Einleitung:
Im vorangegangenen Artikel haben wir die Grundsätze und Merkmale des Laserstrahlschweißens mit tiefer Durchdringung erörtert. Hier werden wir uns auf die wichtigsten Prozessparameter konzentrieren. Dies ist hilfreich für Sie, um mehr über diese Schweißtechnik zu erfahren.
Die wichtigsten Prozessparameter des Laserstrahlschweißens mit tiefer Durchdringung
1. Laserleistung
Beim Laserschweißen gibt es einen Schwellenwert der Laserenergiedichte. Unterhalb dieses Wertes ist die Einbrandtiefe sehr gering. Wird dieser Wert erreicht oder überschritten, erhöht sich die Einschweißtiefe stark. Erst wenn die Laserleistungsdichte am Werkstück einen Schwellenwert (abhängig vom Material) überschreitet, wird das Plasma erzeugt. Dies markiert den Fortschritt des stabilen Tiefschweißens.
Liegt die Laserleistung unter diesem Schwellenwert, kommt es nur zu einer Oberflächenschmelzung des Werkstücks. Das ist ein stabiles Wärmeleitungsschweißen. Liegt die Laserleistungsdichte jedoch in der Nähe der kritischen Bedingung für die Bildung kleiner Löcher, werden Tiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen abwechselnd durchgeführt. Dies wird zu einem instabilen Schweißprozess, der zu großen Schwankungen in der Einschweißtiefe führt.
Beim Laser-Tiefschweißen steuert die Laserleistung gleichzeitig die Einschweißtiefe und die Schweißgeschwindigkeit. Die Einschweißtiefe steht in direktem Zusammenhang mit der Strahlleistungsdichte und ist eine Funktion der einfallenden Strahlleistung und des Strahlbrennpunkts. Im Allgemeinen nimmt bei einem Laserstrahl mit einem bestimmten Durchmesser die Einschweißtiefe mit steigender Strahlleistung zu.
2. Strahlenbrennpunkt
Die Größe des Strahlflecks ist eine der wichtigsten Variablen beim Laserschweißen. Denn sie bestimmt die Leistungsdichte. Bei Hochleistungslasern ist ihre Messung jedoch schwierig. Zwar gibt es viele indirekte Messverfahren.
Die beugungsbegrenzte Spotgröße des Strahlenfokus kann nach der Lichtbeugungstheorie berechnet werden. Aufgrund der Fokussierungslinsenabweichung ist die tatsächliche Punktgröße jedoch größer als der berechnete Wert. Die einfachste praktische Methode ist die isothermische Profilierungsmethode. Dabei werden der Brennfleck und der Perforationsdurchmesser nach dem Verkohlen und Durchdringen einer Polypropylenplatte mit dickem Papier gemessen. Bei dieser Methode muss man die Laserleistung und die Einwirkzeit des Strahls durch praktische Messungen beherrschen.
3. Materialabsorptionswert
Die Absorption von Laserlicht durch ein Material hängt von einigen wichtigen Eigenschaften des Materials ab. Dazu gehören das Absorptionsvermögen, das Reflexionsvermögen, die Wärmeleitfähigkeit, die Schmelztemperatur, die Verdampfungstemperatur usw.
Das Wichtigste ist die Absorptionsrate.
Zu den Faktoren, die die Absorptionsrate des Materials für den Laserstrahl beeinflussen, gehören zwei Aspekte:
- Zunächst wird die Absorption der polierten Oberfläche des Materials gemessen. Es wurde festgestellt, dass der spezifische Widerstand des Materials proportional zur Quadratwurzel des spezifischen Widerstandskoeffizienten ist. Der Widerstandskoeffizient ändert sich mit der Temperatur.
- Zweitens hat die Oberflächenbeschaffenheit (oder das Finish) des Materials einen größeren Einfluss auf die Strahlabsorptionsrate. Daher hat sie einen erheblichen Einfluss auf den Schweißeffekt.
Nichtmetalle wie Keramik, Glas, Gummi und Kunststoffe haben bei Raumtemperatur eine hohe Absorptionsrate. Metallische Werkstoffe hingegen haben bei Raumtemperatur eine schlechte Absorptionsrate. Und sobald das Material schmilzt oder sogar verdampft, steigt sie stark an. Die Verwendung einer Oberflächenbeschichtung oder einer Oxidschicht verbessert die Absorption des Lichtstrahls durch das Material effektiv.
4. Geschwindigkeit beim Schweißen
Die Schweißgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Einbrandtiefe. Je höher die Geschwindigkeit ist, desto flacher ist der Einbrand. Ist die Geschwindigkeit jedoch zu niedrig, wird das Material zu stark aufgeschmolzen und das Werkstück wird durchgeschweißt. Daher gibt es einen geeigneten Schweißgeschwindigkeitsbereich für ein bestimmtes Material mit einer bestimmten Laserleistung und Dicke. Die maximale Einschweißtiefe kann mit dem entsprechenden Geschwindigkeitswert erreicht werden.
5. Schutzgas
Schutzgas wird häufig zum Schutz des Schmelzbades beim Laserschweißen verwendet. Einige Werkstoffe werden unabhängig von der Oberflächenoxidation geschweißt, so dass ein Schutz nicht unbedingt erforderlich ist. Für die meisten Anwendungen werden jedoch Helium, Argon, Stickstoff und andere Gase als Schutz verwendet.
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Helium
Helium ist nicht leicht zu ionisieren (höhere Ionisierungsenergie). Dadurch kann der Laser reibungslos hindurchgehen, und die Strahlenergie erreicht ungehindert die Oberfläche des Werkstücks. Dies ist das wirksamste Schutzgas, das beim Laserschweißen verwendet wird. Allerdings ist es auch teurer.
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Argon-Gas
Argongas ist billiger und dichter, so dass die Schutzwirkung besser ist. Es ist jedoch anfällig für die Ionisierung von Hochtemperatur-Metallplasmen. Dies kann einen Teil des Strahls davon abhalten, auf das Werkstück zu treffen, die effektive Laserleistung für das Schweißen verringern und die Schweißgeschwindigkeit und -tiefe beeinträchtigen. Die mit Argon geschützte Schweißnahtoberfläche ist glatter als die mit Helium geschützte.
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Stickstoff
Stickstoff ist das billigste Schutzgas. Es ist jedoch für das Schweißen einiger Arten von rostfreiem Stahl ungeeignet, vor allem wegen metallurgischer Probleme, wie z. B. Absorption. Dies führt mitunter zu Porosität in der Überlappungszone.
Der Einsatz von Schutzgas ist vor allem in dreierlei Hinsicht von Vorteil:
- Schützen Sie das Werkstück beim Löten vor Oxidation.
- Schützen Sie die Fokussierlinse vor Verunreinigungen durch Metalldampf und Sputtering von Flüssigkeitströpfchen, insbesondere beim Laserschweißen mit hoher Leistung. Da der Auswurf sehr stark ist, muss die Linse jetzt geschützt werden.
- Ableitung des beim Hochleistungslaserschweißen erzeugten Plasmaschilds. Der Metalldampf absorbiert den Laserstrahl und ionisiert zu einer Plasmawolke. Das Schutzgas um den Metalldampf wird durch die Hitze ebenfalls ionisiert. Wenn zu viel Plasma vorhanden ist, wird der Laserstrahl teilweise vom Plasma verschluckt. Das Plasma existiert auf der Arbeitsfläche als zweite Energie, wodurch der Einbrand flach wird und sich die Oberfläche des Schweißbads vergrößert. Die Rekombinationsrate der Elektronen wird erhöht, indem die Dreikörperkollisionen der Elektronen mit Ionen und neutralen Atomen verstärkt werden, um die Elektronendichte im Plasma zu verringern. Je leichter die neutralen Atome sind, desto höher sind die Kollisionsfrequenz und die Rekombinationsrate. Andererseits wird nur das Schutzgas mit hoher Ionisierungsenergie die Elektronendichte aufgrund der Ionisierung des Gases selbst nicht erhöhen.
6. Brennweite des Objektivs
Die Fokussierungsmethode wird in der Regel verwendet, um den Laser während des Schweißens zu bündeln, und es wird im Allgemeinen eine Linse mit einer Brennweite von 63~254mm verwendet. Die Größe des Brennflecks ist proportional zur Brennweite. Je kürzer die Brennweite, desto kleiner der Fleck. Die Brennweite wirkt sich jedoch auch auf die Schärfentiefe aus. Das heißt, die Schärfentiefe nimmt synchron mit der Brennweite zu. Eine kurze Brennweite kann also die Leistungsdichte erhöhen. Aufgrund der geringen Brennweite muss der Abstand zwischen Linse und Werkstück genau eingehalten werden, und die Eindringtiefe ist nicht groß.
Wegen des Einflusses der beim Schweißen entstehenden Spritzer und des Lasermodus ist die kürzeste Brennweite, die beim tatsächlichen Schweißen verwendet wird, meist 126 mm (5″). Wenn die Verbindung groß ist oder die Schweißnaht durch Vergrößerung des Schweißpunktes vergrößert werden muss, kann eine Linse mit einer Brennweite von 254 mm gewählt werden. In diesem Fall ist eine höhere Laserausgangsleistung (Leistungsdichte) erforderlich, um den Pinhole-Effekt des tiefen Eindringens zu erreichen.
Wenn die Laserleistung 2 kW übersteigt (insbesondere beim 10,6-μm-CO2-Laserstrahl), wird aufgrund der Verwendung spezieller optischer Materialien für das optische System häufig die Methode der reflektierenden Fokussierung verwendet, um das Risiko einer optischen Beschädigung der Fokussierlinse zu vermeiden. Als Reflektor wird im Allgemeinen ein polierter Kupferspiegel verwendet. Aufgrund der effektiven Kühlung wird er häufig zur Fokussierung von Laserstrahlen mit hoher Leistung empfohlen.
7. Position fokussieren
Die Position des Brennpunkts ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer angemessenen Leistungsdichte beim Schweißen. Änderungen der Position des Brennpunkts im Verhältnis zur Werkstückoberfläche wirken sich direkt auf die Schweißnahtbreite und -tiefe aus.
Bei den meisten Laserschweißanwendungen befindet sich der Brennfleck in der Regel etwa 1/4 der gewünschten Einschweißtiefe unterhalb der Werkstückoberfläche.
8. Position des Laserstrahls
Beim Laserschweißen von unähnlichen Materialien bestimmt die Position des Laserstrahls die endgültige Qualität der Schweißnaht, insbesondere bei Stumpf- und Überlappverbindungen. Wenn zum Beispiel ein Zahnrad aus gehärtetem Stahl mit einer Trommel aus unlegiertem Stahl verschweißt wird, trägt die richtige Steuerung der Laserstrahlposition dazu bei, eine Schweißnaht mit einer relativ rissfesten und überwiegend kohlenstoffarmen Komponente zu erzeugen. Bei einigen Anwendungen erfordert die Geometrie des zu schweißenden Werkstücks eine Ablenkung des Laserstrahls um einen bestimmten Winkel. Wenn der Ablenkungswinkel zwischen der Strahlachse und der Verbindungsebene innerhalb von 100 Grad liegt, wird die Absorption der Laserenergie durch das Werkstück nicht beeinträchtigt.
9. Stufenweiser Anstieg und Abfall der Laserleistung zu Beginn und am Ende des Schweißvorgangs
Beim Laser-Tiefschweißen entstehen unabhängig von der Tiefe der Schweißnaht immer kleine Löcher. Wenn der Schweißvorgang beendet und der Netzschalter ausgeschaltet wird, entsteht am Ende der Schweißnaht eine Grube. Wenn die Laserschweißschicht die ursprüngliche Schweißnaht überdeckt, kommt es außerdem zu einer übermäßigen Absorption des Laserstrahls. Dies führt zu einer Überhitzung der Schweißnaht oder zur Bildung von Poren.
Um die oben genannten Phänomene zu vermeiden, können die Start- und Endpunkte der Leistung so programmiert werden, dass die Start- und Endzeiten der Leistung angepasst werden. Die Anfangsleistung wird elektronisch von Null auf den eingestellten Leistungswert in einem kurzen Zeitraum erhöht. Auch die Schweißzeit kann eingestellt werden. Schließlich wird die Leistung schrittweise von der eingestellten Leistung auf Null reduziert, wenn das Schweißen beendet ist.