Laserschweißen – mittlaser.de

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Der Laser bietet beim Schweißen aufgrund seiner im Grundlagenteil behandelten Eigenschaften extreme Vorteile. Korrekt angewendet lassen sich durch Laser die meisten Schweißanwendungen substituieren und deutlich verbessern. Wir unterscheiden beim Laserschweißen in drei Kategorien: Das Laserschweißen von Metallen, Laser-Kunststoffschweißen und das Schweißen mit Nanosekundenlasern. Diese Unterscheidung wurde getroffen, da sich die Verfahren grundlegend unterscheiden. Wir werden im Folgenden hauptsächlich auf das Metallschweißen eingehen und das Schweißen von Kunststoffen und das Nanosekundenschweißen in separaten Abschnitten behandeln.

Das Laserschweißen ist ein Fügeprozess, bei dem eine Stoffschlüssige Verbindung aus zwei oder mehreren Fügepartnern erzeugt wird. Die Vorteile dieses Prozesses sind:

Hohe Schweißgeschwindigkeit
Hohe Aspektverhältnisse (Schweißnahttiefe / Schweißnahtbreite)
Schweißnahtgüte
Gute Dosierbarkeit der eingebrachten Energie
reduzierte Nahtvorbereitung
gute Automatisierbarkeit
Das Fügen verschiedener Werkstoffe
Zusatzwerkstoff muss nicht verwendet werden, kann aber zur Überbrückung hoher Spaltmaße oder dem Auftragsschweißen Anwendung finden.

Der Laserstrahl wird absorbiert und die Wärme wird vom Festkörper weitergeleitet. Ist genug Energie im System beginnt das Material lokal zu schmelzen und es entsteht ein Schmelzbad. Bei ausreichend hoher Intensität der Bestrahlung beginnt im Schmelzbad ein teil des Materials zu verdampfen und es entsteht ein Keyhole. In dieses Keyhole kann der Laserstrahl besser einkoppeln, durch die Mehrfachreflexion und dadurch entstehende mehrfache Absorption der Strahlung an den Wänden dieses Lochs.
Dieser Effekt wird als Tiefschweißeffekt bezeichnet.
Nach dem die Bestrahlung des Materials vorbei ist (Prozessende oder Umpositionierung des Laserstrahls auf dem Werkstück) schließt sich das entstandene Keyhole und die Schmelze erstarrt aufgrund der Wärmeleitung in sich selbst und die Wärmeabgabe an die Umgebung des Werkstücks. Übrig bleibt eine lasergeschweißte Schweißnaht.

Quelle: Lasertechnik für die Fertigung, Reinhart Poprawe, Springer 2005 S.258

Die erzielte Einschweißtiefe ist Intensitätsgesteuert. In nebenstehendem Diagramm kann man den Qualitativen Verlauf erkennen. Selbstverständlich sind die konkreten Werte von vielen anderen Einflussfaktoren abhängig, diese wurden bei dieser Betrachtung allerdings konstant gehalten.
Erkennbar ist, dass es ab einer Intensität von 10⁶ W/cm² zu einem Sprunghaften Anstieg der Einschweißtiefe kommt. Ab diesem Punkt fängt ein Teil Materials im Schmelzbad an zu verdampfen und es entsteht der besprochene Dampfkanal. In dieses Keyhole kann der Laserstrahl besser einkoppeln, durch die Mehrfachreflexion der Strahlung an den Wänden dieser Kapillare.
Dieser Effekt wird als Tiefschweißeffekt bezeichnet.
Nachstehend werden nun schematisch die 3 entstehenden Schweißnahtquerschliffe gezeigt die beim Wärmeleitungsschweißen, in der Übergangszone der Regime und dem Tiefschweißen entstehen.

Die sich bei jedem Prozess ausbildende Schweißwurzel ist zusammengesetzt aus einem Anteil der durch das Wärmeleitungsschweißen entsteht und bei ausreichend hoher Intensität mit einer Tiefschweißwurzel. Im Bereich des starken Anstiegs der Einschweißtiefe entsteht eine V-förmige Schweißwurzel. Diese Querschnitte entstehen aus dem Grund, dass auch beim Tiefschweißen kontinuierlich Wärme in das Schmelzbad eingebracht wird, wodurch dieses durch die innere Konvektion und Wärmeleitung mit der Zeit wächst.

Laser können, wie im Grundlagenteil beschrieben, gepulst oder kontinuierlich betrieben werden. Somit gibt es auch hier wieder unterschiedliche Varianten zu schweißen mit ihren Vor- und Nachteilen. Um diese nachzuvollziehen, wollen wir erstmal verstehen, was die zwei Varianten voneinander unterscheidet. Beim CW-Schweißen ist der Laser die gesamte Zeit des Prozesses an und gibt Strahlung aus. Daraus ergibt sich, dass wir bei einem angenommenen festen Spotdurchmesser das Prozessergebnis im wesentlichen durch die Leistung, die Verfahrgeschwindigkeit und die Schutzgaszufuhr beeinflussen können. Wird ein gepulster Laserstrahl verwendet, dann ergeben sich drei weitere Parameter. Diese sind Pulsdauer, Pulswiederholfrequenz (Rep-Rate) und Pulsform. Die Pulsformung wird noch in einem Separaten Artikel behandelt, deshalb lassen wir sie vorerst außer Acht.
Schweißen wir gepulst, dann lässt sich jeder Puls als einzelner Schweißprozess verstehen. Innerhalb dieses Pulses wird das Material erhitzt, erschmolzen und intensitätsabhängig verdampft (Keyhole). Zwischen zwei Pulsen verfliegen Plasma und Dampf, das Material rekristallisiert und der Prozess beginnt beim nächsten Puls erneut. Lediglich ein gewisses Maß an Wärme in Form einer erhöhten Temparatur des Grundwerkstoffes verbleiben im Material. Man kann sagen, dass die gepulsten Prozesse im Normalfall folgende Unterschiede zum Schweißen im Dauerstrichbetrieb haben:

langsamere Schweißgeschwindigkeit
geringere Einschweißtiefe
Flexibler durch mehr Parameter
mit Pulsüberhöhung geringere mittlere Leistung
reduzierte Wärmebeeinflussung und Verzug
konstantere Prozessführung
bei filigranen Bauteilen höhere Einschweißtiefen möglich als bei cw
geringere Spaltüberbrückung
geringere Abhängigkeit von Schutzgas
bessere Eignung beim Schweißen verschiedener Materialien oder unterschiedlichen Materialquerschnitten
geringere Dichtigkeitsanforderungen erfüllbar
Nahtrauheiten höher
Nahtschuppung flexibel

Erkennbar ist also, dass es einen beträchtlichen Unterschied macht, für welches Lasersystem man sich für seine Bandbreite an Anwendungen entscheidet. Auch zukünftige mögliche Anforderungen sollten hier mit in Betracht gezogen werden.

Aufgrund der großen Unterschiede zwischen gepulstem und cw- Schweißen gibt es die Variante der Mehrstufigen Schweißprozesse. Bei diesen Prozessen werden die Vorteile beider Prozesse vereint, sodass sich die Nachteile gegenseitig aufheben. Ein mehrstufiger Schweißprozess könnte beispielsweise Heften, Tiefschweißen und Glätten sein. Diese Option ist oft gewählt um Verzüge bei Bauteilen zu reduzieren oder um eine sehr ebene glatte Schweißnaht zu erhalten. Ein anderer Anwendungsfall ist bei Bauteilen, die keine hohen Verfahrgeschwindigkeiten zulassen. Die Einschweißtiefe ist abhängig von der Intensität. Haben wir beispielsweise auf einer Rundachse ein Teil mit geringem Durchmesser, können wir im cw nicht die erforderlichen Schweißgeschwindigkeiten erreichen um die entsprechende Leistung umzusetzen, die für einen cw Prozess hier erforderlich wäre. Der Weg der nun gegangen werden kann ist das Bauteil gepulst zu schweißen, auf diese Weise kann über die Leistung und die Pulsdauer die Einschweißtiefe und Schweißnahtbreite eingestellt werden und die Pulswiederholfrequenz an die mögliche Verfahrgeschwindigkeit angepasst werden. Im zweiten Schritt kann nun mit sehr geringer Leistung im cw Prozess oberflächlich umgeschmolzen werden um eine glatte Naht zu erzeugen. Somit wurden die Vorteile beider Prozessvarianten optimal genutzt und die jeweiligen Nachteile kompensiert.

Laserschweißprozesse werden eingestellt anhand von Parametern. Den Einfluss dieser Parameter werden wir in diesem Abschnitt besprechen. Selbstverständlich ist nie ein Parameter allein für eine bestimmte Änderung des Prozessergebnisses zuständig. Alle Parameter sind in irgendeiner Form miteinander verknüpft. Diese Einflüsse und ihre Ausprägung sind letztlich vom individuellen Schweißprozess und dem gewünschten Bearbeitungsergebnisses abhängig. Dennoch soll in diesem Abschnitt ein Verständnis für die Parameter erzeugt werden, da dieses elementar ist, für das generelle Verständnis.

Die Leistung bestimmt über die Intensität, wie tief eingeschweißt werden kann. Sie bestimmt in gleichem Maße auch wie breit ich meinen Strahldurchmesser wählen kann und variiert auf diese weise die Schweißnahtbreite. Ebenso gilt der Zusammenhang, je schneller bei einer gegebenen Einschweißtiefe verfahren wird, desto mehr Leistung wird benötigt.

Der Spotdurchmesser gibt vor, wie breit die Schweißnaht wird und somit auch indirekt, welche Spaltmaße noch verschweißt werden können. Er beeinflusst die Intensität und somit auch die Einschweißtiefe. bei gleicher Leistung gilt, je kleiner der Spot, desto tiefer die Schweißnaht. Ein größerer Spotdurchmesser wird oft erzielt durch das Defokussieren. Das ist meist die praktikabelste Lösung, vor allem bei mehrstufigen Prozessen.

Durch die Fokuslage wird die Nahtgeometrie beim Tiefschweißen eingestellt. Die Dampfkapillare lässt zwar Laserstrahlung tiefer ins Werkstück einstrahlen, schwächt diese aber dennoch ab. Je länger der Weg der Strahlung entlang der Kapillare ist, desto stärker wird sie abgeschwächt. Kompensieren kann man diesen Effekt etwas, indem man den Fokus etwas ins Material hineinlegt. Somit geht entlang der Dampfkapillare trotzdem Leistung verloren, allerdings wird das etwas kompensiert durch die Verringerung des Fokusdurchmessers. Es entstehen auf diese weiße homogenere Schweißnahtquerschnitte entlang der Schweißnahttiefe.
Auch wird die Poren- und Lunkerbildung auf diese Weise beeinflusst, da der Schweißprozess homogener verläuft und auch Spritzerbildung lässt sich auf diese Weise beeinflussen.

Die Pulsdauer $\tau$ gibt an, wie lang der Schweißprozess stattfindet. Sie beeinflusst den Wärmeleitungsanteil der Schweißnaht und auf diese Weise auch die Nahtgeometrie. Außerdem beeinflusst sie auf diese Weise die gesamte ins Werkstück eingebrachte Energie. Bei der Pulsdauer gibt es untere Grenzwerte, da man bei zu geringer Pulsdauer Material abträgt (Bohrprozess) anstatt zu Schweißen.
Bei CW Prozessen gibt es keine Pulsdauer, allerdings kann man hier ein Äquivalent ansetzen zu Vergleichszwecken. Dieses Äquivalent wird aus dem Spotdurchmesser und der Verfahrgeschwindigkeit errechnet und entspricht der Verweildauer. Es wird berechnet, wie lang die selbe Fläche während des CW-Prozesses bestrahlt wird.

Pulsformung beschreibt die Variation der Leistung über den zeitlichen Verlauf eines Pulses. Auf diese Weise können verschiedene Funktionen innerhalb eines Pulses abgedeckt werden. Auf diese Weise können Prozesse feiner abgestimmt werden und stabiler aufgestellt werden.

CW oder QCW Laserpuls, Keine Variation der Leistung über die Zeit

Gaußförmiger Laserpuls, erzeugt durch Blitzlampengepumpte oder Gütegeschaltete Laser

Modulierter Puls mit der Funktion den Schweißprozess zeitlich zu steuern um Poren und Lunker zu vermeiden

Modulierter Puls mit der Funktion den Schweißprozess zeitlich zu steuern und die Beschichtung zu entfernen. Vermeidung von Anbindungsfehlern, Poren und Lunkern.

Die Pulswiederholfrequenz f gibt an, wie viele Pulse pro Sekunde ausgegeben werden. Auf diese Weise wird sowohl der Wärmeeintrag als auch die erreichbare Verfahrgeschwindigkeit durch diesen Parameter beeinflusst. So kann in Verbindung mit der Pulsdauer der Duty-Cycle errechnet werden. $\frac{f} {\tau} * 100 \%= DC$
Dieser gibt an, in wieviel Prozent der Zeit Strahlung ausgegeben wird. Je größer dieser Wert wird, desto kürzer werden die Zeiträume, in denen der Schweißbereich seine aufgenommene Wärmeenergie abgeben kann. Somit wird die durchschnittliche Temperatur und damit die Wärmebeeinflussung in dem Bereich erhöht.
Die Limitierung der Verfahrgeschwindigkeit durch die Pulswiederholfrequenz resultiert aus dem benötigten Pulsabstand $p= \frac {v}{f}$ .