Laser-Schweißprozess – Parameter
Ein Laserschweißsystem besteht aus einem Laser, einer Übertragungslichtfaser, einem kollimierenden Fokuskopf oder einem Galvanometer usw. Das Licht der Lichtfaser ist divergent und muss mittels einer Kollimatorlinse zu parallelem Licht kollimiert und anschließend mittels einer Fokussierlinse (Lupeffekt) fokussiert werden. Wichtige Parameter während der Inbetriebnahme des Laserprozesses sind: Leistung, Geschwindigkeit, Defokusierungsbetrag und Schutzgas.
Allgemein gesprochen muss vor der Festlegung der Parameter für ein Werkstück zunächst die Bearbeitungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Hierzu ist eine Abstimmung mit dem Kunden erforderlich, um die Geschwindigkeit anhand dessen Anforderungen festzulegen. So lässt sich beispielsweise bei Vorgaben hinsichtlich Taktzeit und Ausbringungsmenge die ungefähre Geschwindigkeit durch Rückrechnung ermitteln. Anschließend können Prozessanpassungen auf dieser Grundlage vorgenommen werden.
Im Allgemeinen führt eine zu hohe Geschwindigkeit zu einer V-förmigen Kennlinie, wie sie in der Abbildung dargestellt ist.
Leistung: Damit ist die Leistung des Laser-Schweißverfahrens gemeint, die üblicherweise über die Wellenform eingestellt wird. Das Laserschweißen ist ein Energieumwandlungsprozess, bei dem Wärme zugeführt und absorbiert wird. Daher erfordert die Steuerung von Wellenform und Leistung umfangreiche Erfahrung. Unterschiedliche Materialien, Dicken, Schweißarten und Geräte führen jeweils zu Abweichungen. Um eine optimale Leistung zu erzielen, ist besondere Aufmerksamkeit auf die Energie zu richten; Änderungen der Wellenform beeinflussen die Änderung der Energie pro Zeiteinheit. Diese Einstellung ist in der Regel in der Software enthalten und kann überwacht werden, um Erfahrungswissen darüber aufzubauen, wie verschiedene Materialien die Energieänderung beeinflussen. Die Kontrolle von Rissen ist im Allgemeinen besonders erfahrungsabhängig. Die metallographischen Merkmale, die der Leistung beim geradlinigen Nahtschweißen entsprechen, sind die Schweißtiefe und die Schweißbreite. Falls die Schweißtiefe und -breite zu gering sind, ist die Energie zu erhöhen; falls sie zu groß sind, ist die Energie zu verringern.
Unterschiedliche Leistungsstufen beeinflussen direkt die Schmelztiefe, wie in der Abbildung dargestellt – es handelt sich um ein metallographisches Diagramm der Schmelztiefe bei verschiedenen Energiepegeln.
Unzureichende Energie führt häufig zu Teilnahtstellen oder unvollständigen Schweißnähten, wie im Bild gezeigt. Nur eine geringe Oberflächenschicht schmilzt, wobei die Eindringtiefe sehr gering ist; dies erschwert es, die prozessbedingten Anforderungen zu erfüllen.
Defokussierung: Erstens ist die spezifische Energie des Laserstrahls an jeder Position nicht gleichmäßig verteilt. Die Energie ist am Fokuspunkt am stärksten konzentriert, was die kleinste Spotgröße ergibt (kleinerer Laserwirkbereich, stärker konzentrierte Energie). Daher sind alle Parameteranpassungen erst nach Bestimmung des Fokuspunkts sinnvoll. Die Ermittlung des Fokuspunkts ist daher entscheidend und stellt eine technisch anspruchsvolle Aufgabe dar.
Schutzgas: Es gibt viele Arten von Schutzgasen. In industriellen Produktionslinien wird üblicherweise Stickstoff zur Kostenkontrolle eingesetzt, während Argon das Hauptgas in Laborumgebungen ist. Helium und andere Edelgase werden ebenfalls verwendet. Im Allgemeinen kommen diese beiden Gase jedoch nur in besonderen Situationen zum Einsatz. Da das Laserschweißen ein Hochtemperatur- und heftiger Reaktionsprozess ist, schmelzen und verdampfen die Metalle. Metalle sind bei hohen Temperaturen äußerst reaktiv; sobald sie auf Sauerstoff treffen, kommt es zu einer heftigen Reaktion, die zu starkem Spritzeranfall sowie einer rauen und unebenen Schweißnahtoberfläche führt. Daher dient das Schutzgas dazu, im kleinen Bereich um die Schmelzzone herum eine sauerstofffreie Umgebung zu erzeugen, um heftige Oxidationsreaktionen zu verhindern, die zu schlechten Schweißnähten und einer rauen Oberfläche führen würden.
Wenn das Schutzgas zu stark ist, bläst es die Schmelzpfütze weg; ist es zu schwach, kann es die Schmelzpfütze nicht wirksam vor Sauerstoff schützen. Es muss flexibel an die vor Ort herrschenden Arbeitsbedingungen angepasst werden.
