Laserschweißen

Beim Laserschweißverfahren wird ein konzentrierter Lichtstrahl mit hoher Energiedichte (Strahldurchmesser 0,1 ... 2 mm) zum Verbinden von Teilen verwendet. Je nach Art des Lichtstrahls kann das Laserschweißen gepulst und kontinuierlich erfolgen. Punktverbindungen werden gepulst geschweißt, für kontinuierliche Nähte wird gepulst-periodische oder kontinuierliche Strahlung verwendet. Impulsschweißen kommt auch dann zum Einsatz, wenn minimale Verformungen durch Temperaturerwärmung und eine hohe Genauigkeit kontinuierlich gewährleistet werden müssen – beim Hochgeschwindigkeitsschweißen in der Serien- oder Massenproduktion.

Mit dem Laserschweißen werden verschiedene Materialien verbunden: Stahl, Titan, Aluminium, hochschmelzende Metalle, Kupfer, Metalllegierungen, Edelmetalle, Bimetalle, mit einer Dicke von mehreren zehn bis mehreren Millimetern. Allerdings ist das Laserschweißen von reflektierenden Metallen wie Aluminium und Kupfer etwas schwierig. Das Laserschweißen von Metallen ist in Abb. dargestellt. 2.

Das Schweißen aktiver Metalle erfolgt unter Verwendung von Schutzgas in Form eines Strahls, der auf den Bereich der Lichtstrahleinwirkung gerichtet ist.

Foto 1 – Schweißen im Festkörperlaser: 1 – aktives Medium (Rubin, Granat, Neodym), 2 – Pumplampe, 3 – undurchsichtiger Spiegel, 4 – durchscheinender Spiegel, 5 – optische Faser, 6 – optisches System, 7 – Detail, 8 – Laserstrahl im Fokuspunkt, 9, 10 – Laserstrahlteiler.

Foto 2 – Schweißbarkeit von Materialien

Je nach Eindringtiefe gibt es drei Arten des Laserschweißens:

1) Mikroschweißen (weniger als 100 Mikrometer),

2) Minischweißen (0,1 ... 1 mm),

3) Makroschweißen (mehr als 1 mm).

Da die Eindringtiefe in der Regel nicht mehr als 4 mm beträgt, wird das Laserschweißen vor allem im Präzisionswerkzeugbau, bei der Herstellung von elektronischen Geräten, Uhren, im Flugzeugbau, in der Automobilindustrie, beim Rohrschweißen und auch in vielen Bereichen eingesetzt der Schmuckindustrie.

Vor dem Stumpfschweißen und Überlappen auf einen Spalt von 0,1 ... 0,2 mm achten. Bei großen Lücken kann es zu Burnout und mangelnder Synthese kommen.

Die Hauptparameter des Laserschweißmodus sind:

1) Pulsdauer und Energie,

2) Pulsfrequenz,

3) der Durchmesser des Lichtstrahls,

4) der Abstand vom kleinsten Teil des fokussierten Strahls zur Oberfläche,

5) Schweißgeschwindigkeit. Es erreicht 5 mm/s. Um die Geschwindigkeit zu erhöhen, wird die Pulsfrequenz erhöht oder der kontinuierliche Modus verwendet.

Die Industrie verwendet zum Laserschweißen zwei Arten von Lasern:

1) Festkörperlaser – Rubin-, Neodym- und YAG-Laser (basierend auf Yttrium-Aluminium-Granat);

2) Gas-CO2-Laser.

In letzter Zeit sind auch Laserschweißgeräte aufgetaucht, deren aktives Element eine optische Faser aus Quarz ist.Solche Laser ermöglichen das Schweißen von „problematischen“ Materialien – Kupfer und Messing mit hohem Reflexionsvermögen, Titan.

Die Fähigkeiten verschiedener Laserschweißmaschinen sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.

Beispiele für CO2-Gaslaserschweißmodi sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 1 – Blechdicke und Schweißlaserleistung

Tabelle 2 – Anwendbarkeit von Lasern

Tabelle 3 – Arten des Laserstumpfschweißens mit einem Gaslaser

Der Durchmesser des Laserstrahls beträgt üblicherweise 0,3 mm. Stumpfschweißnähte, die mit einem Strahl kleiner als 0,3 mm geschweißt werden, können mangelnde Haftung und mangelnde Durchdringung aufweisen. Das Schweißen mit Lasern bis 10 kW erfolgt in der Regel ohne Zusatzwerkstoff.

Aufgrund der kleinen Wärmeeinwirkungsfläche beim Laserschweißen kühlt die Schweißnaht sehr schnell ab. Dies kann sowohl negative als auch positive Folgen für die Qualität der Schweißverbindung haben. Viele Metalle bieten die besten physikalischen und mechanischen Eigenschaften bei schneller Abkühlung der Verbindungen. Beim Schweißen von Edelstahl kann es jedoch zum Bruch der Schweißnaht kommen. Durch Erhöhen der Impulsbreite auf 10 ms und Vorheizen kann dieses Phänomen beseitigt werden.

Mit der richtigen Wahl der Schweißmaterialien und -modi entstehen beim Laserschweißen Nähte von höchster Qualität.

Lasersysteme können in 3 Kategorien unterteilt werden:

1) Gehäusegeräte. Bei solchen Geräten werden die Werkstücke in einem speziellen geschlossenen Raum mit einer schützenden neutralen Atmosphäre und einem Laserstrahl platziert. Über ein spezielles optisches System kann der Schweißer den Schweißprozess steuern und überwachen.

2) Geräte zum Schweißen im Freien.Der Laserstrahl verfügt über mehrere Freiheitsgrade und erzeugt programmierte Bewegungen. Die Schweißzone wird durch einen Gasstrom geschützt.

3) Geräte zum manuellen Laserschweißen. Laserbrenner sind WIG-Schweißbrennern sehr ähnlich. Der Laserstrahl wird über eine optische Faser zum Brenner übertragen. Beim Schweißen hält der Schweißer in einer Hand den Laserbrenner und in der anderen den Zusatzwerkstoff.

Tabelle 4 – Vergleich verschiedener Arten des Laserschweißens

Zu den Vorteilen des Laserschweißens gehören:

1) ein kleiner Bereich der thermischen Wirkung des Laserstrahls auf das Material und dadurch unbedeutende thermische Verformungen;

2) die Möglichkeit des Schweißens an schwer zugänglichen Stellen in einer für Laserstrahlung transparenten Umgebung (Glas, Flüssigkeiten, Gase);

3) Schweißen magnetischer Materialien;

4) kleiner Durchmesser des Lichtstrahls, Möglichkeit des Mikroschweißens, schmale Schweißnaht mit guten ästhetischen Eigenschaften;

5) die Fähigkeit, den Prozess zu automatisieren;

6) flexible Manipulation des Lichtstrahls durch optische Übertragung;

7) die Vielseitigkeit der Laserausrüstung (die Möglichkeit der Verwendung zum Laserschweißen und -schneiden, Markieren und Bohren);

8) die Möglichkeit, verschiedene Materialien zu verschweißen.

Nachteile des Laserschweißens:

1. Hohe Kosten und Komplexität der Laserausrüstung.

2. Hohe Anforderungen an die Vorbereitung und Reinigung der Schweißkanten.

3. Unmöglichkeit des Schweißens dickwandiger Teile, unzureichende Leistung.Die Leistungssteigerung von Schweißlasern wird dadurch begrenzt, dass bei stärkerer Einwirkung des Laserstrahls auf das Metall dieser aktiv in der Schweißzone gestreut wird, was das optische System des Gerätes beschädigt und den Laser innerhalb weniger Stunden deaktiviert .