzen, das nur von einer Seite zugänglich ist.
• Schrott: Laserschweißen ist beherrschbar und erzeugt wenig Ausschuss.

Nachteile der Laserstrahlmaschine

• Die Schweißausrüstung ist teuer, daher sind die Kosten für diesen Prozess hoch.
• Wenn das Füllmaterial notwendig ist, wird es bei diesem Verfahren jedoch in begrenzter Menge hergestellt, wobei die Verwendung von Füllmaterial also relativ teuer ist.
• Es gibt auch ein paar Nachschweißarbeiten.
• Verbindungen müssen seitlich unter dem Träger genau positioniert werden.
• Die Endposition des Gelenks ist genau auf den Strahlauftreffpunkt ausgerichtet.
• Die maximale Nahtdicke, die mit einem Laserstrahl geschweißt werden kann, ist etwas begrenzt.
• Die Materialien haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ein hohes Reflexionsvermögen wie Al- und Cu-Legierungen können die Schweißbarkeit mit Lasern beeinträchtigen.
• Ein geeignetes Plasmasteuergerät muss eingesetzt werden, um die Reproduzierbarkeit der Schweißnaht beim Laserschweißen mit mittlerer bis hoher Leistung zu gewährleisten.
• Laser haben in der Regel eine geringe Energieumwandlungseffizienz von weniger als 10 %.
• Als Folge der schnellen Erstarrungseigenschaften des LBM ist mit einer gewissen Porosität und Sprödigkeit der Schweißnaht zu rechnen.

Anwendung einer Laserstrahlmaschine

• Es ist in der Automobilindustrie führend. Es wird also dort eingesetzt, wo große Stückzahlen benötigt werden.
• Es wird für hochpräzise Schweißnähte eingesetzt. Da keine Elektrode verwendet wird, ist die endgültige Schweißnaht leicht, aber stark.
• Das Laserschweißen wird auch häufig bei der Herstellung von Juwelieren verwendet.
• Laserstrahlschweißen wird jedoch in der medizinischen Industrie verwendet, um Metalle in kleinem Maßstab zusammenzuhalten.