Laserschweißen kann mit einem kontinuierlichen oder gepulsten Lasergenerator realisiert werden. Das Prinzip des Laserschweißens lässt sich in Wärmeleitungsschweißen und Lasertiefenschweißen unterteilen. Bei einer Leistungsdichte unter 10⁴–10⁵ W/cm² spricht man von Wärmeleitungsschweißen. Hierbei ist die Schmelztiefe gering und die Schweißgeschwindigkeit langsam. Bei einer Leistungsdichte über 10⁵–10⁷ W/cm² wölbt sich die Metalloberfläche unter Wärmeeinwirkung in sogenannte „Schlüssellöcher“ und es entsteht Tiefenschweißung. Dieses Verfahren zeichnet sich durch hohe Schweißgeschwindigkeit und ein großes Verhältnis von Tiefe zu Breite aus.
Heute werden wir uns hauptsächlich mit den wichtigsten Faktoren befassen, die die Qualität des Lasertiefschweißens beeinflussen.
1. Laserleistung
Beim Lasertiefschweißen werden sowohl die Eindringtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit durch die Laserleistung bestimmt. Die Schweißtiefe ist direkt proportional zur Strahlleistungsdichte und hängt von der einfallenden Strahlleistung und dem Brennfleck ab. Generell gilt: Bei einem bestimmten Laserstrahldurchmesser nimmt die Eindringtiefe mit steigender Strahlleistung zu.
2. Brennpunkt
Die Strahlfleckgröße ist eine der wichtigsten Variablen beim Laserschweißen, da sie die Leistungsdichte bestimmt. Ihre Messung stellt jedoch bei Hochleistungslasern eine Herausforderung dar, obwohl zahlreiche indirekte Messverfahren zur Verfügung stehen.
Die beugungsbegrenzte Brennfleckgröße lässt sich mithilfe der Beugungstheorie berechnen. Aufgrund von Fokusreflexionen ist die tatsächliche Brennfleckgröße jedoch größer als der berechnete Wert. Die einfachste Messmethode ist die Isotemperaturprofilmethode. Dabei werden der Durchmesser des Brennflecks und die Perforation gemessen, nachdem dickes Papier verbrannt und durch eine Polypropylenplatte hindurchgestoßen wurde. Mit dieser Methode lassen sich durch praktische Messungen die Laserleistung und die Einwirkzeit des Strahls bestimmen.
3. Schutzgas
Beim Laserschweißen werden häufig Schutzgase (Helium, Argon, Stickstoff) eingesetzt, um das Schmelzbad zu schützen und die Oxidation des Werkstücks während des Schweißprozesses zu verhindern. Ein weiterer Grund für den Einsatz von Schutzgasen ist der Schutz der Fokussierlinse vor Verunreinigungen durch Metalldämpfe und Spritzern durch Flüssigkeitströpfchen. Insbesondere beim Hochleistungslaserschweißen ist der Materialauswurf sehr intensiv, weshalb der Schutz der Linse unerlässlich ist. Drittens trägt das Schutzgas effektiv zur Zerstäubung des beim Hochleistungslaserschweißen entstehenden Schutzplasmas bei. Die Metalldämpfe absorbieren den Laserstrahl und ionisieren zu einer Plasmawolke. Das Schutzgas um die Metalldämpfe ionisiert aufgrund der Hitze ebenfalls. Bei zu viel Plasma wird der Laserstrahl teilweise vom Plasma absorbiert. Da Plasma als zweite Energiequelle auf der Werkstückoberfläche vorhanden ist, verringert sich die Schweißtiefe, und die Schmelzbadfläche vergrößert sich.
Wie wählt man das richtige Schutzgas aus?
4. Absorptionsrate
Die Laserabsorption des Materials hängt von einigen wichtigen Materialeigenschaften ab, wie z. B. Absorptionsrate, Reflexionsvermögen, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur und Verdampfungstemperatur. Von all diesen Faktoren ist die Absorptionsrate der wichtigste.
Zwei Faktoren beeinflussen die Absorptionsrate des Laserstrahls im Material. Erstens der Widerstandskoeffizient des Materials. Es hat sich gezeigt, dass die Absorptionsrate proportional zur Quadratwurzel des Widerstandskoeffizienten ist, und dass der Widerstandskoeffizient temperaturabhängig ist. Zweitens hat die Oberflächenbeschaffenheit des Materials einen wesentlichen Einfluss auf die Absorptionsrate des Laserstrahls, was wiederum einen signifikanten Einfluss auf das Schweißergebnis hat.
5. Schweißgeschwindigkeit
Die Schweißgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Einbrandtiefe. Eine höhere Geschwindigkeit führt zu einer geringeren Einbrandtiefe, eine zu niedrige Geschwindigkeit hingegen zu übermäßigem Materialaufschmelzen und Durchschweißen des Werkstücks. Daher existiert für jedes Material mit einer bestimmten Laserleistung und einer bestimmten Dicke ein optimaler Schweißgeschwindigkeitsbereich, bei dem die maximale Einbrandtiefe erreicht wird.
6. Brennweite der Fokuslinse
Im Schweißpistolenkopf ist üblicherweise eine Fokussierlinse installiert. Typischerweise wird eine Brennweite von 63–254 mm (Durchmesser 2,5–10 Zoll) gewählt. Die Größe des Fokusflecks ist proportional zur Brennweite: Je kürzer die Brennweite, desto kleiner der Fleck. Die Brennweite beeinflusst jedoch auch die Schärfentiefe. Diese nimmt mit der Brennweite zu, sodass eine kurze Brennweite zwar die Leistungsdichte erhöht, aber aufgrund der geringen Schärfentiefe der Abstand zwischen Linse und Werkstück präzise eingehalten werden muss und die Einbrandtiefe geringer ist. Aufgrund von Spritzern und dem Einfluss des Lasermodus während des Schweißens beträgt die kürzeste in der Praxis verwendete Schärfentiefe meist 126 mm (Durchmesser 5 Zoll). Eine Linse mit 254 mm Brennweite (Durchmesser 10 Zoll) kann gewählt werden, wenn die Schweißnaht groß ist oder die Schweißnaht durch Vergrößerung des Fokusflecks verstärkt werden soll. In diesem Fall ist eine höhere Laserleistung (Leistungsdichte) erforderlich, um einen tiefen Einbrand zu erzielen.
Weitere Fragen zu Preis und Konfiguration von handgeführten Laserschweißgeräten
Veröffentlichungsdatum: 27. September 2022