Einleitung:
Haben Sie schon vom Tiefenlaserschweißen gehört? Das Tiefenlaserschweißen ist eine fortschrittliche Schweißtechnik. Beim Tiefenlaserschweißen (DPLW) wird ein hochenergetischer Laserstrahl verwendet, um tiefe und schmale Schweißnähte in verschiedenen Materialien, normalerweise Metallen, zu erzeugen. In diesem Beitrag werden wir uns mit der Funktionsweise und den Vor- und Nachteilen befassen.
Das Prinzip des Laserschweißens
Kontinuierliche oder gepulste Laserstrahlen können Laserschweißen erreichen. Das Prinzip des Laserschweißens kann in Wärmeleitungsschweißen und Laser-Tiefschweißen unterteilt werden.
- Wenn die Leistungsdichte weniger als 104 bis 105 W/cm2 beträgt, handelt es sich um Wärmeleitungsschweißen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Eindringtiefe gering und die Schweißgeschwindigkeit langsam.
- Wenn die Leistungsdichte größer als 105–107 W/cm2 ist, versinkt die Metalloberfläche durch Erhitzung in „Hohlräumen“, wodurch eine tiefe Durchschweißung entsteht. Diese Schweißung zeichnet sich durch eine hohe Schweißgeschwindigkeit und ein großes Aspektverhältnis aus.
Das Prinzip des Wärmeleitungslaserschweißens besteht darin, dass Laserstrahlung die zu bearbeitende Oberfläche erwärmt. Und die Oberflächenwärme diffundiert durch Wärmeleitung nach innen. Durch die Steuerung von Laserparametern wie Laserpulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Wiederholungsfrequenz wird das Werkstück geschmolzen und bildet ein spezifisches Schmelzbad. Die für das Zahnrad- und metallurgische Dünnplattenschweißen verwendete Laserschweißmaschine verwendet hauptsächlich das Tiefenlaserschweißen.
Im Folgenden wird näher auf das Prinzip des Tiefstrahl-Laserschweißens eingegangen.
Das Prinzip des Tiefenlaserschweißens
Beim Lasertiefschweißen werden im Allgemeinen kontinuierliche Laserstrahlen verwendet, um die Verbindung von Materialien herzustellen. Der metallurgische physikalische Prozess ist dem Elektronenstrahlschweißen sehr ähnlich. Der Energieumwandlungsmechanismus wird durch die „Schlüsselloch“-Struktur vervollständigt. Bei ausreichend hoher Leistungsdichte der Laserbestrahlung verdampft das Material und bildet kleine Poren. Dieses kleine Loch voller Dampf ist wie ein schwarzer Körper und absorbiert fast die gesamte Energie des einfallenden Strahls. Die Gleichgewichtstemperatur im Hohlraum erreicht etwa 2500 °C. Die Wärme wird von der Außenwand des Hochtemperaturhohlraums übertragen, um das den Hohlraum umgebende Metall zu schmelzen.
Das kleine Loch wird mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter der Bestrahlung des Strahls entsteht. Die Wände des kleinen Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben. Das flüssige Metall ist von festen Materialien umgeben (während bei den meisten herkömmlichen Schweißverfahren und beim Laserleitungsschweißen die Energie zuerst auf der Oberfläche des Werkstücks abgelagert und dann durch Übertragung ins Innere transportiert wird).
Der Flüssigkeitsfluss außerhalb der Porenwand und die Oberflächenspannung der Wandschicht halten ein dynamisches Gleichgewicht mit dem kontinuierlich erzeugten Dampfdruck in der Porenhöhle aufrecht. Der Strahl dringt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material fließt aus dem kleinen Loch. Während sich der Strahl bewegt, befindet sich das kleine Loch immer in einem stabilen Strömungszustand. Das heißt, das kleine Loch und das das Loch umgebende geschmolzene Metall bewegen sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des führenden Strahls vorwärts, und das geschmolzene Metall füllt den durch das kleine Loch hinterlassenen Spalt und kondensiert entsprechend, sodass die Schweißnaht gebildet wird.
Merkmale des Tiefenlaserschweißens
1) Hohes Seitenverhältnis
Während sich das geschmolzene Metall um den zylindrischen Hohlraum aus heißem Dampf bildet und sich in Richtung Werkstück ausdehnt, wird die Schweißnaht tief und schmal.
2) Minimale Wärmezufuhr
Da die Temperatur in der kleinen Bohrung sehr hoch ist, erfolgt der Schmelzvorgang extrem schnell, die Wärmezufuhr zum Werkstück ist sehr gering und die thermische Verformung sowie die Wärmeeinflusszone sind klein.
3) Hohe Dichte
Denn die mit Hochtemperaturdampf gefüllten kleinen Poren fördern die Bewegung des Schweißbades und das Entweichen von Gasen, wodurch eine porenfreie Durchschweißung entsteht. Die hohe Abkühlrate nach dem Schweißen kann die Schweißstruktur leicht feiner machen.
4) Starke Schweißnähte
Durch die glühende Wärmequelle und die ausreichende Absorption nichtmetallischer Bestandteile wird der Verunreinigungsgehalt verringert und die Größe und Verteilung der Einschlüsse im Schmelzbad verändert. Der Schweißvorgang erfordert keine Elektroden oder Fülldrähte und die Schmelzzone ist weniger verunreinigt, sodass Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht mindestens gleich oder sogar höher sind als die des Grundmetalls.
5) Präzise Steuerung
Da der fokussierte Lichtfleck klein ist, kann die Schweißnaht mit hoher Präzision positioniert werden. Der Laserausstoß hat keine „Trägheit“ und kann mit hoher Geschwindigkeit angehalten und neu gestartet werden. Das komplexe Werkstück kann mit der CNC-gesteuerten Strahlbewegungstechnologie geschweißt werden.
6) Berührungsloses atmosphärisches Schweißverfahren
Die Energie kommt vom Photonenstrahl, es besteht kein physischer Kontakt mit dem Werkstück. Es wird also keine äußere Kraft auf das Werkstück ausgeübt. Darüber hinaus haben Magnetismus und Luft keinen Einfluss auf das Laserlicht.
Vor- und Nachteile des Tiefenlaserschweißens
Vorteile
1) Der fokussierte Laser hat eine viel höhere Leistungsdichte als herkömmliche Verfahren. Dadurch ist die Schweißgeschwindigkeit hoch und die Wärmeeinflusszone und Verformung sind gering. Auch schwer schweißbare Materialien wie Titan können geschweißt werden.
2) Der Lichtstrahl lässt sich leicht übertragen und steuern. Brenner und Düse müssen nicht häufig ausgetauscht werden. Beim Elektronenstrahlschweißen ist kein Vakuum erforderlich. Dadurch werden die zusätzlichen Ausfallzeiten erheblich reduziert. Der Auslastungsgrad und die Produktionseffizienz sind also hoch.
3) Aufgrund des Reinigungseffekts und der hohen Abkühlungsrate sind Schweißfestigkeit, Zähigkeit und Gesamtleistung hoch.
4) Aufgrund der geringen durchschnittlichen Wärmezufuhr und der hohen Bearbeitungsgenauigkeit können die Kosten für die Wiederaufbereitung gesenkt werden. Darüber hinaus sind auch die Betriebskosten beim Laserschweißen niedrig, was die Kosten für die Werkstückbearbeitung senken kann.
5) Es kann die Strahlintensität und Feinpositionierung effektiv steuern, wodurch der automatische Betrieb problemlos realisiert werden kann.
Nachteile
1) Die Schweißtiefe ist begrenzt.
2) Die Montageanforderungen an das Werkstück sind hoch.
3) Die einmalige Investition in das Lasersystem ist relativ hoch.