Laser-Technologie

1. Prinzip des Laserschweißens

Beim Laserschweißen können kontinuierliche oder gepulste Laserstrahlen eingesetzt werden. Das Prinzip des Laserschweißens lässt sich in Wärmeleitungs-Schweißen und Tiefenschweißen mit Laser unterteilen. Eine Leistungsdichte von weniger als 10 ⁴ ~10⁵ B/CM ² ist das Wärmeleitungs-Schweißen, das sich durch geringe Eindringtiefe und langsame Schweißgeschwindigkeit auszeichnet. Wenn die Leistungsdichte größer als 10 ist ⁵ ~10⁷ B/CM ² , wird die Metalloberfläche erhitzt, wodurch „Hohlräume“ entstehen und ein Tiefenschweißen mit großer Eindringtiefe gebildet wird, das sich durch hohe Schweißgeschwindigkeit und ein großes Verhältnis von Tiefe zu Breite auszeichnet.

Das Prinzip des Wärmeleitungs-Laserschweißens ist wie folgt: Die Laserstrahlung erhitzt die zu bearbeitende Oberfläche, und die Wärme diffundiert von der Oberfläche nach innen durch Wärmeleitung. Durch die Steuerung von Laserparametern wie der Pulsbreite, der Energie, der Spitzenleistung und der Wiederholungsfrequenz des Laserpulses wird das Werkstück zum Schmelzen gebracht und es bildet sich ein bestimmter Schmelzbadbereich.

Laser-Schweißmaschinen, die für das Zahnrad-Schweißen und das Schweißen metallurgischer Dünnbleche eingesetzt werden, nutzen hauptsächlich das Laser-Tiefenschweißen. Das Prinzip des Laser-Tiefenschweißens wird im Folgenden detailliert erläutert.

Das Laser-Tiefenschweißen verwendet typischerweise einen kontinuierlichen Laserstrahl, um Materialien zu verbinden. Seine metallurgisch-physikalischen Grundlagen sind der Elektronenstrahlschweißung sehr ähnlich; der Energieumwandlungsmechanismus erfolgt über eine „Schlüsselloch“-Struktur. Bei ausreichend hoher Leistungsdichte des Laserstrahls verdampft das Material und bildet ein Schlüsselloch. Dieses mit Dampf gefüllte Schlüsselloch wirkt wie ein schwarzer Körper und absorbiert nahezu die gesamte Energie des einfallenden Strahls. Die Gleichgewichtstemperatur innerhalb des Schlüssellochs erreicht etwa 2500 °C. Wärme wird von der Außenwand dieses hochtemperaturigen Schlüssellochs auf das umgebende Metall übertragen, wodurch dieses schmilzt. Das Schlüsselloch ist mit einem Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter Strahlbestrahlung entsteht. Die Wände des Schlüssellochs umgeben geschmolzenes Metall, und die flüssige Metallschicht umgibt festes Material (bei den meisten herkömmlichen Schweißverfahren und beim Laserleitungsschweißen wird die Energie zunächst auf die Werkstückoberfläche eingetragen und anschließend ins Innere weitergeleitet). Die Flüssigkeitsströmung und die Oberflächenspannung außerhalb der Schlüssellochwände halten ein dynamisches Gleichgewicht mit dem kontinuierlich erzeugten Dampfdruck innerhalb des Schlüssellochs auf. Während der Laserstrahl kontinuierlich in das Schlüsselloch eindringt, fließt das Material außerhalb des Schlüssellochs weiter. Wenn sich der Laserstrahl bewegt, bleibt das Schlüsselloch in einem stabilen Strömungszustand. Mit anderen Worten: Das Loch („keyhole“) und das es umgebende geschmolzene Metall bewegen sich mit derselben Geschwindigkeit wie der führende Laserstrahl vorwärts. Das geschmolzene Metall füllt die Lücken aus, die nach dem Vorbeiziehen des Lochs zurückbleiben, und erstarrt anschließend, wodurch eine Schweißnaht entsteht. All dies geschieht so schnell, dass Schweißgeschwindigkeiten problemlos mehrere Meter pro Minute erreichen können.

2. Wichtige Prozessparameter des Laser-Tiefenschweißens

Laserleistung

Das Laserschweißen beinhaltet eine Schwellenwert-Dichte der Laserenergie. Unterhalb dieses Schwellenwerts ist die Eindringtiefe gering; sobald dieser erreicht oder überschritten wird, nimmt die Eindringtiefe deutlich zu. Plasma entsteht nur dann, wenn die Laserleistungsdichte auf dem Werkstück diesen (werkstoffabhängigen) Schwellenwert überschreitet – dies kennzeichnet den Beginn eines stabilen Tiefenschweißens. Liegt die Laserleistung unterhalb dieses Schwellenwerts, tritt am Werkstück lediglich eine Oberflächenschmelze auf, d. h., das Schweißen verläuft im stabilen Wärmeleitungsmodus. Wenn die Laserleistungsdichte nahe der kritischen Bedingung für die Schlüssellochbildung liegt, wechseln sich Tiefenschweißen und Leitungsschweißen ab, was zu einem instabilen Schweißprozess mit starken Schwankungen der Eindringtiefe führt. Beim laserspezifischen Tiefenschweißen steuert die Laserleistung gleichzeitig sowohl die Eindringtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißnahteindringtiefe hängt unmittelbar von der Strahlleistungsdichte ab und ist eine Funktion der einfallenden Strahlleistung sowie des Strahlfokusflecks. Im Allgemeinen nimmt bei einem Laserstrahl mit bestimmtem Durchmesser die Eindringtiefe mit zunehmender Strahlleistung zu.

Strahlfokusfleck

Die Strahlfleckgröße ist eine der wichtigsten Variablen beim Laser-Schweißen, da sie die Leistungsdichte bestimmt. Die Messung dieser Größe bei Hochleistungslasern ist jedoch trotz der Existenz zahlreicher indirekter Messverfahren herausfordernd.

Die beugungsbegrenzte Fleckgröße des Laserstrahls kann auf der Grundlage der optischen Beugungstheorie berechnet werden. Aufgrund von Aberrationen in der Fokussierlinse ist die tatsächliche Fleckgröße jedoch größer als der berechnete Wert. Die einfachste praktische Messmethode ist die isotherme Profilometrie, bei der ein dickes Stück Papier verkohlt und eine Polypropylenplatte durchdrungen wird, bevor der Fokusfleck sowie der Durchmesser der Perforation gemessen werden. Diese Methode erfordert praktische Erfahrung im Umgang mit der Laserleistung und der Dauer des Strahlkontakts.

Materialabsorptionswert

Die Absorption von Laserlicht durch ein Material hängt von mehreren wichtigen Eigenschaften ab, wie beispielsweise Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur und Verdampfungstemperatur, wobei das Absorptionsvermögen die wichtigste Eigenschaft ist.

Zu den Faktoren, die das Absorptionsvermögen eines Materials gegenüber einem Laserstrahl beeinflussen, gehören zwei Aspekte: Erstens der elektrische Widerstand des Materials. Messungen am Absorptionsvermögen polierter Oberflächen zeigen, dass das Absorptionsvermögen proportional zur Quadratwurzel aus dem Widerstand ist, der wiederum temperaturabhängig variiert. Zweitens hat der Oberflächenzustand (bzw. die Glätte) des Materials einen erheblichen Einfluss auf die Strahlabsorption und beeinflusst damit maßgeblich die Schweißwirkung.

Die Ausgangs-Wellenlänge eines CO2-Lasers beträgt typischerweise 10,6 μ nichtmetallische Materialien wie Keramik, Glas, Gummi und Kunststoffe weisen bei Raumtemperatur hohe Absorptionsraten auf, während metallische Materialien bei Raumtemperatur nur schlecht absorbieren; die Absorption steigt erst stark an, sobald das Material schmilzt oder sogar verdampft. Oberflächenbeschichtungen oder Oxidschichten sind wirksame Methoden, um die Absorption des Laserstrahls durch das Material zu verbessern.

Schweißgeschwindigkeit

Die Schweißgeschwindigkeit beeinflusst die Schweißnahttiefe erheblich. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit führt zu einer geringeren Eindringtiefe, während eine zu niedrige Geschwindigkeit zu Überaufschmelzung und Durchbrennen führt. Daher gibt es für ein bestimmtes Material bei vorgegebener Laserleistung und Materialdicke einen geeigneten Bereich von Schweißgeschwindigkeiten, innerhalb dessen die maximale Eindringtiefe erreicht werden kann. Abbildung 10-2 zeigt den Zusammenhang zwischen Schweißgeschwindigkeit und Eindringtiefe für Stahl 1018.

Schutzgas

Inertgase werden üblicherweise zum Schutz der Schmelzzone beim Laserschweißen eingesetzt. Während Oberflächenoxidation bei bestimmten Werkstoffen keine Rolle spielt, werden Helium, Argon und Stickstoff in den meisten Anwendungen verwendet, um eine Oxidation des Werkstücks während des Schweißens zu verhindern.

Helium ist nur schwach ionisierbar (besitzt jedoch eine hohe Ionisierungsenergie), wodurch der Laserstrahl ungehindert hindurchtreten und die Werkstückoberfläche erreichen kann. Dies ist das wirksamste Schutzgas beim Laserschweißen, doch es ist vergleichsweise teuer.

Argon ist kostengünstiger und weist eine höhere Dichte auf, was einen guten Schutzeffekt gewährleistet. Es lässt sich jedoch durch das hochtemperaturige Metallplasma leicht ionisieren, wodurch ein Teil des Laserstrahls abgeschirmt wird und nicht mehr das Werkstück erreicht; dies verringert die effektive Laserleistung und beeinträchtigt Geschwindigkeit und Eindringtiefe beim Schweißen. Schweißnähte, die mit Argon geschützt wurden, weisen eine glattere Oberfläche als solche mit Heliumschutz auf.

Stickstoff ist das kostengünstigste Schutzgas, eignet sich jedoch aufgrund metallurgischer Probleme wie der Absorption nicht für das Schweißen bestimmter Edelstahlsorten, wodurch gelegentlich Porosität im Fügebereich entstehen kann.

Eine zweite Funktion von Schutzgasen besteht darin, die Fokussierlinse vor Kontamination durch Metall-Dampf und Spritzern von geschmolzenen Tropfen zu schützen. Dies ist insbesondere beim Hochleistungs-Laserschweißen von Bedeutung, bei dem das ausgestoßene Material sehr stark wird.

Eine dritte Funktion von Schutzgasen besteht in ihrer Wirksamkeit bei der Zerstreuung des durch das Hochleistungslaser-Schweißen erzeugten Plasmas. Metall-Dampf absorbiert den Laserstrahl und ionisiert zu einer Plasma-Wolke. Auch das Schutzgas, das den Metall-Dampf umgibt, ionisiert infolge der Erwärmung. Ist zu viel Plasma vorhanden, wird der Laserstrahl teilweise vom Plasma absorbiert. Das Plasma wirkt als sekundäre Energiequelle auf der Werkstückoberfläche und führt dadurch zu einer geringeren Schweißtiefe und einem breiteren Schweißbad. Die Elektronen-Rekombinationsrate wird erhöht, indem die Kollisionen zwischen Elektronen, Ionen und neutralen Atomen gesteigert werden, wodurch die Elektronendichte im Plasma verringert wird. Je leichter die neutralen Atome sind, desto höher ist die Kollisionsfrequenz und die Rekombinationsrate; andererseits kann nur ein Schutzgas mit hoher Ionisierungsenergie eine Erhöhung der Elektronendichte durch die Ionisierung des Gases selbst verhindern.

Die Größe der Plasma-Wolke variiert je nach verwendetem Schutzgas: Helium erzeugt die kleinste, gefolgt von Stickstoff, während Argon die größte Plasma-Wolke bildet. Eine größere Plasma-Wolke führt zu einer geringeren Schweißtiefe. Dieser Unterschied beruht hauptsächlich auf den unterschiedlichen Ionisierungsgraden der Gas-Moleküle sowie auf den Unterschieden bei der Metall-Dampf-Diffusion, die durch die verschiedenen Dichten der Schutzgase verursacht werden.

Helium weist die niedrigste Ionisierungsenergie und Dichte auf, wodurch es den aufsteigenden Metall-Dampf aus der Schmelzbadzone besonders schnell verdrängen kann. Daher unterdrückt Helium als Schutzgas das Plasma maximal, was zu einer erhöhten Schweißtiefe und höherer Schweißgeschwindigkeit führt; zudem entweicht es aufgrund seiner geringen Masse leichter, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Porenbildung sinkt. Basierend auf unseren praktischen Schweißergebnissen hat sich jedoch Argon als Schutzgas als durchaus effektiv erwiesen.

Die Auswirkung der Plasma-Wolke auf die Schweißnahttiefe ist bei niedrigen Schweißgeschwindigkeiten am ausgeprägtesten. Ihre Wirkung nimmt mit steigender Schweißgeschwindigkeit ab.

Das Schutzgas wird mit einem bestimmten Druck durch eine Düse ausgestoßen und erreicht die Werkstückoberfläche. Die hydrodynamische Form der Düse sowie der Durchmesser der Austrittsöffnung sind entscheidend. Das Schutzgas muss in ausreichendem Umfang vorhanden sein, um die Schweißstelle vollständig abzudecken; gleichzeitig muss die Düsenabmessung jedoch begrenzt bleiben, um die Linse wirksam zu schützen und eine Kontamination durch Metall-Dampf oder Beschädigung durch Metallspritzer zu verhindern. Auch die Strömungsgeschwindigkeit muss kontrolliert werden; andernfalls geht die laminare Strömung des Schutzgases in eine turbulente Strömung über, es kommt zur Einmischung von Atmosphärenluft in die Schmelzbadzone, und es bilden sich letztlich Poren.

Um die Abschirmdauer zu verbessern, kann eine zusätzliche seitliche Blas-Methode eingesetzt werden, bei der das Schutzgas über eine Düse mit kleinerem Durchmesser unter einem bestimmten Winkel direkt in das Loch („pinhole“) der Tiefenschweißnaht eingeblasen wird. Das Schutzgas unterdrückt nicht nur die Plasma-Wolke an der Werkstückoberfläche, sondern beeinflusst zudem das Plasma innerhalb des Lochs sowie die Lochbildung selbst; dadurch wird die Eindringtiefe weiter erhöht und eine Schweißnaht mit einem idealen Verhältnis von Tiefe zu Breite erreicht. Diese Methode erfordert jedoch eine präzise Steuerung von Gasdurchflussrate und -richtung; andernfalls kann leicht Turbulenz entstehen, was die Schmelzbadstabilität beeinträchtigt und den Schweißprozess instabil macht.

Brennweite des Objektivs

Während des Schweißens wird der Laser üblicherweise fokussiert, meist mithilfe von Linsen mit Brennweiten von 63–254 mm (2,5 ”~10”die Größe des fokussierten Flecks ist direkt proportional zur Brennweite; je kürzer die Brennweite, desto kleiner der Fleck. Die Brennweite beeinflusst jedoch auch die Fokus-Tiefe, d. h., die Fokus-Tiefe nimmt proportional mit der Brennweite zu. Daher kann eine kürzere Brennweite die Leistungsdichte erhöhen, doch aufgrund der geringen Fokus-Tiefe muss der Abstand zwischen Linse und Werkstück präzise eingehalten werden, und die Eindringtiefe ist ebenfalls begrenzt. Aufgrund des Einflusses von Spritzern und des während des Schweißens erzeugten Lasermodus beträgt die tatsächlich im Schweißprozess verwendete kürzeste Brennweite häufig 126 mm (5 ”wenn die Fügeverbindung groß ist oder wenn die Schweißnahtgröße durch Vergrößerung des Flecks erhöht werden muss, kann eine Linse mit einer Brennweite von 254 mm (10 ”) ausgewählt werden. In diesem Fall ist zur Erzielung des Tiefenschweiß-Effekts mit Schlüssellochbildung eine höhere Laserleistungsabgabe (Leistungsdichte) erforderlich.

Wenn die Laserleistung 2 kW überschreitet, insbesondere bei 10,6 μ cO2-Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von 10,6 µm erfordern aufgrund der Verwendung spezieller optischer Materialien im optischen System häufig eine reflektierende Fokussierung, um eine Beschädigung der Fokussierlinse durch optische Belastung zu vermeiden. Polierte Kupferspiegel werden üblicherweise als Reflektoren eingesetzt. Aufgrund ihrer effektiven Kühlungseigenschaften werden sie häufig für die Fokussierung hochleistungsfähiger Laserstrahlen empfohlen.

Fokusposition

Während des Schweißens ist die Position des Fokus entscheidend, um eine ausreichende Leistungsdichte aufrechtzuerhalten. Änderungen der relativen Position des Fokus zur Werkstückoberfläche beeinflussen unmittelbar Breite und Tiefe der Schweißnaht. Abbildung 2-6 zeigt den Einfluss der Fokusposition auf die Eindringtiefe und die Schweißnahtbreite bei Stahl 1018.

Bei den meisten Anwendungen des Laserschweißens befindet sich der Fokus typischerweise etwa ein Viertel der Werkstückdicke unterhalb der Werkstückoberfläche, um die gewünschte Eindringtiefe zu erreichen.

Laserstrahlposition

Bei der Laserstrahl-Schweißung unterschiedlicher Materialien bestimmt die Position des Laserstrahls die endgültige Schweißnahtqualität, insbesondere bei Stumpfstößen, wo sie empfindlicher ist als bei Überlappstößen. Beispielsweise führt eine präzise Steuerung der Laserstrahlposition beim Schweißen eines gehärteten Stahlzahnrads mit einer kohlenstoffarmen Stahltrommel zu einer Naht, die überwiegend aus kohlenstoffarmen Bestandteilen besteht und daher eine bessere Rissbeständigkeit aufweist. In einigen Anwendungen erfordert die Geometrie des zu schweißenden Werkstücks, dass der Laserstrahl unter einem Winkel abgelenkt wird. Liegt der Ablenkungswinkel zwischen Strahlachse und Fügeebene innerhalb von 100 Grad, bleibt die Absorption der Laserenergie durch das Werkstück unbeeinflusst.

Steuerung der Laserleistungserhöhung und -verringerung an den Anfangs- und Endpunkten der Schweißung

Bei der Laser-Tiefenschweißung existiert unabhängig von der Schweißtiefe stets das Lochphänomen („Keyhole“). Wenn der Schweißprozess beendet und der Leistungsschalter abgeschaltet wird, entsteht am Ende der Naht eine Vertiefung („Crater“). Zusätzlich kann es bei Überdeckung der ursprünglichen Naht durch die Laserschweißschicht zu einer übermäßigen Absorption des Laserstrahls kommen, was zu Überhitzung oder Porosität im Schweißgut führt.

Um diese Phänomene zu vermeiden, können die Leistungs-Anfangs- und -Endpunkte programmiert werden, sodass Anfangs- und Endzeit der Leistungsabgabe einstellbar sind. Das heißt, die Startleistung wird elektronisch innerhalb kurzer Zeit schrittweise von null auf den eingestellten Leistungswert erhöht, und die Schweißzeit wird entsprechend angepasst. Am Ende des Schweißvorgangs wird die Leistung schließlich schrittweise vom eingestellten Wert auf null abgesenkt.

3. Merkmale, Vor- und Nachteile der Laser-Tiefenschweißung

Merkmale der Laser-Tiefenschweißung

1) Hoher Schliffverhältnis. 1) **Tiefe und schmale Schweißnaht:** Da die geschmolzene Metallmasse sich um den zylindrischen Dampfraum mit hoher Temperatur bildet und sich in Richtung des Werkstücks ausdehnt, entsteht eine tiefe und schmale Schweißnaht.

2) **Minimaler Wärmeeintrag:** Aufgrund der extrem hohen Temperatur innerhalb der Öffnung erfolgt der Schmelzprozess sehr schnell, was zu einem sehr geringen Wärmeeintrag in das Werkstück führt und Verformungen durch Wärme sowie die wärmebeeinflusste Zone minimiert.

3) **Hohe Dichte:** Die mit Hochtemperaturdampf gefüllte Öffnung fördert die Durchmischung der Schweißschmelze und den Abtransport von Gasen, wodurch eine porenfreie, vollständig durchgeschweißte Naht entsteht. Die hohe Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen verfeinert zudem die Mikrostruktur der Schweißnaht.

4) **Starke Schweißnaht:** Die intensive Wärmequelle und die vollständige Absorption nichtmetallischer Bestandteile reduzieren den Verunreinigungsgehalt und verändern Größe und Verteilung der Einschlüsse im Schweißbad. Das Schweißverfahren erfordert keine Elektroden oder Zusatzdraht, wodurch die Kontamination in der Schmelzzone geringer ausfällt; dies führt dazu, dass Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht mindestens der des Grundwerkstoffs entsprechen – oder sogar darüber liegen.

5) **Präzise Steuerung:** Da der fokussierte Laserfleck sehr klein ist, lässt sich die Schweißstelle exakt positionieren. Die Laserleistung weist keine „Trägheit“ auf, sodass schnelle Stopps und Wiederaufnahmen bei hohen Geschwindigkeiten möglich sind. Die CNC-gesteuerte Strahlbewegungstechnik ermöglicht das Schweißen komplexer Werkstücke. 6) Berührungsloses Schweißverfahren unter atmosphärischen Bedingungen. Da die Energie aus einem Photonenstrahl stammt, erfolgt keinerlei physischer Kontakt mit dem Werkstück, weshalb auch keine äußere Kraft auf das Werkstück ausgeübt wird. Außerdem beeinflussen Magnetfelder und Luft den Laser nicht.

Vorteile des Laser-Tiefenschweißens

1) Aufgrund der deutlich höheren Leistungsdichte fokussierter Laser im Vergleich zu konventionellen Verfahren ist die Schweißgeschwindigkeit hoch, die Wärmeeinflusszone und die Verformung sind gering, und es können schwer schweißbare Werkstoffe wie Titan verarbeitet werden.

2) Da der Strahl leicht übertragen und gesteuert werden kann und kein häufiger Austausch von Schweißbrennern und Düsen erforderlich ist – im Gegensatz zum Elektronenstrahlschweißen, bei dem kein Vakuum erzeugt werden muss – wird die Stillstandszeit deutlich reduziert, was zu einem hohen Auslastungsgrad und einer hohen Produktivität führt.

3) Aufgrund des Reinigungseffekts und der hohen Abkühlrate weist die Schweißnaht eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Gesamtleistungsfähigkeit auf.

4) Aufgrund der niedrigen durchschnittlichen Wärmezufuhr ist die Bearbeitungsgenauigkeit hoch, wodurch Nachbearbeitungskosten gesenkt werden; zudem sind die Betriebskosten beim Laserschweißen ebenfalls geringer, was die Gesamtkosten für die Werkstückbearbeitung senkt.

5) Die Strahlintensität und die präzise Positionierung können effektiv gesteuert werden, wodurch ein automatisierter Betrieb erleichtert wird.

Nachteile des Laser-Tiefenschweißens

1) Eingeschränkte Schweißtiefe.

2) Hohe Anforderungen an die Werkstückmontage.

3) Hohe Anfangsinvestitionen in Lasersysteme.