Hauptprozessparameter des Laserschweißens

1) Laserleistung. Beim Laserschweißen gibt es einen Schwellenwert für die Laserenergiedichte, unterhalb dessen die Schmelztiefe gering ist. Sobald dieser Wert erreicht oder überschritten wird, nimmt die Schmelztiefe erheblich zu. Erst wenn die Laserleistungsdichte am Werkstück den Schwellenwert (materialabhängig) überschreitet, wird Plasma erzeugt, das die Stabilisierung des Tiefschmelzschweißens markiert. Liegt die Laserleistung unterhalb dieser Schwelle, schmilzt das Werkstück nur oberflächlich auf, d. h. die Schweißung erfolgt in einer stabilen Wärmeübertragungsart. Wenn sich die Laserleistungsdichte dem kritischen Zustand der Bildung kleiner Löcher nähert, wechseln sich Tiefschmelzschweißen und Leitungsschweißen ab und werden zu instabilen Schweißprozessen, was zu großen Schwankungen in der Schmelztiefe führt. Beim Laser-Tiefschmelzschweißen steuert die Laserleistung sowohl die Eindringtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Schweißtiefe der Schmelze steht in direktem Zusammenhang mit der Strahlleistungsdichte und ist eine Funktion der einfallenden Strahlleistung und des Strahlbrennflecks. Im Allgemeinen nimmt bei einem bestimmten Durchmesser des Laserstrahls die Schmelztiefe mit zunehmender Strahlleistung zu.

2) Strahlbrennfleck. Die Strahlfleckgröße ist eine der wichtigsten Variablen beim Laserschweißen, da sie die Leistungsdichte bestimmt. Allerdings ist die Messung für Hochleistungslaser eine Herausforderung, obwohl bereits viele indirekte Messtechniken verfügbar sind.

Die Grenzfleckgröße der Brennpunktbeugung des Strahls kann aus der Lichtbeugungstheorie berechnet werden, der tatsächliche Fleck ist jedoch aufgrund der Aberration der Fokussierungslinse größer als der berechnete Wert. Die einfachste echte Messmethode ist die isotherme Profilmethode, bei der der Brennfleck und der Perforationsdurchmesser nach dem Brennen und Durchdringen einer Polypropylenplatte mit dickem Papier gemessen werden. Diese Methode sollte durch Übung gemessen werden, indem man die Größe der Laserleistung und die Zeit der Strahlwirkung beherrscht.

3) Materialabsorptionswert. Die Absorption des Lasers durch das Material hängt von einigen wichtigen Eigenschaften des Materials ab, wie z. B. der Absorptionsrate, dem Reflexionsvermögen, der Wärmeleitfähigkeit, der Schmelztemperatur, der Verdampfungstemperatur usw. Die wichtigste davon ist die Absorptionsrate.

Zu den Faktoren, die die Absorptionsrate des Materials gegenüber dem Laserstrahl beeinflussen, gehören zwei Aspekte: erstens der spezifische Widerstand des Materials. Nach der Messung der Absorptionsrate der polierten Oberfläche des Materials stellt man fest, dass die Materialabsorptionsrate proportional zur Quadratwurzel des Widerstandskoeffizienten ist, der wiederum mit der Temperatur variiert; Zweitens hat der Oberflächenzustand (oder die Oberflächenbeschaffenheit) des Materials einen größeren Einfluss auf die Absorptionsrate des Strahls und hat somit einen erheblichen Einfluss auf den Schweißeffekt.

Die Ausgangswellenlänge von CO2-Lasern beträgt normalerweise 10,6 μm. Die Absorptionsrate von Keramik, Glas, Gummi, Kunststoff und anderen Nichtmetallen ist bei Raumtemperatur sehr hoch, während die Absorption von Metallmaterialien bei Raumtemperatur sehr schlecht ist, bis das Material nach dem Schmelzen oder sogar Verdampfen stark zunimmt. Der Einsatz einer Oberflächenbeschichtung oder einer Methode zur Oberflächenerzeugung mit einem Oxidfilm zur Verbesserung der Absorption des Materials gegenüber dem Strahl ist sehr effektiv.

4) Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Schmelztiefe. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit führt zu einer geringeren Schmelztiefe. Ist die Geschwindigkeit jedoch zu niedrig, führt dies zu einem übermäßigen Schmelzen des Materials und dem Durchschweißen des Werkstücks. Daher gibt es für eine bestimmte Laserleistung und eine bestimmte Dicke eines bestimmten Materials einen geeigneten Bereich der Schweißgeschwindigkeit, und bei maximaler Schmelztiefe kann der entsprechende Geschwindigkeitswert erhalten werden. Abbildung 2 zeigt die Beziehung zwischen Schweißgeschwindigkeit und Schmelztiefe von 1018-Stahl.

5) Schutzgas. Bei Laserschweißprozessen wird häufig Inertgas zum Schutz des Schmelzbades verwendet. Wenn einige Materialien unabhängig von der Oberflächenoxidation geschweißt werden, wird auch kein Schutz in Betracht gezogen. Bei den meisten Anwendungen werden jedoch häufig Helium, Argon, Stickstoff und andere Gase zum Schutz verwendet, um das Werkstück vor Oxidation während des Schweißvorgangs zu schützen.

Helium lässt sich nicht leicht ionisieren (die Ionisierungsenergie ist hoch), so dass der Laser ungehindert hindurchtreten und die Strahlenergie die Oberfläche des Werkstücks erreichen kann. Es ist das wirksamste Schutzgas beim Laserschweißen, ist jedoch teurer.

Argon ist billiger und dichter und schützt daher besser. Es ist jedoch anfällig für die Hochtemperatur-Metallplasmaionisierung, die dazu führt, dass ein Teil des Strahls vom Werkstück abgeschirmt wird, die effektive Laserleistung zum Schweißen verringert und auch die Schweißgeschwindigkeit und die Tiefe der Schmelze beeinträchtigt werden. Die Oberfläche des geschweißten Teils ist bei Argonschutz glatter als bei Heliumschutz.

Stickstoff ist das billigste Schutzgas, eignet sich jedoch nicht für einige Arten des Schweißens von Edelstahl, hauptsächlich aufgrund metallurgischer Probleme, wie z. B. der Absorption, die manchmal zu Porosität in der Überlappungszone führt.

Die zweite Aufgabe der Verwendung eines Schutzgases besteht darin, die Fokussierlinse vor einer Kontamination durch Metalldämpfe und dem Zerstäuben flüssiger geschmolzener Tröpfchen zu schützen. Dies ist insbesondere beim Hochleistungslaserschweißen erforderlich, bei dem der Auswurf sehr stark ist.

Eine dritte Funktion des Schutzgases besteht darin, dass es die durch das Hochleistungslaserschweißen erzeugte Plasmaabschirmung effektiv verteilt. Der Metalldampf absorbiert den Laserstrahl und ionisiert zu einer Plasmawolke, und auch das Schutzgas um den Metalldampf wird durch die Hitze ionisiert. Ist zu viel Plasma vorhanden, wird der Laserstrahl teilweise vom Plasma verbraucht. Durch das Vorhandensein von Plasma als zweite Energie auf der Arbeitsfläche wird die Tiefe der Schmelze geringer und die Schweißbadoberfläche breiter. Die Geschwindigkeit der Elektronenkomplexierung wird erhöht, indem die Anzahl der Dreikörperkollisionen zwischen Elektronen, Ionen und neutralen Atomen erhöht wird, um die Elektronendichte im Plasma zu verringern. Je leichter das neutrale Atom ist, desto höher ist die Kollisionsfrequenz und desto höher ist die Verbindungsrate. andererseits nur die hohe Ionisierungsenergie des Schutzgases, um die Elektronendichte nicht durch die Ionisierung des Gases selbst zu erhöhen.

Wie aus der Tabelle hervorgeht, variiert die Plasmawolkengröße je nach verwendetem Schutzgas, wobei Helium am kleinsten ist, gefolgt von Stickstoff und am größten bei Verwendung von Argon. Je größer die Plasmagröße, desto geringer ist die Schmelztiefe. Der Grund für diesen Unterschied liegt zum einen im unterschiedlichen Ionisationsgrad der Gasmoleküle und zum anderen in der unterschiedlichen Diffusion des Metalldampfes aufgrund der unterschiedlichen Dichten der Schutzgase.

Helium ist am wenigsten ionisiert und hat die geringste Dichte und vertreibt den aufsteigenden Metalldampf schnell aus dem geschmolzenen Metallbecken. Daher kann die Verwendung von Helium als Schutzgas die Plasmaunterdrückung maximieren, wodurch die Schmelztiefe erhöht und die Schweißgeschwindigkeit verbessert wird; Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Fähigkeit zum Entweichen ist es nicht leicht, Porosität zu verursachen. Aufgrund unserer tatsächlichen Schweißergebnisse ist die Wirkung des Schutzes mit Argongas natürlich nicht schlecht.

Am offensichtlichsten ist die Plasmawolke in der Tiefe der Schmelze in der Zone mit niedriger Schweißgeschwindigkeit. Wenn die Schweißgeschwindigkeit zunimmt, wird ihr Einfluss abgeschwächt.

Das Schutzgas wird mit einem bestimmten Druck durch die Düsenöffnung ausgestoßen und gelangt so auf die Werkstückoberfläche. Die hydrodynamische Form der Düse und die Größe des Auslassdurchmessers sind sehr wichtig. Sie muss groß genug sein, um das versprühte Schutzgas so zu treiben, dass es die Schweißfläche bedeckt. Um die Linse jedoch wirksam zu schützen und eine Kontamination der Linse durch Metalldampf oder eine Beschädigung der Linse durch Metallspritzer zu verhindern, sollte auch die Düsengröße begrenzt sein. Auch die Strömungsgeschwindigkeit sollte kontrolliert werden, da sonst der laminare Schutzgasstrom turbulent wird und die Atmosphäre in das Schmelzbad verwickelt wird, wodurch schließlich Porosität entsteht.

Um die Schutzwirkung zu verbessern, ist auch eine zusätzliche seitliche Blasmöglichkeit vorhanden, d. h. durch eine Düse mit kleinerem Durchmesser wird das Schutzgas in einem bestimmten Winkel direkt in das tiefe geschmolzene Schweißloch geleitet. Das Schutzgas unterdrückt nicht nur die Plasmawolke auf der Oberfläche des Werkstücks, sondern beeinflusst auch das Plasma im Loch und die Bildung des kleinen Lochs, wodurch die Einschmelztiefe weiter erhöht wird und eine tiefere und breitere Schweißnaht als gewünscht erzielt wird. Diese Methode erfordert jedoch eine genaue Kontrolle der Größe und Richtung des Gasstroms, da sonst leicht Turbulenzen entstehen und das Schmelzbad beschädigt werden kann, was dazu führt, dass der Schweißprozess nur schwer zu stabilisieren ist.

6) Brennweite des Objektivs. Schweißen wird normalerweise verwendet, um die Art und Weise der Laserkonvergenz zu fokussieren, wobei die allgemeine Wahl zwischen 63 und 254 mm (2,5 bis 10 Zoll) Brennweite des Objektivs liegt. Die Größe des fokussierten Flecks ist proportional zur Brennweite. Je kürzer die Brennweite, desto kleiner der Fleck. Aber die Brennweite beeinflusst auch die Brennweite, das heißt, die Brennweite nimmt gleichzeitig mit der Brennweite zu, sodass eine kurze Brennweite die Leistungsdichte verbessern kann, aber aufgrund der geringen Brennweite muss der Abstand zwischen Linse und Werkstück genau eingehalten werden und die Schmelztiefe ist nicht groß. Aufgrund des Einflusses der während des Schweißprozesses erzeugten Spritzer und des Lasermodus beträgt die Brennweite des eigentlichen Schweißens mit der kürzesten Tiefenschärfe 126 mm (5 Zoll). Wenn die Naht groß ist oder die Schweißnaht durch Vergrößerung der Punktgröße vergrößert werden muss, kann eine Linse mit einer Brennweite von 254 mm (10 Zoll) ausgewählt werden. In diesem Fall ist eine höhere Laserausgangsleistung (Leistungsdichte) erforderlich, um einen Tiefschmelz-Kleinlocheffekt zu erzielen.

Wenn die Laserleistung 2 kW überschreitet, insbesondere beim 10,6 μm CO2-Laserstrahl, wird aufgrund der Verwendung spezieller optischer Materialien zur Bildung des optischen Systems häufig die Reflexionsfokussierungsmethode gewählt, um das Risiko einer optischen Beschädigung der Fokussierlinse zu vermeiden, wobei im Allgemeinen ein polierter Kupferspiegel für den Reflektor verwendet wird. Aufgrund der effektiven Kühlung wird es häufig für die Fokussierung von Hochleistungslaserstrahlen empfohlen.

7) Brennpunktposition. Beim Schweißen ist die Lage des Brennpunkts entscheidend, um eine ausreichende Leistungsdichte aufrechtzuerhalten. Änderungen in der Position des Fokuspunkts relativ zur Werkstückoberfläche wirken sich direkt auf die Schweißnahtbreite und -tiefe aus. Abbildung 3 zeigt die Auswirkung der Brennpunktposition auf die Tiefe der Schmelze und die Nahtbreite von 1018-Stahl. Bei den meisten Laserschweißanwendungen liegt der Brennpunkt typischerweise etwa 1/4 der gewünschten Schmelztiefe unter der Werkstückoberfläche.

8) Laserstrahlposition. Beim Laserschweißen verschiedener Materialien bestimmt die Position des Laserstrahls die Endqualität der Schweißnaht, insbesondere bei Stumpfverbindungen, die hierauf empfindlicher reagieren als Überlappungsverbindungen. Wenn beispielsweise Zahnräder aus gehärtetem Stahl an Trommeln aus Weichstahl geschweißt werden, erleichtert die richtige Steuerung der Laserstrahlposition die Herstellung einer Schweißnaht mit überwiegend kohlenstoffarmen Bestandteilen, die eine bessere Rissbeständigkeit aufweist. Bei einigen Anwendungen erfordert die Geometrie des zu verschweißenden Werkstücks eine Ablenkung des Laserstrahls um einen Winkel. Wenn der Ablenkwinkel zwischen der Strahlachse und der Verbindungsebene innerhalb von 100 Grad liegt, wird die Absorption der Laserenergie durch das Werkstück nicht beeinträchtigt.

9) Schweißstart- und -endpunkt des allmählichen Anstiegs der Laserleistung, allmähliche Abnahmekontrolle. Beim Laser-Tiefschmelzschweißen kommt es unabhängig von der Schweißnahttiefe immer zu kleinen Löchern. Wenn der Schweißvorgang beendet und der Netzschalter ausgeschaltet wird, entsteht am Ende der Schweißnaht ein Krater. Wenn die Laserschweißschicht die ursprüngliche Schweißnaht bedeckt, kommt es außerdem zu einer übermäßigen Absorption des Laserstrahls, was zu einer Überhitzung oder Porosität der Schweißnaht führt.

Um die oben genannten Phänomene zu verhindern, können die Start- und Stopppunkte der Leistung so programmiert werden, dass die Start- und Stoppzeiten der Leistung einstellbar werden, d.