Laserstrahlschweißen

Laserstrahlschweißen ( LBW ) ist ein Schweißverfahren zum Verbinden von Metall- oder Thermoplasten mittels Laser . Der Laserstrahl dient als konzentrierte Wärmequelle und ermöglicht so schmale, tiefe Schweißnähte bei hohen Schweißgeschwindigkeiten. Das Verfahren findet häufig Anwendung in Bereichen mit hohem Produktionsvolumen und hohen Präzisionsanforderungen, beispielsweise in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo Automatisierung unerlässlich ist. Es basiert auf dem Tiefschweißen.

Ähnlich wie beim Elektronenstrahlschweißen (EBW) zeichnet sich das Laserstrahlschweißen durch eine hohe Leistungsdichte (in der Größenordnung von 1 MW/cm² ⁾ aus , was zu kleinen Wärmeeinflusszonen und hohen Aufheiz- und Abkühlraten führt. Der Laserfleckdurchmesser kann zwischen 0,2 mm und 13 mm variieren, wobei für das Schweißen jedoch nur kleinere Durchmesser verwendet werden. Die Eindringtiefe ist proportional zur zugeführten Leistung, hängt aber auch von der Lage des Fokuspunktes ab : Die Eindringtiefe ist maximal, wenn der Fokuspunkt etwas unterhalb der Werkstückoberfläche liegt.

Je nach Anwendung kann ein kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahl verwendet werden. Millisekundenlange Pulse werden zum Schweißen dünner Materialien wie Rasierklingen eingesetzt, während kontinuierliche Lasersysteme für tiefe Schweißnähte verwendet werden.

Das Laserstrahlschweißen (LBW) ist ein vielseitiges Verfahren, mit dem sich Kohlenstoffstähle , hochfester, niedriglegierter Stahl (HSLA-Stähle) , Edelstahl , Aluminium und Titan schweißen lassen . Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit besteht beim Schweißen von hochkohlenstoffhaltigen Stählen die Gefahr von Rissbildung. Die Schweißnahtqualität ist hoch und vergleichbar mit der des Elektronenstrahlschweißens . Die Schweißgeschwindigkeit ist proportional zur zugeführten Leistung, hängt aber auch von der Art und Dicke der Werkstücke ab. Die hohe Leistungsfähigkeit von Gaslasern macht sie besonders geeignet für Anwendungen mit hohem Durchsatz. LBW ist insbesondere in der Automobilindustrie weit verbreitet. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Zu den Vorteilen von LBW im Vergleich zu EBW gehören:

• Der Laserstrahl kann durch Luft übertragen werden, anstatt ein Vakuum zu benötigen.
• Der Prozess lässt sich mit Robotermaschinen leicht automatisieren.
• Es werden keine Röntgenstrahlen erzeugt
• LBW führt zu qualitativ hochwertigeren Schweißnähten ^{[ 3 ].}

Eine Weiterentwicklung des Laserstrahlschweißens, das Laserhybridschweißen , kombiniert den Laser des Laserstrahlschweißens mit einem Lichtbogenschweißverfahren wie dem Metall-Schutzgasschweißen (MSG). Diese Kombination ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Positionierung, da beim MSG flüssiges Metall zum Füllen der Fuge zugeführt wird. Durch den Einsatz eines Lasers wird zudem die Schweißgeschwindigkeit im Vergleich zum herkömmlichen MSG erhöht. Auch die Schweißnahtqualität ist tendenziell höher, da die Gefahr von Hinterschneidungen reduziert wird. ^{[ 4 ]}

Obwohl Laserschweißen auch manuell durchgeführt werden kann, sind die meisten Systeme automatisiert und nutzen computergestützte Fertigungsverfahren auf Basis computergestützter Konstruktionspläne . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Laserschweißen kann auch mit Fräsen kombiniert werden, um ein fertiges Bauteil herzustellen. ^{[ 8 ]}

Im Jahr 2016 erweiterte das RepRap -Projekt, das sich ursprünglich mit der Schmelzschichtung befasste , seine Aktivitäten auf die Entwicklung von Open-Source-Laserschweißsystemen. ^{[ 9 ]} Diese Systeme sind umfassend charakterisiert und können in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt werden, während gleichzeitig die Kosten herkömmlicher Fertigungsverfahren gesenkt werden.

• Die beiden am häufigsten verwendeten Lasertypen sind Festkörperlaser (insbesondere Rubinlaser und Nd:YAG -Laser) und Gaslaser.
• Bei der ersten Art wird eines von mehreren festen Medien verwendet, darunter synthetischer Rubin ( Chrom in Aluminiumoxid ), Neodym in Glas (Nd:Glas) und die gebräuchlichste Art, Neodym in Yttrium -Aluminium- Granat (Nd:YAG).
• Gaslaser verwenden Gasmischungen wie Helium , Stickstoff und Kohlendioxid (CO2 _- Laser) als Medium.
• Unabhängig von der Art des Mediums werden jedoch bei Anregung Photonen ausgesendet und ein Laserstrahl gebildet.

Festkörperlaser arbeiten mit Wellenlängen im Bereich von 1  Mikrometer , deutlich kürzer als Gaslaser zum Schweißen. Daher müssen Anwender spezielle Schutzbrillen oder -schirme tragen, um Netzhautschäden zu vermeiden. Nd:YAG-Laser können sowohl im Puls- als auch im Dauerstrichbetrieb arbeiten, andere Lasertypen sind auf den Pulsbetrieb beschränkt. Die ursprüngliche und immer noch gängige Bauweise von Festkörperlasern besteht aus einem stabförmigen Einkristall mit einem Durchmesser von ca. 20 mm und einer Länge von ca. 200 mm, dessen Enden plan geschliffen sind. Dieser Stab ist von einer Blitzröhre mit Xenon oder Krypton umgeben . Beim Blitzen wird ein etwa zwei Millisekunden langer Lichtimpuls vom Laser emittiert. Scheibenförmige Kristalle gewinnen in der Industrie zunehmend an Bedeutung, und Blitzlampen werden aufgrund ihrer höheren Effizienz zunehmend durch Dioden ersetzt. Die typische Ausgangsleistung von Rubinlasern liegt bei 10–20 W, während Nd:YAG-Laser zwischen 0,04 und 6.000 W liefern. Zur Führung des Laserstrahls zum Schweißbereich werden üblicherweise Glasfasern eingesetzt.

Gaslaser nutzen Hochspannungs- und Niedrigstromquellen, um die Energie für die Anregung des als Lasermedium verwendeten Gasgemisches bereitzustellen. Diese Laser können sowohl im Dauerstrich- als auch im Pulsbetrieb arbeiten. Die Wellenlänge des CO₂- _{Gaslaserstrahls} beträgt 10,6 μm und liegt im tiefen Infrarotbereich, d. h. im Bereich der Wärmestrahlung. Glasfaserkabel absorbieren diese Wellenlänge und werden dadurch zerstört. Daher wird ein System mit starren Linsen und Spiegeln verwendet. Die Ausgangsleistung von Gaslasern kann deutlich höher sein als die von Festkörperlasern und bis zu 25  kW erreichen . ^{[ 10 ]}

Bei Faserlasern dient eine dotierte optische Faser als Verstärkungsmedium, in dem Laserlicht verstärkt wird. Solche Laser erreichen Leistungen von bis zu 50 kW und werden zunehmend für das robotergestützte industrielle Schweißen eingesetzt.

Moderne Laserstrahlschweißanlagen lassen sich in zwei Typen unterteilen. Beim traditionellen Typ wird der Laserstrahl entlang der Schweißnaht geführt. Dies geschieht üblicherweise mithilfe eines Roboters. In vielen modernen Anwendungen kommt das ferngesteuerte Laserstrahlschweißen zum Einsatz. Bei diesem Verfahren wird der Laserstrahl mithilfe eines Laserscanners entlang der Schweißnaht bewegt , sodass der Roboterarm der Naht nicht mehr folgen muss. Die Vorteile des ferngesteuerten Laserstrahlschweißens liegen in der höheren Geschwindigkeit und der höheren Präzision des Schweißprozesses.

Das Pulslaserschweißen bietet gegenüber dem Dauerstrichlaserschweißen (CW-Laserschweißen) Vorteile. Zu diesen Vorteilen zählen geringere Porosität und weniger Spritzer. ^{[ 11 ]} Allerdings weist das Pulslaserschweißen auch Nachteile auf, wie beispielsweise die Entstehung von Heißrissen in Aluminiumlegierungen. ^{[ 2 ]} Die thermische Analyse des Pulslaserschweißprozesses kann zur Vorhersage von Schweißparametern wie Schmelztiefe, Abkühlgeschwindigkeit und Eigenspannungen beitragen. Aufgrund der Komplexität des Pulslaserprozesses ist ein Verfahren mit einem Entwicklungszyklus erforderlich. Dieser Zyklus umfasst die Erstellung eines mathematischen Modells, die Berechnung eines thermischen Zyklus mithilfe numerischer Modellierungstechniken wie der Finite-Elemente-Methode (FEM) oder der Finite-Differenzen-Methode (FDM) oder analytischer Modelle mit vereinfachenden Annahmen sowie die Validierung des Modells durch experimentelle Messungen.

Eine Methodik, die einige der veröffentlichten Modelle kombiniert, umfasst: ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

1. Bestimmung des Wirkungsgrades der Leistungsabsorption.
2. Berechnung des Rückstoßdrucks auf Basis der Temperaturen und einer Clausius-Clapeyron-Gleichung.
3. Berechnen Sie die Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids mithilfe der Volumenmethode (VOF).
4. Berechnung der Temperaturverteilung.
5. Erhöhen Sie die Zeit und wiederholen Sie die Schritte 1–4.
6. Validierung der Ergebnisse

Nicht die gesamte Strahlungsenergie wird absorbiert und in Wärme zum Schweißen umgewandelt. Ein Teil der Strahlungsenergie wird im Plasma absorbiert, das durch Verdampfen und anschließende Ionisieren des Gases entsteht. Darüber hinaus wird die Absorptionsfähigkeit von der Wellenlänge des Strahls, der Oberflächenzusammensetzung des zu schweißenden Materials, dem Einfallswinkel und der Temperatur des Materials beeinflusst. ^{[ 11 ]}

Die Rosenthal-Punktquellenannahme führt zu einer unendlich hohen Temperaturdiskontinuität, die durch die Annahme einer Gaußverteilung behoben wird. Die Strahlungsenergie ist innerhalb des Strahls ebenfalls nicht gleichmäßig verteilt. Einige Geräte erzeugen Gaußsche Energieverteilungen, während andere bimodale Verteilungen aufweisen können. ^{[ 11 ]} Eine Gaußsche Energieverteilung lässt sich durch Multiplikation der Leistungsdichte mit einer Funktion wie dieser anwenden: ^{[ 13 ]} , wobei r der radiale Abstand vom Strahlzentrum und der Strahlradius bzw. die Spotgröße ist. ${\displaystyle f(r)=\exp(-r^{2}/a_{o}^{2})}$${\displaystyle a_{o}}$

Die Verwendung einer Temperaturverteilung anstelle der Annahme einer Punktquelle ermöglicht eine einfachere Berechnung temperaturabhängiger Materialeigenschaften wie der Absorptionsfähigkeit. Auf der bestrahlten Oberfläche tritt bei der Bildung eines Keyholes Fresnel-Reflexion auf (die nahezu vollständige Absorption der Strahlenergie durch Mehrfachreflexionen im Keyhole-Resonator). Diese kann durch die Gleichung modelliert werden , wobei ε eine Funktion der Dielektrizitätskonstante, der elektrischen Leitfähigkeit und der Laserfrequenz ist. θ ist der Einfallswinkel. ^{[ 12 ]} Das Verständnis der Absorptionseffizienz ist entscheidend für die Berechnung thermischer Effekte. ${\displaystyle \alpha _{\theta }=1-R_{\theta }=1-0.5{{1+(1-\epsilon \cos \theta )^{2} \over {1+{1+\epsilon \cos \theta )^{2}}}}+{{{\epsilon ^{2}}-2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta } \over {\epsilon ^{2}}+2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta }}}$

Laser können in zwei Modi schweißen: Leitungsschweißen und Keyhole-Schweißen. Welcher Modus aktiv ist, hängt davon ab, ob die Leistungsdichte hoch genug ist, um Verdampfung zu verursachen. ^{[ 11 ]} Der Leitungsschweißmodus tritt unterhalb des Verdampfungspunktes auf, der Keyhole-Modus oberhalb. Das Keyhole ist vergleichbar mit einer Luftblase. Diese Luftblase befindet sich in einem dynamischen Zustand. Kräfte wie der Rückstoßdruck des verdampften Metalls öffnen das Keyhole ^{[ 12 ],} während die Schwerkraft (auch hydrostatische Kräfte genannt) und die Oberflächenspannung des Metalls es zusammenziehen. ^{[ 14 ]} Bei noch höheren Leistungsdichten kann der Dampf ionisiert werden und ein Plasma bilden.

Der Rückstoßdruck wird mithilfe der Clausius-Clapeyron-Gleichung bestimmt. ^{[ 13 ]} , wobei P der Gleichgewichtsdampfdruck, T die Flüssigkeitsoberflächentemperatur, H _{_LV} die Verdampfungswärme und T_{_LV} die Gleichgewichtstemperatur an der Flüssig-Dampf-Grenzfläche ist. Unter der Annahme, dass die Dampfströmung auf Schallgeschwindigkeit begrenzt ist, ^{[ 7 ]} ergibt sich: , wobei Po der Atmosphärendruck und Pr der Rückstoßdruck ist. ${\displaystyle {dP \over dT}={d\Delta H_{LV} \over dT\Delta V_{LV}}\thickapprox {d\Delta H_{LV} \over T_{LV}V_{LV}}}$${\displaystyle P_{r}\approxeq 0.54P_{o}exp(\Delta H_{LV}{T-T_{LV} \over RTT_{LV}})}$

Dies betrifft Keyhole-Profile. Die Strömungsgeschwindigkeiten werden durch ^{[ 12 ] bestimmt.}

${\displaystyle \bigtriangledown *{\overrightarrow {v}}=0}$

${\displaystyle {\partial {\overrightarrow {v}} \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown ){\overrightarrow {v}}=-{1 \over \rho }\bigtriangledown P+v\bigtriangledown {\overrightarrow {v}}+\beta {\overrightarrow {g}}\Delta T}$

${\displaystyle {\partial F \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown )F=0}$

wobei der Geschwindigkeitsvektor ist, P = Druck, ρ = Massendichte, = Viskosität, β = thermischer Ausdehnungskoeffizient, g = Schwerkraft und F der Volumenanteil des Fluids in einer Simulationsgitterzelle ist. ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$${\displaystyle v}$

Um die Grenzflächentemperatur an der Laserauftrefffläche zu bestimmen, verwendet man eine Gleichung wie diese. , ^{[ 14 ]} wobei kn die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur vom Laser bestrahlten Oberfläche, h der konvektive Wärmeübergangskoeffizient für Luft, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante für Strahlung, ε der Emissionsgrad des zu verschweißenden Materials und q der Wärmestrom des Laserstrahls ist. ${\displaystyle k_{n}{\partial T \over \partial n}-q+h(T-T_{o})+\sigma \epsilon (T^{4}-T_{o}^{2})=0}$

Im Gegensatz zum CW-Laserschweißen (Dauerstrichlaser), bei dem ein einziger thermischer Zyklus abläuft, erzeugt das Pulslaserschweißen durch wiederholtes Auftreffen des Laserstrahls auf denselben Punkt mehrere sich überlappende thermische Zyklen. ^{[ 14 ]} Eine Möglichkeit, dies zu kompensieren, besteht darin, eine Stufenfunktion einzuführen, die den Wärmestrom bei eingeschaltetem Laserstrahl mit eins und bei ausgeschaltetem Strahl mit null multipliziert. ^{[ 13 ]} Eine Möglichkeit ^{[ 14 ]} hierfür ist die Verwendung eines Kronecker-Deltas , das den Wärmestrom q wie folgt modifiziert: , wobei δ das Kronecker-Delta und qe der experimentell bestimmte Wärmestrom ist. Das Problem dieser Methode besteht darin, dass sie den Einfluss der Pulsdauer nicht sichtbar macht. Eine Lösung ^{[ 13 ]} hierfür ist die Verwendung einer zeitabhängigen Funktion, wie beispielsweise: ${\displaystyle q=\delta *qe}$

${\displaystyle f(n)={\begin{cases}1,&{\text{if }}n/v\leq t\leq n/v+\tau \\0,&{\text{if }}n/v+\tau \leq t\leq (n+1)/v\end{cases}}}$

wobei v = Pulsfrequenz, n = 0, 1, 2, ..., v-1), τ = Pulsdauer.

Anschließend wendet man diese Randbedingung an und löst das zweite Fourier'sche Gesetz, um die innere Temperaturverteilung zu erhalten. Unter der Annahme, dass keine interne Wärmeerzeugung stattfindet, lautet die Lösung , wobei k die Wärmeleitfähigkeit, ρ die Dichte, Cp die spezifische Wärmekapazität und der Geschwindigkeitsvektor des Fluids ist. ${\displaystyle \rho C_{p}({\partial T \over \partial t}+{\overrightarrow {v}}\bigtriangledown T)=k\bigtriangledown T}$${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$

Die Inkrementierung erfolgt durch Diskretisierung der in den vorherigen Schritten dargestellten Grundgleichungen und Anwendung der nächsten Zeit- und Längenschritte.

Die Ergebnisse können durch spezifische experimentelle Beobachtungen oder Trends aus allgemeinen Experimenten validiert werden. Diese Experimente umfassten die metallographische Überprüfung der Schmelztiefe. ^{[ 8 ]}

Die Physik gepulster Laser kann sehr komplex sein, weshalb vereinfachende Annahmen getroffen werden müssen, um entweder die Berechnung zu beschleunigen oder fehlende Materialeigenschaften auszugleichen. Die Temperaturabhängigkeit von Materialeigenschaften wie der spezifischen Wärme wird vernachlässigt, um die Rechenzeit zu minimieren.

Die Flüssigkeitstemperatur kann überschätzt werden, wenn der Wärmeverlust durch Massenverlust des aus der Flüssigmetallgrenzfläche austretenden Dampfes nicht berücksichtigt wird. ^{[ 13 ]}

• Lasermetallisierung

• Cary, Howard B. and Scott C. Helzer (2005). Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. ISBN 0-13-113029-3.
• Weman, Klas (2003). Welding processes handbook. New York: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8.
• Kalpakjian, Serope and Schmid,Steven R.(2006). Manufacturing Engineering and Technology5th ed. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. ISBN 0-13-148965-8

• Dual beam laser welding; research article from the 2002 Welding JournalArchived 2021-04-10 at the Wayback Machine
• Weld morphology and thermal modeling in dual-beam laser welding; research article from the 2002 Welding JournalArchived 2021-04-10 at the Wayback Machine
• Laser welding articles from the Industrial Laser Solutions Magazine