Laserschweißen kann mit einem kontinuierlichen oder gepulsten Lasergenerator realisiert werden. Das Prinzip des Laserschweißens lässt sich in Wärmeleitungsschweißen und Lasertiefschmelzschweißen unterteilen. Bei einer Leistungsdichte von weniger als 104–105 W/cm2 handelt es sich um Wärmeleitungsschweißen. Dabei sind die Schmelztiefe und die Schweißgeschwindigkeit gering. Bei einer Leistungsdichte von mehr als 105–107 W/cm2 verformt sich die Metalloberfläche unter der Einwirkung von Hitze zu „Schlüssellöchern“, wodurch ein Tiefschmelzschweißen entsteht, das sich durch eine hohe Schweißgeschwindigkeit und ein großes Tiefen-Breiten-Verhältnis auszeichnet.
Heute werden wir hauptsächlich das Wissen über die wichtigsten Faktoren behandeln, die die Qualität des Laser-Tiefschmelzschweißens beeinflussen
1. Laserleistung
Beim Laser-Tiefschmelzschweißen bestimmt die Laserleistung sowohl die Eindringtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißtiefe steht in direktem Zusammenhang mit der Strahlleistungsdichte und ist eine Funktion der einfallenden Strahlleistung und des Strahlbrennflecks. Generell gilt: Bei einem Laserstrahl mit einem bestimmten Durchmesser nimmt die Eindringtiefe mit zunehmender Strahlleistung zu.
2. Brennpunkt
Die Strahlfleckgröße ist eine der wichtigsten Variablen beim Laserschweißen, da sie die Leistungsdichte bestimmt. Bei Hochleistungslasern ist ihre Messung jedoch eine Herausforderung, obwohl es viele indirekte Messtechniken gibt.
Die Beugungsgrenzpunktgröße des Strahlfokus kann gemäß der Beugungstheorie berechnet werden. Die tatsächliche Punktgröße ist jedoch aufgrund der schlechten Fokusreflexion größer als der berechnete Wert. Die einfachste Messmethode ist die Isotemperaturprofilmethode. Dabei wird der Durchmesser des Brennpunkts und die Perforation gemessen, nachdem dickes Papier verbrannt und durch die Polypropylenplatte gedrungen ist. Durch die praktische Messung werden mit dieser Methode die Laserleistung und die Strahleinwirkungszeit bestimmt.
3. Schutzgas
Beim Laserschweißen werden häufig Schutzgase (Helium, Argon, Stickstoff) verwendet, um das Schmelzbad zu schützen und so eine Oxidation des Werkstücks während des Schweißvorgangs zu verhindern. Der zweite Grund für die Verwendung von Schutzgas ist der Schutz der Fokussierlinse vor Verunreinigungen durch Metalldämpfe und Spritzern durch Flüssigkeitströpfchen. Insbesondere beim Hochleistungs-Laserschweißen treten sehr starke Auswürfe auf, weshalb die Linse geschützt werden muss. Der dritte Effekt des Schutzgases besteht darin, dass es die beim Hochleistungs-Laserschweißen erzeugte Plasmaabschirmung sehr effektiv zerstreut. Der Metalldampf absorbiert den Laserstrahl und ionisiert zu einer Plasmawolke. Das den Metalldampf umgebende Schutzgas ionisiert aufgrund der Hitze ebenfalls. Bei zu viel Plasma wird der Laserstrahl gewissermaßen vom Plasma absorbiert. Als zweite Energiequelle entsteht Plasma auf der Arbeitsfläche, wodurch die Schweißtiefe geringer und die Oberfläche des Schweißbads breiter wird.
Wie wählt man das richtige Schutzgas aus?
4. Absorptionsrate
Die Laserabsorption des Materials hängt von einigen wichtigen Materialeigenschaften ab, wie Absorptionsrate, Reflektivität, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur und Verdampfungstemperatur. Von allen Faktoren ist die Absorptionsrate der wichtigste.
Zwei Faktoren beeinflussen die Absorptionsrate des Materials gegenüber dem Laserstrahl. Der erste ist der Widerstandskoeffizient des Materials. Es zeigt sich, dass die Absorptionsrate des Materials proportional zur Quadratwurzel des Widerstandskoeffizienten ist und der Widerstandskoeffizient mit der Temperatur variiert. Zweitens hat der Oberflächenzustand (oder die Oberflächenbeschaffenheit) des Materials einen wichtigen Einfluss auf die Absorptionsrate des Strahls, was wiederum den Schweißeffekt maßgeblich beeinflusst.
5. Schweißgeschwindigkeit
Die Schweißgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Eindringtiefe. Eine höhere Geschwindigkeit verringert die Eindringtiefe, eine zu niedrige Geschwindigkeit führt jedoch zu übermäßigem Schmelzen des Materials und zum Durchschweißen des Werkstücks. Daher gibt es für ein bestimmtes Material mit einer bestimmten Laserleistung und einer bestimmten Dicke einen geeigneten Schweißgeschwindigkeitsbereich, und die maximale Eindringtiefe kann bei der entsprechenden Geschwindigkeit erreicht werden.
6. Brennweite der Fokuslinse
Im Kopf der Schweißpistole ist üblicherweise eine Fokussierlinse installiert. In der Regel wird eine Brennweite von 63–254 mm (Durchmesser 2,5–10 Zoll) gewählt. Die Größe des Fokussierflecks ist proportional zur Brennweite. Je kürzer die Brennweite, desto kleiner der Fleck. Die Brennweite beeinflusst jedoch auch die Schärfentiefe. Die Schärfentiefe nimmt synchron mit der Brennweite zu, sodass eine kurze Brennweite die Leistungsdichte verbessern kann. Aufgrund der geringen Schärfentiefe muss der Abstand zwischen Linse und Werkstück jedoch genau eingehalten werden, und die Eindringtiefe ist nicht groß. Aufgrund des Einflusses von Spritzern und des Lasermodus beim Schweißen beträgt die kürzeste Fokustiefe beim Schweißen meist 126 mm (Durchmesser 5 Zoll). Eine Linse mit einer Brennweite von 254 mm (Durchmesser 10 Zoll) kann gewählt werden, wenn die Naht groß ist oder die Schweißnaht durch Vergrößerung des Flecks vergrößert werden soll. In diesem Fall ist eine höhere Laserleistung (Leistungsdichte) erforderlich, um den Effekt der tiefen Eindringtiefe zu erzielen.
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Veröffentlichungszeit: 27. September 2022