Laserschweißen ist ein wichtiger Anwendungsbereich der Laserbearbeitungstechnologie und zugleich die vielversprechendste und aufsehenerregendste Schweißtechnologie des 21. Jahrhunderts. Im Vergleich zu traditionellen Schweißverfahren bietet Laserschweißen zahlreiche Vorteile, darunter eine höhere Schweißqualität und eine schnellere Effizienz. Die Laserschweißtechnologie findet bereits breite Anwendung in der Fertigung, der Pulvermetallurgie, der Automobilindustrie, der Elektronikindustrie, der Biomedizin und weiteren Bereichen.
Gemäß dem Entstehungsmechanismus des Schmelzbades gibt es beim Laserschweißen zwei grundlegende Schweißverfahren: Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen (mit kleinen Löchern). Beim Wärmeleitungsschweißen wird die Wärme durch Wärmeleitung auf das Werkstück übertragen, sodass die Schweißnahtoberfläche schmilzt. Verdampfung tritt praktisch nicht auf. Dieses Verfahren wird häufig zum Schweißen von dünnwandigen Bauteilen bei niedrigen Geschwindigkeiten eingesetzt. Beim Tiefschweißen verdampft das Material und es entsteht eine große Menge Plasma. Aufgrund der hohen Hitze bilden sich Löcher im vorderen Bereich des Schmelzbades. Tiefschweißen ermöglicht ein vollständiges Verschweißen des Werkstücks, erfordert eine hohe Energiezufuhr und ermöglicht hohe Schweißgeschwindigkeiten. Es ist das am weitesten verbreitete Laserschweißverfahren.
Es gibt viele Prozessparameter, die die Qualität des Laserschweißens beeinflussen, wie z. B. Leistungsdichte, Laserpulsform, Defokussierung, Schweißgeschwindigkeit und Hilfsblasgas.
1. Laserleistungsdichte Die Leistungsdichte ist einer der wichtigsten Parameter bei der Laserbearbeitung. Bei hoher Leistungsdichte kann die Oberflächenschicht innerhalb von Mikrosekunden bis zum Siedepunkt erhitzt werden, wodurch eine große Menge an Material verdampft. Daher ist eine hohe Leistungsdichte sehr vorteilhaft für abtragende Verfahren wie Stanzen, Schneiden und Gravieren. Bei niedriger Leistungsdichte dauert es mehrere Millisekunden, bis die Oberflächentemperatur den Siedepunkt erreicht. Bevor die Oberflächenschicht verdampft, erreicht die darunterliegende Schicht den Schmelzpunkt, was die Bildung einer guten Schweißverbindung begünstigt. Daher liegt der optimale Leistungsdichtebereich beim Wärmeleitungs-Laserschweißen zwischen 10⁴ und 10⁶ W/cm².
2. Laserpulsform
Die Form des Laserpulses ist nicht nur ein wichtiger Parameter zur Unterscheidung zwischen Materialabtrag und Materialschmelzen, sondern auch ein Schlüsselfaktor für die Bestimmung des Volumens und der Kosten der Bearbeitungsanlagen. Trifft ein hochenergetischer Laserstrahl auf die Materialoberfläche, werden 60–90 % der Laserenergie reflektiert und gehen verloren. Dies gilt insbesondere für Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Titan und andere Materialien, die eine starke Reflexion und einen schnellen Wärmetransport aufweisen. Das Reflexionsvermögen eines Metalls ändert sich während eines Laserpulses. Steigt die Oberflächentemperatur des Materials bis zum Schmelzpunkt, sinkt das Reflexionsvermögen rapide ab. Im geschmolzenen Zustand stabilisiert sich das Reflexionsvermögen auf einem bestimmten Wert.
3. Pulsbreite Die Pulsbreite ist ein wichtiger Parameter beim Pulslaserschweißen. Sie beeinflusst die Einbrandtiefe und die Wärmeeinflusszone. Je länger die Pulsbreite, desto größer die Wärmeeinflusszone, und die Einbrandtiefe steigt mit der halben Leistung der Pulsbreite. Allerdings reduziert eine größere Pulsbreite die Spitzenleistung. Daher wird sie üblicherweise beim Wärmeleitungsschweißen eingesetzt, was zu einer breiten und flachen Schweißnaht führt und sich besonders für Überlappungsschweißungen dünner und dicker Bleche eignet. Eine geringere Spitzenleistung führt jedoch zu übermäßiger Wärmeeinbringung. Für jedes Material gibt es eine optimale Pulsbreite, die den Einbrand maximiert.
4. Beim Defokussierungs-Laserschweißen ist üblicherweise ein gewisser Defokus erforderlich, da die Leistungsdichte im Fokuspunkt zu hoch ist und leicht zu Durchschlägen führen kann. Die Leistungsdichteverteilung ist in den Ebenen außerhalb des Fokuspunkts relativ gleichmäßig. Es gibt zwei Defokussierungsmethoden: positive und negative Defokussierung. Liegt die Fokusebene oberhalb des Werkstücks, spricht man von positiver Defokussierung; andernfalls von negativer. Gemäß der Theorie der geometrischen Optik ist die Leistungsdichte auf der entsprechenden Ebene annähernd gleich, wenn der Abstand zwischen der positiven bzw. negativen Defokussierungsebene und der Schweißebene gleich ist. Die tatsächliche Form des Schmelzbades unterscheidet sich jedoch. Bei negativer Defokussierung lässt sich eine größere Einbrandtiefe erzielen, was mit dem Entstehungsprozess des Schmelzbades zusammenhängt.
5. Schweißgeschwindigkeit Die Schweißgeschwindigkeit bestimmt die Oberflächenqualität, den Einbrand, die Wärmeeinflusszone usw. Sie beeinflusst den Wärmeeintrag pro Zeiteinheit. Ist die Schweißgeschwindigkeit zu gering, ist der Wärmeeintrag zu hoch, was zum Durchbrennen des Werkstücks führt. Ist die Schweißgeschwindigkeit zu hoch, ist der Wärmeeintrag zu gering, was zu einer undurchsichtigen Schweißnaht führt. Eine Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit verbessert üblicherweise den Einbrand.
6. Schutzgaszufuhr: Die Schutzgaszufuhr ist ein wesentlicher Bestandteil des Hochleistungslaserschweißens. Sie verhindert einerseits das Spritzen des Metalls und die Verschmutzung des Fokussierspiegels, andererseits, dass das beim Schweißen entstehende Plasma zu stark fokussiert wird und der Laserstrahl die Materialoberfläche erreicht. Beim Laserschweißen werden häufig Helium, Argon, Stickstoff und andere Gase zum Schutz des Schmelzbades eingesetzt, um das Werkstück vor Oxidation zu schützen. Faktoren wie die Art des Schutzgases, die Luftmenge und der Einblaswinkel beeinflussen das Schweißergebnis maßgeblich. Auch unterschiedliche Einblasmethoden wirken sich auf die Schweißqualität aus.
Helium ionisiert nicht leicht (es besitzt eine hohe Ionisierungsenergie), wodurch der Laserstrahl ungehindert hindurchtreten und die Strahlenergie die Werkstückoberfläche ungehindert erreichen kann. Es ist das effektivste Schutzgas beim Laserschweißen, jedoch relativ teuer. Argon ist günstiger und dichter und bietet daher einen besseren Schutz. Allerdings ionisiert es leicht durch das heiße Metallplasma, wodurch ein Teil des Strahls vom Werkstück abgeschirmt wird. Dies reduziert die effektive Laserleistung beim Schweißen und beeinträchtigt Schweißgeschwindigkeit und Einbrandtiefe. Schweißnähte, die mit Argon geschützt sind, weisen glattere Oberflächen auf als solche, die mit Helium geschützt sind. Stickstoff ist das günstigste Schutzgas, eignet sich jedoch aufgrund metallurgischer Probleme wie Absorption, die mitunter Poren in der Überlappungszone verursacht, nicht für alle Arten von Edelstahlschweißungen.
Als neue Schweißtechnologie zeichnet sich das Laserschweißen durch hohe Energiedichte, hohe Geschwindigkeit, hohe Präzision, tiefen Einbrand und starke Anpassungsfähigkeit aus. Seine Anwendung findet immer breitere Anwendung und trägt sowohl zur Steigerung der Produktionseffizienz als auch zur Verbesserung der Schweißqualität bei. Die Laserschweißtechnologie wird in der Materialbearbeitung zweifellos eine wichtigere Rolle spielen.
Veröffentlichungsdatum: 28. März 2023
