Was ist Laserschweißen?

Laserschweißen ist ein wichtiger Aspekt der Lasermaterialbearbeitungstechnologie und wird häufig als Laserschweißgerät bezeichnet. Es wird üblicherweise anhand seiner Arbeitsweise in Laserformschweißgeräte (manuelle Schweißgeräte), automatische Laserschweißgeräte, Laserpunktschweißgeräte und Faserlaserschweißgeräte eingeteilt. Beim Laserschweißen werden hochenergetische Laserimpulse verwendet, um kleine Bereiche des Materials lokal zu erhitzen. Die Energie der Laserstrahlung diffundiert durch Wärmeleitung in das Material, schmilzt das Material und bildet ein spezifisches Schmelzbad, um den Schweißzweck zu erreichen.

In den 1970er Jahren wurde das Laserschweißen hauptsächlich zum Schweißen dünnwandiger Materialien und zum Schweißen mit niedriger Geschwindigkeit verwendet. Der Prozess ist ein Wärmeleitungsverfahren, d. h. Laserstrahlung erhitzt die Oberfläche des Werkstücks und die Wärme diffundiert dann durch Leitung ins Innere. Durch die Steuerung von Parametern wie Laserpulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Wiederholungsfrequenz wird das Werkstück geschmolzen und ein spezifisches Schmelzbad gebildet. Aufgrund seiner einzigartigen Vorteile wurde das Laserschweißen erfolgreich zum präzisen Schweißen von Mikro- und Kleinteilen eingesetzt.

Die Einführung von Hochleistungs-CO2- und YAG-Lasern hat neue Anwendungsgebiete für das Laserschweißen erschlossen und zu Tiefschweißen auf Grundlage der Theorie des kleinen Locheffekts geführt. Dies hat zu immer breiteren Anwendungen in Branchen wie Maschinenbau, Automobilbau und Stahl geführt.

Die Hauptvorteile des Laserschweißens im Vergleich zu anderen Schweißtechnologien sind:

1. Hohe Geschwindigkeit, große Tiefe und minimale Verformung: Der Prozess ist schnell und erzielt tiefe Schweißnähte mit minimaler Verformung.

2.Vielseitigkeit in den Schweißbedingungen: Schweißen kann bei Raumtemperatur oder unter besonderen Bedingungen mit einfachem Geräteaufbau durchgeführt werden. Beispielsweise können Laser durch elektromagnetische Felder ohne Strahlablenkung hindurch arbeiten; Schweißen kann im Vakuum, in Luft oder bestimmten Gasumgebungen und durch transparente Materialien wie Glas erfolgen.

3.Fähigkeit zum Schweißen schwer schmelzbarer Materialien: Beim Laserschweißen können Materialien wie Titan und Quarz verarbeitet werden, und es werden auch bei ungleichen Materialien gute Ergebnisse erzielt.

4. Hohe Leistungsdichte: Nach dem Fokussieren weist der Laser eine hohe Leistungsdichte auf. Bei Hochleistungsschweißanwendungen kann das Verhältnis von Tiefe zu Breite bis zu 5:1 und in einigen Fällen bis zu 10:1 betragen.

5.Mikroschweißfähigkeit: Der Laserstrahl kann fokussiert werden, um sehr kleine Punkte und eine präzise Positionierung zu erreichen, wodurch er sich für Mikro- und Kleinteile in der automatisierten Massenproduktion eignet.

6.Zugang zu schwer erreichbaren Bereichen: Laserschweißen ermöglicht berührungsloses Fernschweißen mit hoher Flexibilität. Jüngste Entwicklungen in der YAG-Lasertechnologie, wie z. B. die Faserübertragungstechnologie, haben die Anwendung des Laserschweißens weiter erweitert.

7.Mehrstrahlverarbeitung: Laserstrahlen können räumlich und zeitlich aufgeteilt werden, was eine gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Strahlen und mehreren Arbeitsstationen ermöglicht und so die Voraussetzungen für präziseres Schweißen schafft.

Allerdings gibt es beim Laserschweißen auch gewisse Einschränkungen:

1. Hohe Präzisionsanforderung: Das Werkstück muss mit hoher Präzision zusammengebaut werden und der Laserstrahl muss genau auf dem Werkstück positioniert werden. Da der Laserfleck nach dem Fokussieren sehr klein und die Schweißnaht schmal ist, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Werkstückmontage und die Strahlpositionierung präzise sind, um Schweißfehler zu vermeiden.

2. Hohe Kosten: Die Kosten für Laser und zugehörige Systeme sind relativ hoch und stellen eine erhebliche Anfangsinvestition dar.

1. Leistungsdichte

Die Leistungsdichte ist einer der kritischsten Parameter bei der Laserbearbeitung. Eine höhere Leistungsdichte kann die Oberfläche innerhalb von Mikrosekunden auf ihren Siedepunkt erhitzen, was zu einer erheblichen Verdampfung führt. Daher ist eine hohe Leistungsdichte für Materialabtragungsprozesse wie Bohren, Schneiden und Gravieren von Vorteil. Bei niedrigeren Leistungsdichten dauert es mehrere Millisekunden, bis die Oberflächentemperatur den Siedepunkt erreicht. Bevor die Oberfläche verdampft, erreichen die darunter liegenden Schichten den Schmelzpunkt, was ein gutes Schmelzschweißen ermöglicht. Beim Konduktionslaserschweißen liegt die Leistungsdichte typischerweise zwischen 10410^4104 und 10610^6106 W/cm².

2.Laserpuls-Wellenform

Die Wellenform des Laserpulses ist ein wichtiger Aspekt beim Laserschweißen, insbesondere beim Dünnblechschweißen. Wenn ein hochintensiver Laserstrahl auf die Materialoberfläche trifft, werden 60 bis 98 % der Laserenergie reflektiert, und die Reflektivität variiert mit der Oberflächentemperatur. Während eines einzelnen Laserpulses ändert sich die Reflektivität des Metalls erheblich.

3. Laserpulsdauer

Die Pulsdauer ist ein entscheidender Parameter beim gepulsten Laserschweißen. Sie unterscheidet zwischen Materialabtrag und Materialschmelzen und ist auch ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Kosten und Größe der Verarbeitungsgeräte.

4.Einfluss der Fokussierungsentfernung auf die Schweißqualität

Beim Laserschweißen ist häufig eine gewisse Defokussierung erforderlich, da die Leistungsdichte im Laserbrennpunkt sehr hoch ist, was zu Lochbildung durch Verdampfung führen kann. Auf Ebenen abseits des Laserbrennpunkts ist die Leistungsdichteverteilung relativ gleichmäßig.

Es gibt zwei Arten der Defokussierung: positive Defokussierung und negative Defokussierung. Eine positive Defokussierung tritt auf, wenn sich die Brennebene über dem Werkstück befindet, während eine negative Defokussierung auftritt, wenn sich die Brennebene unter dem Werkstück befindet. Gemäß der Theorie der geometrischen Optik ist die Leistungsdichte auf den entsprechenden Ebenen ungefähr gleich, wenn positive und negative Defokussierung gleich sind. Die Formen der erhaltenen Schmelzbäder sind jedoch unterschiedlich.

Negative Defokussierung kann zu einer größeren Schmelztiefe führen, was mit dem Bildungsprozess des Schmelzbads zusammenhängt. Experimente haben gezeigt, dass, wenn der Laser das Material 50 bis 200 Mikrosekunden lang erhitzt, das Material zu schmelzen beginnt, flüssiges Metall bildet und verdampft, wodurch Hochdruckdampf entsteht, der mit sehr hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird und ein helles weißes Licht erzeugt. Gleichzeitig bewirkt die hohe Gaskonzentration, dass sich das flüssige Metall an den Rand des Schmelzbads bewegt und in der Mitte des Bads eine Vertiefung bildet. Bei negativer Defokussierung ist die Leistungsdichte im Inneren des Materials höher als an der Oberfläche, was zu stärkerem Schmelzen und Verdampfen führt, wodurch Lichtenergie tiefer in das Material eindringen kann. Daher wird in praktischen Anwendungen negative Defokussierung verwendet, wenn eine größere Schmelztiefe erforderlich ist, während positive Defokussierung zum Schweißen dünner Materialien bevorzugt wird.

1.Schweißen zwischen Blechen

Hierzu zählen die vier Verfahrensmethoden Stumpfschweißen, Kantenschweißen, Mittendurchdringungsschmelzschweißen und Mittenlochschmelzschweißen.

2. Schweißen zwischen Drähten

Hierzu zählen die vier Verfahrensmethoden Draht-Draht-Stumpfschweißen, Kreuzschweißen, Parallel-Überlappschweißen und T-Stoßschweißen.

3. Schweißen von Metalldrähten an Blockkomponenten

Durch Laserschweißen können Metalldrähte erfolgreich zu Blockbauteilen verbunden werden, wobei die Größe der Blockbauteile flexibel ist. Beim Schweißen ist auf die geometrischen Abmessungen der Drahtbauteile zu achten.

4.Schweißen verschiedener Metalle

Beim Schweißen unterschiedlicher Metallarten müssen die Schweißbarkeit und der Bereich der Schweißparameter berücksichtigt werden. Das Laserschweißen verschiedener Materialien ist nur bei bestimmten Materialkombinationen möglich.

Manche Verbindungen zwischen Bauteilen sind für das Laserschmelzschweißen nicht geeignet, können aber durch den Einsatz von Lasern als Wärmequelle beim Weichlöten und Hartlöten von Vorteil sein, da diese Verfahren ähnliche Vorteile wie das Laserschmelzschweißen bieten. Es gibt verschiedene Lötverfahren, wobei das Laserweichlöten vor allem zum Löten von Leiterplatten, insbesondere bei der Montage von plattenförmigen Bauteilen, eingesetzt wird. Im Vergleich zu anderen Verfahren bietet das Laserweichlöten folgende Vorteile:

1. Lokale Erwärmung: Da die Erwärmung lokal erfolgt, ist die Wahrscheinlichkeit thermischer Schäden an den Komponenten geringer und die Wärmeeinflusszone ist klein. Dadurch ist es möglich, Weichlöten in der Nähe wärmeempfindlicher Komponenten durchzuführen.

2. Berührungsloses Heizen: Durch berührungsloses Erhitzen und einen großen Schmelzbereich sind keine zusätzlichen Werkzeuge erforderlich. Diese Methode ermöglicht die Verarbeitung, nachdem Komponenten auf beiden Seiten einer doppelseitigen Leiterplatte montiert wurden.

3.Stabile Wiederholbarkeit: Die Stabilität bei sich wiederholenden Vorgängen ist hoch. Das Flussmittel verunreinigt die Schweißwerkzeuge nur minimal und die Laserbelichtungszeit sowie die Ausgangsleistung lassen sich leicht steuern, was zu einer hohen Ausbeute an lasergelöteten Produkten führt.

4. Einfache Strahlteilung: Laserstrahlen können mithilfe optischer Komponenten wie halbdurchlässigen Spiegeln, Reflektoren, Prismen und Scanspiegeln leicht aufgeteilt werden, wodurch ein gleichzeitiges symmetrisches Schweißen an mehreren Punkten möglich ist.

5. Wellenlängenflexibilität: Beim Laserlöten werden üblicherweise Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 µm als Wärmequelle verwendet, die über Glasfasern übertragen werden kann. Dies ermöglicht die Bearbeitung in Bereichen, die mit herkömmlichen Methoden schwer zu schweißen sind, und bietet somit mehr Flexibilität.

6. Gute Fokussierungsfähigkeit: Die Fokussierfähigkeit ist hervorragend, wodurch die Automatisierung mit Mehrstationsgeräten problemlos erreicht wird.

Metallurgische Prozesse und theoretische Grundlagen

Die metallurgischen und physikalischen Prozesse des Lasertiefschweißens ähneln stark denen des Elektronenstrahlschweißens, bei dem der Energieumwandlungsmechanismus durch eine „kleine Loch“-Struktur erreicht wird. Unter der Bestrahlung mit einem Strahl mit ausreichend hoher Leistungsdichte verdampft das Material und es bildet sich ein kleines Loch. Dieses mit Dampf gefüllte kleine Loch wirkt wie ein schwarzer Körper und absorbiert nahezu die gesamte einfallende Lichtenergie. Die Gleichgewichtstemperatur im Hohlraum beträgt etwa 25.2 Grad Celsius. Von der heißen Hohlraumwand wird Wärme übertragen, wodurch das umgebende Metall schmilzt. Das kleine Loch wird mit heißem Dampf gefüllt, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter dem Strahl entsteht. Die Wände des kleinen Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben und das flüssige Metall ist von festem Material umhüllt. Der Flüssigkeitsfluss außerhalb des Lochs und die Oberflächenspannung der Wandschicht gleichen den kontinuierlichen Dampfdruck im Hohlraum aus und halten so das dynamische Gleichgewicht aufrecht. Der Strahl dringt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material außerhalb des Lochs fließt kontinuierlich. Während sich der Strahl bewegt, bleibt das kleine Loch in einem stabilen Strömungszustand. Mit anderen Worten bewegen sich das kleine Loch und das umgebende geschmolzene Metall mit dem vorderen Strahl vorwärts, wobei geschmolzenes Metall den durch das kleine Loch entstandenen Spalt füllt und anschließend erstarrt, wodurch die Schweißnaht entsteht.

Beeinflussende Faktoren

Zu den Faktoren, die das Lasertiefschweißen beeinflussen, gehören: Laserleistung, Laserstrahldurchmesser, Materialabsorptionsvermögen, Schweißgeschwindigkeit, Schutzgas, Brennweite der Linse, Position des Brennpunkts, Position des Laserstrahls und die allmähliche Erhöhung und Verringerung der Laserleistung an den Start- und Endpunkten des Schweißens.

Eigenschaften und Vorteile des Lasertiefschweißens

Eigenschaften:

1. Hohes Verhältnis von Tiefe zu Breite: Das geschmolzene Metall bildet sich und breitet sich um die zylindrische Hochtemperatur-Dampfhöhle aus, wodurch eine tiefe und schmale Schweißnaht entsteht.

2.Minimale Wärmezufuhr: Aufgrund der sehr hohen Temperatur im Hohlraum der Quelle erfolgt der Schmelzvorgang extrem schnell und mit sehr geringer Wärmezufuhr zum Werkstück, was zu minimaler thermischer Verformung und Wärmeeinflusszone führt.

3. Hohe Dichte: Das kleine, mit Hochtemperaturdampf gefüllte Loch erleichtert das Rühren des Schmelzbads und das Entweichen von Gasen, was zu porenfreien Schweißnähten führt. Die hohe Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen trägt außerdem zur Verfeinerung der Schweißmikrostruktur bei.

4.Starke Schweißnähte: Die resultierenden Schweißnähte sind robust und langlebig.

5. Präzise Kontrolle: Das Verfahren ermöglicht eine genaue Kontrolle der Schweißparameter.

6. Berührungsloser, atmosphärischer Schweißprozess: Der Schweißvorgang erfolgt ohne direkten Kontakt und in einer atmosphärischen Umgebung.

Vorteile:

1. Hohe Schweißgeschwindigkeit und minimale Verzerrung: Der fokussierte Laserstrahl hat im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine viel höhere Leistungsdichte, was zu höheren Schweißgeschwindigkeiten, kleineren Wärmeeinflusszonen und weniger Verformungen führt. Es ermöglicht auch das Schweißen schwieriger Materialien wie Titan und Quarz.

2. Reduzierte Ausfallzeiten und erhöhte Effizienz: Durch die einfache Strahlübertragung und -steuerung sowie den geringeren Bedarf an häufigen Brenner- oder Düsenwechseln werden die Ausfallzeiten für Zusatzvorgänge erheblich verkürzt, was zu höherer Effizienz und Produktivität führt.

3. Starke Schweißnähte mit hoher Gesamtleistung: Der Reinigungseffekt und die hohe Abkühlungsrate führen zu starken Schweißnähten mit hoher Gesamtleistung.

4. Hohe Präzision und geringere Nacharbeitskosten: Durch die geringe Wärmezufuhr und die hohe Bearbeitungspräzision ist weniger Nacharbeit nötig und die Betriebskosten beim Laserschweißen sind relativ niedrig, was zu niedrigeren Produktionskosten beiträgt.

5. Einfache Automatisierung: Der Prozess erleichtert die Automatisierung durch effektive Kontrolle der Strahlintensität und präzise Positionierung.