Einleitung:
Beim Laserschweißen wird ein hochkonzentrierter Lichtstrahl, ein sogenannter Laser, verwendet, um Materialien miteinander zu verbinden. Wie funktioniert also Laserschweißen? Dieser Artikel gibt Ihnen die Antwort.
Wie funktioniert Laserschweißen arbeiten?
1. Erzeugung des Laserstrahls
Der Prozess beginnt mit der Erzeugung eines hochkonzentrierten Strahls kohärenten Lichts, üblicherweise aus einem Laserresonator. Der Laserstrahl kann mit verschiedenen Lasern erzeugt werden, beispielsweise Festkörper-, Gas- oder Faserlasern.
2. Fokussierung des Laserstrahls
Sobald der Laserstrahl erzeugt ist, wird er durch eine Reihe von Spiegeln und Linsen geleitet, um ihn auf einen kleinen, intensiven Punkt zu fokussieren. Dieser Fokus ist entscheidend. Er erhöht die Energiedichte des Laserstrahls und ermöglicht es ihm, das Material, mit dem er in Kontakt kommt, zu schmelzen oder zu verdampfen.
3. Materialvorbereitung
Vor dem Schweißen werden die zu verbindenden Materialien durch Reinigung und richtige Positionierung vorbereitet. Die Oberflächenvorbereitung ist wichtig, um eine ordnungsgemäße Verbindung und Qualität der Schweißnaht sicherzustellen.
4. Schweißvorgang
Der fokussierte Laserstrahl wird auf die Verbindung zwischen den zu schweißenden Materialien gerichtet. Wenn der intensive Strahl auf die Oberfläche trifft, erhitzt, schmilzt oder verdampft er das Material schnell. Die erzeugte Wärme ist lokalisiert, wodurch die Wärmeeinflusszone (WEZ) des umgebenden Materials minimiert wird.
5. Verbindung von Werkstoffen
Wenn das Material schmilzt oder verdampft, bildet sich an der Verbindungsstelle ein Schmelzbad. Das geschmolzene Material kühlt ab und verfestigt sich, wodurch eine Schmelzverbindung zwischen den Materialien entsteht. Der Laserstrahl wird entlang der Verbindung bewegt, um die gesamte Länge zu schweißen.
6. Kontrolle und Überwachung
Laserschweißprozesse beinhalten häufig Sensoren und Überwachungssysteme zur Steuerung der Parameter Leistung, Strahlfokus und Geschwindigkeit. Dies gewährleistet eine präzise Kontrolle des Schweißprozesses und trägt zur Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Qualität bei.
Wichtige Parameter des Laserschweißens
1. Leistungsdichte
Die Leistungsdichte ist einer der kritischsten Parameter bei der Laserbearbeitung. Bei einer höheren Leistungsdichte kann die Oberflächenschicht innerhalb einer Mikrosekunde bis zum Siedepunkt erhitzt werden, was zu einer umfassenden Verdampfung führt. Eine hohe Leistungsdichte ist daher für Materialabtragsprozesse wie Bohren, Schneiden und Gravieren von Vorteil. Bei niedrigeren Leistungsdichten dauert es mehrere Millisekunden, bis die Oberflächentemperatur den Siedepunkt erreicht. Bevor die Oberflächenschicht verdampft, erreicht die untere Schicht den Schmelzpunkt und bildet leicht eine gute Schmelzschweißnaht.
2. Laserpulswellenform
Wenn ein hochintensiver Laserstrahl auf die Oberfläche eines Materials trifft, werden 60 bis 981 TP3T der Laserenergie reflektiert und gehen auf der Metalloberfläche verloren. Dazu gehören Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Titan und andere Materialien mit starker Reflexion und schneller Wärmeübertragung. Während eines Laserpulssignals ändert sich die Reflektivität des Metalls mit der Zeit. Die Reflektivität nimmt schnell ab, wenn die Oberflächentemperatur des Materials bis zum Schmelzpunkt ansteigt. Wenn die Oberfläche geschmolzen ist, stabilisiert sich die Reflektivität bei einem bestimmten Wert.
3. Laserpulsbreite
Die Pulsbreite ist ein wesentlicher Parameter beim Pulslaserschweißen. Die Eindringtiefe und die Wärmeeinflusszone bestimmen die Pulsbreite. Je länger die Pulsbreite, desto größer die Wärmeeinflusszone. Die Eindringtiefe erhöht sich mit der halben Leistung der Pulsbreite. Eine Erhöhung der Pulsbreite verringert jedoch die Spitzenleistung. Daher wird eine Erhöhung der Pulsbreite im Allgemeinen beim Wärmeleitungsschweißen verwendet. Die gebildete Schweißnaht ist breit und flach, was sich besonders für das Überlappschweißen dünner und dicker Platten eignet.
Eine geringere Spitzenleistung führt jedoch zu einer übermäßigen Wärmezufuhr. Jedes Material hat eine optimale Impulsbreite, die die Durchdringung maximiert.
4. Defokussierungsgrad
Beim Laserschweißen ist normalerweise eine gewisse Defokussierung erforderlich. Dies liegt daran, dass die Leistungsdichte in der Mitte des Punkts im Laserfokus zu hoch ist und leicht in Löcher verdampfen kann. Die Leistungsdichteverteilung ist auf jeder Ebene außerhalb des Laserfokus relativ gleichmäßig.
5. Schweißgeschwindigkeit
Die Schweißgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Eindringtiefe. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit führt zu einer geringeren Eindringtiefe. Eine zu niedrige Geschwindigkeit führt jedoch zu übermäßigem Materialschmelzen und Schweißen durch das Werkstück. Daher gibt es für ein bestimmtes Material mit einer bestimmten Laserleistung und einer bestimmten Dicke einen geeigneten Schweißgeschwindigkeitsbereich, und die maximale Eindringtiefe kann bei dem entsprechenden Geschwindigkeitswert erreicht werden.
6. Schutzgas
Inertgase werden häufig verwendet, um das Schmelzbad beim Laserschweißen zu schützen. In den meisten Anwendungen werden häufig Helium, Argon, Stickstoff und andere Gase zum Schutz verwendet. Die zweite Funktion des Schutzgases besteht darin, die Fokussierlinse vor Metalldampfverunreinigungen und spritzenden Flüssigkeitströpfchen zu schützen. Beim Hochleistungslaserschweißen ist der Sprühnebel sehr stark und zum Schutz der Linse erforderlich. Die dritte Funktion des Schutzgases besteht darin, den durch das Hochleistungslaserschweißen erzeugten Plasmaschild effektiv zu zerstreuen. Der Metalldampf absorbiert den Laserstrahl und ionisiert ihn zu einem Plasma. Wenn zu viel Plasma vorhanden ist, wird das Plasma den Laserstrahl bis zu einem gewissen Grad verbrauchen.
7. Kühlung und Nachbearbeitung
Nach dem Schweißen kann die Schweißverbindung abgekühlt werden, um die Schweißnaht vollständig zu verfestigen. Je nach Anwendung können zusätzliche Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen oder Polieren erforderlich sein, um die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit und Schweißnahtintegrität zu erreichen.
Vorteile des Laserschweißens
Das Laserschweißen bietet gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren mehrere Vorteile. Dazu gehören hohe Präzision, schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeiten, minimale Verzerrungen und die Fähigkeit, verschiedene Materialien zu schweißen. Diese Eigenschaften machen es zu einer bevorzugten Wahl in vielen Branchen, darunter der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Elektronik- und Medizingeräteherstellung.
Durch Laserschweißen können eine hohe Verbindungsfestigkeit und ein großes Aspektverhältnis erzielt werden und die Schweißgeschwindigkeit ist relativ hoch.
Da beim Laserschweißen keine Vakuumumgebung erforderlich ist, können Linsen und Glasfasern zur Fernsteuerung und automatisierten Produktion verwendet werden.
Das Laserschweißen weist eine hohe Leistungsdichte auf und erzielt eine gute Schweißwirkung bei schwer schweißbaren Materialien wie Titan, Quarz usw. Es können Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften geschweißt werden.
Mikroschweißen ist möglich. Nach genauer Fokussierung und Positionierung kann der Laserstrahl einen sehr kleinen Punkt erzeugen. Es kann zum Montageschweißen von Mikro- und Kleinwerkstücken verwendet werden, die in großen Mengen für die automatisierte Produktion hergestellt werden.