Ein Leitfaden zu den Grundlagen des Laserschweißens

Grundlagen des Laserschweißens

Beim Laserschweißen handelt es sich um einen berührungslosen Prozess, der einen einseitigen Zugang zur Schweißzone der zu schweißenden Teile erfordert.

• Die Schweißnaht entsteht, wenn das intensive Laserlicht das Material schnell erhitzt – normalerweise im Millisekundenbereich.

• Es gibt typischerweise drei Schweißarten:

– Leitungsmodus.

– Leitungs-/Penetrationsmodus.

– Penetrations- oder Schlüssellochmodus.

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

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

• Das Durchdringungs- oder Schlüssellochschweißen ist durch tiefe, schmale Schweißnähte gekennzeichnet.

– In diesem Modus bildet das Laserlicht einen Faden aus verdampftem Material, ein sogenanntes „Schlüsselloch“, das in das Material hineinreicht und als Kanal dient, durch den das Laserlicht effizient in das Material geleitet wird.

– Diese direkte Energiezufuhr zum Material erfordert keine Leitung, um das Eindringen zu erreichen. Dadurch wird die Wärmezufuhr zum Material minimiert und die Wärmeeinflusszone verkleinert.

Leitungsschweißen

• Das 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 Material, um eine Verbindung ohne nennenswerte Verdampfung herzustellen.

• Konduktionsschweißen hat zwei Modi:

– Direktheizung

– Energieübertragung.

Direkte Hitze

• Bei direkter Erwärmung

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

• Die ersten Konduktionsschweißungen wurden in den frühen 1er Jahren durchgeführt, mit schwach gepulstem Rubin und CO2 Laser für Kabelverbinder.

• Leitungsschweißungen können in einer breiten Palette von Metallen und Legierungen in Form von Drähten und dünnen Blechen in verschiedenen Konfigurationen durchgeführt werden.

- CO2 , Nd:YAG- und Diodenlaser mit Leistungen im zweistelligen Wattbereich.

– Direkte Beheizung durch CO2 Auch für Überlapp- und Stumpfschweißnähte in Kunststoffplatten kann der Laserstrahl eingesetzt werden.

Durchstrahlschweißen

• Durchstrahlungsschweißen ist eine effiziente Methode zum Verbinden von Polymeren, die die Nahinfrarotstrahlung von Nd:YAG- und Diodenlasern durchlassen.

• Die Energie wird durch neuartige Grenzflächenabsorptionsmethoden absorbiert.

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

• Das Energieübertragungsverfahren des Leitungsschweißens wird bei Materialien angewendet, die Nahinfrarotstrahlung übertragen, insbesondere bei Polymeren.

• Eine absorbierende Tinte wird an der Schnittstelle einer Überlappverbindung angebracht. Die Tinte absorbiert die Energie des Laserstrahls, die in eine begrenzte Dicke des umgebenden Materials geleitet wird, um einen geschmolzenen Grenzflächenfilm zu bilden, der als Schweißverbindung erstarrt.

• Überlappverbindungen mit dicken Abschnitten können hergestellt werden, ohne dass die Außenflächen der Verbindung schmelzen.

• Stumpfschweißnähte können hergestellt werden, indem die Energie in einem Winkel durch das Material auf einer Seite der Verbindung auf die Verbindungslinie gerichtet wird, oder von einem Ende, wenn das Material eine hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist.

Laserlöten und -löten

• Bei den Laserlöt- und Hartlötprozessen wird der Strahl zum Aufschmelzen eines Füllstoffzusatzes genutzt, der die Kanten der Fügestelle benetzt, ohne das Grundmaterial aufzuschmelzen.

• Laserlöten wurde Anfang der 1980er Jahre immer beliebter, um die Anschlüsse elektronischer Komponenten durch Löcher in Leiterplatten zu verbinden. Die Prozessparameter werden durch die Materialeigenschaften bestimmt.

Durchstrahl-Laserschweißen

• Bei hohen Leistungsdichten verdampfen alle Materialien, wenn die Energie absorbiert werden kann. Daher entsteht beim Schweißen auf diese Weise in der Regel ein Loch durch Verdampfung.

• Dieses „Loch“ wird dann durch das Material geführt, wobei sich die geschmolzenen Wände dahinter verschließen.

• Das Ergebnis ist eine sogenannte „Schlüssellochschweißnaht“. Diese ist durch ihre parallele Schmelzzone und geringe Breite gekennzeichnet.

Effizienz beim Laserschweißen

• Ein Begriff zur Definition dieses Effizienzkonzepts ist die sogenannte „Fügeeffizienz“.

• Der Verbindungswirkungsgrad ist kein echter Wirkungsgrad, da er die Einheit (verbundene mm2/gelieferte kJ) hat.

– Wirkungsgrad = Vt/P (der Kehrwert der spezifischen Energie beim Schneiden), wobei V = Vorschubgeschwindigkeit, mm/s; t = geschweißte Dicke, mm; P = Einfallsleistung, KW.

Effizientes Fügen

• Je höher der Wert der Verbindungseffizienz, desto weniger Energie wird für unnötige Erwärmung verbraucht.

– Untere Wärmeeinflusszone (WEZ).

– Geringere Verzerrung.

• Widerstandsschweißen ist in dieser Hinsicht am effizientesten, da die Schmelz- und Wärmeeinflusszonenenergie nur an der zu schweißenden Schnittstelle mit hohem Widerstand erzeugt wird.

• Laser- und Elektronenstrahlen verfügen ebenfalls über gute Wirkungsgrade und hohe Leistungsdichten.

Prozessvariationen

• Lichtbogenunterstütztes Laserschweißen.

– Der Lichtbogen eines WIG-Brenners, der in der Nähe des Interaktionspunkts des Laserstrahls montiert ist, fixiert sich automatisch auf den vom Laser erzeugten Hotspot.

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

– Die Wirkung besteht entweder in der Stabilisierung eines aufgrund seiner Verfahrgeschwindigkeit instabilen Lichtbogens oder in der Verringerung des Widerstandes eines stabilen Lichtbogens.

– Die Verriegelung erfolgt nur bei Lichtbögen mit geringem Strom und daher langsamem Kathodenstrahl, also bei Strömen unter 80A.

– Der Lichtbogen befindet sich auf der gleichen Seite des Werkstücks wie der Laser, wodurch die Schweißgeschwindigkeit bei nur geringfügig höheren Kapitalkosten verdoppelt werden kann.

• Doppelstrahl-Laserschweißen

– Bei gleichzeitigem Einsatz von zwei Laserstrahlen besteht die Möglichkeit, die Schweißbadgeometrie und die Schweißnahtform zu kontrollieren.

– Durch die Verwendung von zwei Elektronenstrahlen konnte das Schlüsselloch stabilisiert werden, wodurch weniger Wellen im Schweißbad entstanden und eine bessere Durchdringung und Perlenform erreicht wurde.

– Ein Excimer und CO2 Durch die Kombination von Laserstrahlen konnte eine verbesserte Kopplung für das Schweißen hochreflektierender Materialien wie Aluminium oder Kupfer erreicht werden.

– Die verstärkte Kopplung wurde vor allem aus folgenden Gründen in Betracht gezogen:

• Veränderung der Reflektivität durch Oberflächenwelligkeit, die durch den Excimer verursacht wird.

• ein Sekundäreffekt, der durch die Kopplung durch das durch einen Excimer erzeugte Plasma entsteht.