Stellen Sie sich ein Schweißverfahren vor, das so präzise und leistungsstark ist, dass es Werkstoffe mit minimalem Verzug und unvergleichlicher Festigkeit verbinden kann. Das ist das Versprechen des Laser-Tiefschweißens. In diesem Artikel erfahren Sie, wie diese fortschrittliche Technik funktioniert, welche Prinzipien ihr zugrunde liegen und wie sie in verschiedenen Branchen eingesetzt werden kann. Von der Steigerung der Fertigungseffizienz bis hin zur Gewährleistung qualitativ hochwertiger Schweißnähte - Sie werden das transformative Potenzial dieser Spitzentechnologie entdecken. Tauchen Sie ein und erfahren Sie mehr über die Prozessparameter, die Vorteile und die Zukunft des Laserschweißens.
Der Prozess des Laserschweißens, hauptsächlich für das Schweißen von Blechen, kann in zwei Kategorien unterteilt werden: das kontinuierliche Faserlaserschweißen und das YAG-Pulslaserschweißen.
Basierend auf dem Prinzip des Laserschweißens kann es weiter unterteilt werden in Wärmeleitungsschweißen und Laser-Tiefschweißen. Wenn die Leistungsdichte weniger als 104 bis 105 W/cm² beträgt, spricht man vom Wärmeleitungsschweißen. Dies führt zu einem flachen Einbrand und einer langsameren Schweißgeschwindigkeit.
Bei einer Leistungsdichte von mehr als 105 bis 107 W/cm² hingegen bildet die Metalloberfläche aufgrund der Erwärmung "Löcher", was zu einem Laser-Tiefschweißen führt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine hohe Schweißgeschwindigkeit und sein großes Tiefe-Breite-Verhältnis aus.
Das Prinzip der Wärmeleitung Laserschweißen beinhaltet die Erwärmung der zu bearbeitenden Oberfläche durch Laserstrahlung, die Führung der Oberflächenwärme durch Übertragung und interne Diffusion und das Schmelzen des Werkstücks zu einem bestimmten Schmelzbad durch Steuerung der Laserparameter wie Pulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Wiederholfrequenz. Dieses Verfahren ist geeignet für dünne Blechschweißen.
Das Laser-Tiefschweißen wird hauptsächlich zum Schweißen von Getrieben und in der Metallurgie eingesetzt. BlechschweißenDer Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf dem Prinzip des Laser-Tiefschweißens.
Aluminium-Schale Lithium-Batterie oben Abdeckung Schweißen - Faser kontinuierliche Laser (neue Energie Fahrzeugzelle, meist 3-Serie Aluminium)
Beim Laser-Tiefschweißen wird ein kontinuierlicher Laserstrahl mit hoher Leistungsdichte, der in der Regel durch eine optische Faser geleitet wird, zum Verbinden von Materialien eingesetzt. Diese fortschrittliche Schweißtechnik weist Ähnlichkeiten mit dem Elektronenstrahlschweißen auf, da beide einen "Schlüsselloch"-Mechanismus für die Materialverschmelzung verwenden.
Wenn der fokussierte Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche trifft, erhitzt er das Material schnell über seinen Verdampfungspunkt hinaus und erzeugt einen engen, dampfgefüllten Hohlraum, das so genannte Keyhole. Dieses Keyhole wirkt wie ein nahezu perfekter Schwarzkörper, der die nachfolgende Laserenergie effizient absorbiert und ein tiefes Eindringen in das Material ermöglicht.
Die Temperatur innerhalb des Schlüssellochs kann 2500 °C überschreiten und liegt damit deutlich über dem Schmelzpunkt der meisten Metalle. Die Wärmeübertragung erfolgt von den Wänden des Schlüssellochs auf das umgebende Material, wodurch ein Schmelzbad entsteht, das das Schlüsselloch umgibt. Dieses Schmelzbad besteht aus einer dünnen Schicht aus flüssigem Metall, die von festem Material umgeben ist.
Das Schlüsselloch wird durch ein dynamisches Gleichgewicht zwischen mehreren Kräften aufrechterhalten:
Während der Laserstrahl das Werkstück durchquert, bewegen sich das Schlüsselloch und das zugehörige Schmelzbad im Tandem. Die vordere Kante des Schlüssellochs verdampft weiterhin Material, während die hintere Kante das geschmolzene Metall zurückfließen lässt, um den Hohlraum zu füllen. Dieses geschmolzene Metall erstarrt dann schnell und bildet die Schweißnaht.
Im Gegensatz zu konventionellen Schweißverfahren und dem Laserleitungsschweißen, bei denen die Energie an der Oberfläche deponiert und über Wärmeleitung nach innen übertragen wird, ermöglicht das Laser-Tiefschweißen eine direkte Energieeinkopplung tief in das Material. Dies führt zu:
Die hohe Energiedichte und der effiziente Kopplungsmechanismus ermöglichen Schweißgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Minute, was herkömmliche Schweißtechniken deutlich übertrifft. Darüber hinaus können die schnellen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen des Verfahrens zu einzigartigen Mikrostrukturen in der Schweißzone führen, was oft zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften führt.
Die Fähigkeit des Laser-Tiefschweißens, tiefe, schmale Schweißnähte mit minimalem Wärmeeintrag zu erzeugen, macht es besonders geeignet für das Fügen von dicken Profilen, ungleichen Materialien und hitzeempfindlichen Komponenten in Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der modernen Fertigung.
6-Serie Aluminium-Faser-CW-Laserschweißen (dies ist die Hochgeschwindigkeits-Schiene Boden)
Es gibt einen Schwellenwert für die Laserenergiedichte beim Laserschweißen. Liegt die Laserenergiedichte unter diesem Wert, ist der Einbrand nur gering. Erreicht oder übersteigt sie jedoch diesen Wert, wird der Einbrand stark verbessert.
Die Plasmabildung, die den Fortschritt einer stabilen Tiefschweißung kennzeichnet, erfolgt nur, wenn die Laserleistungsdichte auf dem Werkstück den Schwellenwert überschreitet, der vom Material abhängig ist.
Wenn die Laserleistungsdichte unter dem Schwellenwert liegt, kommt es nur zu einer Oberflächenschmelze des Werkstücks, was zu einem stabilen Wärmeleitungsschweißen führt.
Liegt die Laserleistungsdichte in der Nähe der kritischen Bedingung für die Bildung von Schlüssellöchern, wird die Schweißverfahren wird instabil, wobei sich Tiefschweißen und Leitungsschweißen abwechseln, was zu erheblichen Schwankungen der Einbrandtiefe führt.
Beim Laser-Tiefschweißen steuert die Laserleistung gleichzeitig die Einschweißtiefe und die Schweißgeschwindigkeit. Die Einschweißtiefe steht in direktem Zusammenhang mit der Strahlleistungsdichte und ist eine Funktion der einfallenden Strahlleistung und des Strahlbrennpunkts.
Im Allgemeinen nimmt die Durchdringung bei einem bestimmten Durchmesser des Laserstrahls mit zunehmender Strahlleistung zu.
Kettle Pferd - YAG-Puls-Laser-Schweißen (kann direkt das Aussehen Oberfläche)
Die Größe des Strahlflecks ist eine kritische Größe beim Laserschweißen, da sie die Leistungsdichte bestimmt. Die Messung der Strahlfleckgröße bei Hochleistungslasern ist jedoch eine schwierige Aufgabe, obwohl verschiedene indirekte Messverfahren zur Verfügung stehen.
Der Grenzwert für die Größe des Beugungsflecks im Strahlenfokus kann mit Hilfe der Lichtbeugungstheorie berechnet werden, aber die tatsächliche Größe des Flecks ist aufgrund des Vorhandenseins von Fokussierlinsenfehlern größer.
Die einfachste Messmethode ist die Methode des gleichen Temperaturprofils, bei der der Brennfleck und der Perforationsdurchmesser nach dem Brennen von dickem Papier und dem Durchdringen einer Polypropylenplatte gemessen werden.
Diese Methode erfordert die Beherrschung der Laserleistung und der Einwirkungszeit des Strahls, was durch Übung und Messung erreicht werden kann.
Die Laserabsorption von Materialien hängt von mehreren wichtigen Eigenschaften des Materials ab, wie Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur, Verdampfungstemperatur usw.
Es gibt zwei Faktoren, die das Absorptionsvermögen von Materialien für den Laserstrahl beeinflussen:
Erstens, der Widerstandskoeffizient des Materials. Nach Messung des Absorptionsvermögens der polierten Oberfläche des Materials wurde festgestellt, dass das Absorptionsvermögen des Materials direkt proportional zur Quadratwurzel des Widerstandskoeffizienten ist, der sich mit der Temperatur ändert.
Zweitens die Oberflächenbeschaffenheit des Materials, die einen erheblichen Einfluss auf das Strahlenabsorptionsvermögen und damit auf die Schweißwirkung hat.
Materialien mit hohem Reinheitsgrad und allgemeiner Leitfähigkeit, wie Edelstahl und Nickel, sind am besten zu schweißen.
Auf der anderen Seite sind hochleitfähige Materialien wie Kupfer und Aluminium sind schwer zu schweißen. Das Schweißen von Aluminium der Serie 6 und höher ist anfällig für Risse und Poren.
Die Schweißen von Kupfer hängt im Allgemeinen von den Anforderungen der Anwendung ab und kann mit YAG-Pulslasern und kontinuierlichen Faserlasern durchgeführt werden.
In der Schmuckindustrie werden Gold und Silber im Allgemeinen punktgeschweißt. Es gibt jedoch nur wenige industrielle Anwendungen für das Schweißen dieser Materialien. Der Schwerpunkt liegt hier auf den industriellen Anwendungen.
Die Ausgangswellenlänge von CO2 Lasern liegt in der Regel bei 10,6 μm. Bei Raumtemperatur ist die Absorptionsrate von nichtmetallische Werkstoffewie Keramik, Glas, Gummi und Kunststoffen ist sehr hoch, während die Absorptionsrate von metallischen Werkstoffen gering ist.
Sobald das Material jedoch geschmolzen oder sogar verdampft ist, erhöht sich seine Absorption drastisch.
Die Methode der Oberflächenbeschichtung oder der Bildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche ist sehr wirksam bei der Verbesserung der Absorption von Lichtstrahlen.
Die Schweißgeschwindigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die Einbrandtiefe. Eine höhere Geschwindigkeit führt zu einem geringeren Einbrand, aber eine zu niedrige Geschwindigkeit verursacht ein übermäßiges Schmelzen des Materials und führt zu einem zu starken Einbrand des Werkstücks.
Daher gibt es einen geeigneten Bereich von Schweißgeschwindigkeiten für ein bestimmtes Material mit einer bestimmten Laserleistung und -dicke, und der maximale Einbrand kann bei dem entsprechenden Geschwindigkeitswert erreicht werden.
Edelstahl YGA Puls Laserdraht Füllung Schweißen (es kann das Problem der großen Stumpfstoß und Aussehen zu überwinden Oberflächenbehandlung in der späteren Phase)
Beim Laserschweißen wird häufig Schutzgas verwendet, um das Schmelzbad zu schützen. In manchen Fällen ist ein Schutz nicht erforderlich, wenn das Material ohne Oberflächenoxidation geschweißt werden kann.
Bei den meisten Anwendungen werden jedoch Helium, Argon, Stickstoff oder andere Gase verwendet, um das Werkstück während des Schweißens vor Oxidation zu schützen.
Helium ist aufgrund seiner hohen Ionisierungsenergie ein wirksames Schutzgas, das den Laserstrahl reibungslos passieren und die Werkstückoberfläche ungehindert erreichen lässt. Allerdings ist es relativ teuer.
Argon ist relativ billig und hat eine hohe Dichte, die einen guten Schutz bietet. Es ist jedoch anfällig für Ionisierung durch Hochtemperatur-Metallplasma, was die effektive Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit sowie die Eindringtiefe verringert.
Die Oberfläche der mit Argon geschützten Schweißnaht ist glatter als die mit Helium geschützte Oberfläche.
Stickstoff ist das billigste Schutzgas, eignet sich aber nicht für einige Arten von Schweißen von rostfreiem Stahl aufgrund von metallurgischen Problemen, wie z. B. Absorption, die manchmal zu Poren im Überlappungsbereich führen kann.
Der zweite Grund für die Verwendung von Schutzgas ist der Schutz der Fokussierlinse vor Verunreinigungen durch Metalldampf und Flüssigkeitströpfchen, was besonders beim Laserschweißen mit hoher Leistung wichtig ist, wo die Auswürfe stärker sind.
Die dritte Funktion des Schutzgases besteht darin, die beim Hochleistungslaserschweißen entstehende Plasmaschicht zu zerstreuen. Der Metalldampf absorbiert den Laserstrahl und ionisiert ihn zu einer Plasmawolke, und das Schutzgas um den Metalldampf herum wird durch die Erwärmung ebenfalls ionisiert.
Wenn zu viel Plasma vorhanden ist, verbraucht es den Laserstrahl bis zu einem gewissen Grad. Das Plasma auf der Arbeitsfläche wirkt als zweite Energiequelle, wodurch der Einbrand flacher und die Oberfläche des Schweißbades breiter wird.
Die Rekombinationsrate der Elektronen kann erhöht werden, indem die Kollision der Elektronen mit Ionen und neutralen Atomen verstärkt wird, wodurch die Elektronendichte im Plasma verringert wird.
Je leichter das neutrale Atom ist, desto höher ist die Kollisionsfrequenz und desto höher ist die Rekombinationsrate.
Andererseits wird nur ein Schutzgas mit hoher Ionisierungsenergie die Elektronendichte durch seine eigene Ionisierung nicht erhöhen.
Atommasse (Molekulargewicht) und Ionisierungsenergie von Gasen und Metallen
| Material | Er | Ar | N | Al | Mg | Fe |
| Atommasse (Molekulargewicht) | 4 | 40 | 28 | 27 | 24 | 56 |
| Ionisierungsenergie (eV) | 24.46 | 15.68 | 14.5 | 5.96 | 7.61 | 7.83 |
Wie aus der Tabelle hervorgeht, hängt die Größe der Plasmawolke von der Art des verwendeten Schutzgases ab. Helium erzeugt die kleinste Plasmawolke, Stickstoff die zweitkleinste und Argon die größte. Je größer die Plasmawolke ist, desto geringer ist die Eindringtiefe.
Dieser Unterschied ist nicht nur auf die unterschiedlichen Ionisierungsgrade der Gasmoleküle zurückzuführen, sondern auch auf die unterschiedliche Diffusion von Metalldampf, die durch die unterschiedlichen Dichten des Schutzgases verursacht wird.
Helium hat die geringste Ionisierung und Dichte und kann den aufsteigenden Metalldampf schnell aus dem Metallschmelzbad entfernen.
Die Verwendung von Helium als Schutzgas kann daher das Plasma wirksam unterdrücken und die Eindringtiefe und Schweißgeschwindigkeit erhöhen. Außerdem ist es leicht und verursacht wahrscheinlich keine Poren.
Beim tatsächlichen Schweißen werden jedoch mit Argon als Schutzgas gute Ergebnisse erzielt. Die Auswirkung der Plasmawolke auf den Einbrand ist bei niedrigen Schweißgeschwindigkeiten am deutlichsten, und mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit nimmt ihr Einfluss ab.
Das Schutzgas wird mit einem bestimmten Druck durch eine Düse auf die Werkstückoberfläche abgegeben. Die Form der Düse und der Austrittsdurchmesser sind entscheidend, da die Düse groß genug sein muss, um die Schweißfläche mit dem Schutzgas, aber sie muss auch in ihrer Größe begrenzt sein, um die Linse wirksam zu schützen und zu verhindern, dass Metalldampfverschmutzung oder Metallspritzer die Linse beschädigen.
Auch die Durchflussmenge muss kontrolliert werden, da sonst die laminare Strömung des Schutzgases turbulent wird und Luft in die Schmelze gezogen wird, wodurch Poren entstehen.
Zur Verbesserung der Schutzwirkung kann auch das seitliche Einblasen verwendet werden, bei dem das Schutzgas durch eine Düse mit kleinem Durchmesser in einem bestimmten Winkel in das kleine Loch der Tiefschweißung eingeblasen wird.
Dies reduziert nicht nur die Plasmawolke auf der Werkstückoberfläche, sondern wirkt sich auch auf das Plasma in der Bohrung und die Bildung kleiner Löcher aus, was zu einer erhöhten Eindringtiefe und einer idealen Schweißnaht mit einem hohen Tiefe-Breite-Verhältnis führt.
Diese Methode erfordert jedoch eine genaue Kontrolle der Größe und Richtung des Gasstroms, da es leicht zu Turbulenzen und Schäden am Schmelzbad kommen kann, was die Stabilisierung des Schweißprozesses erschwert.
Der Laserstrahl wird in der Regel beim Schweißen fokussiert, und es wird üblicherweise eine Linse mit einer Brennweite von 63 mm bis 254 mm (2,5″ bis 10″) gewählt. Die Größe des Brennpunkts ist direkt proportional zur Brennweite; eine kürzere Brennweite führt zu einem kleineren Punkt.
Die Brennweite wirkt sich jedoch auch auf die Schärfentiefe aus, die mit der Brennweite zunimmt. Das bedeutet, dass eine kurze Brennweite die Leistungsdichte verbessert, aber eine genaue Einhaltung des Abstands zwischen Linse und Werkstück für eine korrekte Durchdringung erfordert.
Beim tatsächlichen Schweißen beträgt die kürzeste Brennweite in der Regel 126 mm (5″). Wenn eine größere Fuge oder eine stärkere Schweißung erforderlich ist, kann eine Linse mit einer Brennweite von 254 mm (10 ″) gewählt werden, die jedoch eine höhere Laserleistung erfordert, um den gewünschten tief eindringenden Schlüsselloch-Effekt zu erzielen.
Bei Laserleistungen von mehr als 2 kW, insbesondere bei 10,6-μm-CO2-Lasern, wird häufig die Methode der Reflexionsfokussierung mit polierten Kupferspiegeln als Spiegel verwendet, um das Risiko einer optischen Beschädigung der Fokussierlinse zu vermeiden.
Kupferspiegel werden oft für hohe Leistungen empfohlen Fokussierung des Laserstrahls durch eine effektive Kühlung.
Beim Laserschweißen ist die Position des Fokus entscheidend, um eine ausreichende Leistungsdichte zu gewährleisten. Die Variation der relativen Position zwischen dem Fokus und der Werkstückoberfläche hat erhebliche Auswirkungen auf die Tiefe und Breite der Schweißnaht.
In den meisten LaserschweißanwendungenDer Fokus wird in der Regel etwa ein Viertel der gewünschten Eindringtiefe unter der Oberfläche des Werkstücks eingestellt.
Die endgültige Qualität der Schweißnaht beim Laserschweißen verschiedener Materialien wird weitgehend durch die Position des Laserstrahls bestimmt, wobei Stumpfnähte empfindlicher sind als Überlappungsnähte.
Zum Beispiel beim Schweißen eines abgeschreckten Stahlgetriebe auf eine Trommel aus kohlenstoffarmem Stahl führt die richtige Steuerung der Laserstrahlposition zu einer Schweißnaht, die hauptsächlich aus kohlenstoffarmen Bestandteilen besteht, die eine ausgezeichnete Rissfestigkeit aufweisen.
In bestimmten Situationen ist aufgrund der Geometrie des zu schweißenden Werkstücks ein Ablenkungswinkel für den Laserstrahl erforderlich. Wenn der Ablenkungswinkel zwischen der Strahlachse und der Verbindungsebene weniger als 100 Grad beträgt, ist die Absorption des Lasers Energie des Werkstücks bleibt unbeeinflusst.
Beim Laser-Tiefschweißen entstehen unabhängig von der Tiefe der Schweißnaht kleine Löcher. Wenn der Schweißvorgang abgeschlossen ist und der Netzschalter ausgeschaltet wird, entstehen am Ende der Schweißnaht Vertiefungen.
Wenn die neue Laserschweißschicht die vorherige Schweißnaht überdeckt, kann es außerdem zu einer übermäßigen Absorption des Laserstrahls kommen, was zu Überhitzung oder Porosität in der Schweißnaht führt.
Um diese Probleme zu vermeiden, können die Start- und Endpunkte der Leistung so programmiert werden, dass sich die Start- und Endzeiten anpassen lassen. Dies wird erreicht, indem die Startleistung elektronisch schnell von Null auf den eingestellten Leistungswert erhöht und die Schweißzeit angepasst wird.
Schließlich wird die Leistung schrittweise vom eingestellten Wert auf Null am Ende des Schweißvorgangs reduziert.
Kontinuierliches Laserschweißen von Edelstahl mit optischen Fasern (geeignet für Stumpfschweißen von kleinen Platten mit einer Dicke von 0,2-3 mm)
1. Schweißen mit hohem Streckgrenzenverhältnis
Das Laser-Tiefschweißen zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, tiefe, schmale Schweißnähte mit hohen Aspektverhältnissen zu erzeugen. Bei diesem Verfahren wird ein fokussierter Laserstrahl verwendet, um ein zylindrisches Schlüsselloch aus verdampftem Metall zu erzeugen, das tief in das Werkstück eindringt. Während das Schlüsselloch fortschreitet, fließt geschmolzenes Metall darum herum und erstarrt zu einer Schweißnaht mit einem außergewöhnlichen Verhältnis von Tiefe zu Breite, das oft 10:1 übersteigt.
2. Minimierter Wärmeeintrag
Das Verfahren erreicht das Schmelzen mit bemerkenswert geringem Wärmeeintrag aufgrund der konzentrierten Energie innerhalb des Schlüssellochs. Diese örtlich begrenzte Erwärmung führt zu schnellem Schmelzen und Erstarren und minimiert die gesamte Wärmeübertragung auf das Werkstück. Infolgedessen wird der thermische Verzug erheblich reduziert, und die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren deutlich kleiner, so dass die mechanischen Eigenschaften des Grundmaterials erhalten bleiben.
3. Schweißnähte mit hoher Dichte
Der Hochtemperaturdampf im Keyhole führt zu einer starken Umwälzung des Schmelzbades und fördert das Entweichen von eingeschlossenen Gasen und Verunreinigungen. Dieser Mechanismus führt in Verbindung mit der schnellen Erstarrungsgeschwindigkeit zu außergewöhnlich dichten Schweißnähten mit minimaler Porosität. Das feinkörnige Gefüge, das sich aus der schnellen Abkühlung ergibt, verbessert die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht und ihre Widerstandsfähigkeit gegen Defekte weiter.
4. Überlegene Schweißnahtfestigkeit
Beim Laser-Tiefschweißen werden keine Zusatzwerkstoffe oder Elektroden benötigt, so dass weniger Verunreinigungen in das Schweißbad gelangen. Die intensive, örtliche Erwärmung verändert die Größe und Verteilung von Einschlüssen, was häufig zu deren Verfeinerung oder Beseitigung führt. Infolgedessen weist das Schweißgut häufig eine Festigkeit und Zähigkeit auf, die der des Grundmaterials entspricht oder diese übertrifft, und weist eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit und Duktilität auf.
5. Präzise Kontrolle und Flexibilität
Der hochfokussierte Laserstrahl mit einem typischen Punktdurchmesser von 0,2-0,6 mm ermöglicht eine außergewöhnlich präzise Schweißnahtpositionierung und Geometriekontrolle. Die Fähigkeit zum sofortigen Ein- und Ausschalten der Laserquelle in Verbindung mit fortschrittlichen Technologien zur Strahlmanipulation ermöglicht komplizierte Schweißmuster und eine nahtlose Integration in CNC-Systeme. Diese Präzision macht das Laserschweißen ideal für komplexe Geometrien und automatisierte Produktionsumgebungen.
6. Berührungslose atmosphärische Verarbeitung
Als berührungsloses Verfahren eliminiert das Laserschweißen den Werkzeugverschleiß und die Werkstückverformung, die bei mechanischem Kontakt auftreten. Die Energieübertragung durch Photonen wird durch Magnetfelder oder atmosphärische Bedingungen nicht beeinträchtigt, was das Schweißen in verschiedenen Umgebungen, einschließlich Vakuum oder kontrollierter Atmosphäre, ermöglicht. Diese Eigenschaft erleichtert das Schweißen empfindlicher Werkstoffe und ermöglicht einzigartige Verbindungskonfigurationen, die für herkömmliche Verfahren eine Herausforderung darstellen.
1. Hohe Schweißgeschwindigkeit und minimaler Verzug
Beim Laser-Tiefschweißen wird ein hoch fokussierter Strahl mit einer Leistungsdichte von über 106 W/cm2 eingesetzt, der bei dünnen Materialien Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min ermöglicht. Dieser konzentrierte Energieeintrag führt zu einer schmalen Wärmeeinflusszone (WEZ), die in der Regel 10-30% kleiner ist als bei herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren. Infolgedessen wird der Wärmeverzug erheblich reduziert, oft um 50-70%, was das Verfahren ideal für das Präzisionsschweißen von wärmeempfindlichen Werkstoffen wie Titanlegierungen und hochfesten Stählen (AHSS) macht.
2. Effizient und wartungsarm
Der präzisionsgesteuerte Laserstrahl kann mit Hilfe von Glasfasern über große Entfernungen übertragen und mit Hochgeschwindigkeits-Galvanometerscannern manipuliert werden, wodurch komplexe mechanische Systeme überflüssig werden. Im Gegensatz zum Elektronenstrahlschweißen ist beim Laserschweißen keine Vakuumkammer erforderlich, was die Rüstzeit um bis zu 80% reduziert. Die Berührungslosigkeit des Prozesses führt zu einem minimalen Verschleiß der Anlagen, wobei die Wartungsintervalle typischerweise 3 bis 5 Mal länger sind als bei konventionellen Schweißsystemen, was die Betriebszeit der Produktion und die Gesamteffektivität der Anlagen (OEE) erheblich verbessert.
3. Hervorragende Schweißnahtqualität und mechanische Eigenschaften
Die schnellen Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten (103-105 °C/s) beim Laserschweißen fördern feinkörnige Gefüge und verringern die Segregation von Elementen. Dies führt zu Schweißnähten mit Zugfestigkeiten, die oft 5-15% höher sind als die des Grundmaterials, und zu einer verbesserten Ermüdungsbeständigkeit. Die Fähigkeit des Verfahrens, die Wärmezufuhr präzise zu steuern, ermöglicht auch das Schweißen unterschiedlicher Werkstoffe, was die Konstruktionsmöglichkeiten in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie erweitert.
4. Kostengünstig
Die hohe Präzision des Laserschweißens (in der Regel ±0,1 mm) und der minimale Verzug können bei vielen Anwendungen die Nachbearbeitung nach dem Schweißen reduzieren oder überflüssig machen, was die Endbearbeitungskosten um 30-50% senken kann. Die Energieeffizienz des Verfahrens, die oft 2 bis 3 Mal höher ist als beim herkömmlichen Lichtbogenschweißen, trägt zusammen mit dem geringeren Materialabfall aufgrund der schmalen Schweißnähte zu niedrigeren Betriebskosten bei. In der Großserienfertigung können diese Faktoren zu Gesamtkosteneinsparungen von 15-25% im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren führen.
5. Verbesserte Automatisierung und Integration
Die Berührungslosigkeit des Laserschweißens in Verbindung mit seiner Kompatibilität mit Echtzeit-Prozessüberwachungssystemen (z. B. spektroskopische Analyse, Hochgeschwindigkeitsbildgebung) erleichtert die nahtlose Integration in Industrie 4.0-Umgebungen. Moderne Robotersysteme können den Laserstrahl mit sechs Freiheitsgraden manipulieren und ermöglichen so komplexe 3D-Schweißbahnen. Diese Flexibilität in Verbindung mit der Möglichkeit, schnell zwischen den Schweißparametern zu wechseln, ermöglicht effizientes Schweißen mehrerer Materialien und verschiedener Dicken in einer einzigen Einrichtung, wodurch die Produktionszykluszeiten in automatisierten Fertigungslinien erheblich verkürzt werden.
1. Begrenzte Einschweißtiefe
Das Laser-Tiefschweißen bietet zwar bei vielen Anwendungen erhebliche Vorteile, hat aber auch Grenzen, was die erreichbare Einschweißtiefe angeht. In der Regel beträgt die maximale Einschweißtiefe bei Hochleistungs-Dauerstrichlasern (>10 kW) in Stahl etwa 25-30 mm. Diese Tiefenbeschränkung ist in erster Linie auf die physikalischen Faktoren der Schlüssellochbildung und die Auswirkungen der Plasmaabschirmung in größeren Tiefen zurückzuführen. Für dickere Werkstoffe sind alternative Schweißverfahren wie das Elektronenstrahlschweißen oder das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen möglicherweise besser geeignet.
2. Strenge Anforderungen an die Werkstückmontage
Das Laser-Tiefschweißen erfordert eine präzise Werkstückanpassung und -positionierung. Der enge Strahlfokus erfordert enge Spalttoleranzen, typischerweise weniger als 10% der Materialdicke oder maximal 0,2-0,3 mm. Diese Präzisionsanforderung kann die Vorbereitungszeit und die Kosten erhöhen, insbesondere bei großen oder komplexen Baugruppen. Hochentwickelte Befestigungssysteme, Nahtverfolgung in Echtzeit und adaptive Steuerungstechnologien können diese Herausforderungen abmildern, erhöhen jedoch die Gesamtkomplexität des Systems.
3. Erhebliche Erstinvestition in das Lasersystem
Die Anschaffung und Einrichtung eines Laser-Tiefschweißsystems stellt eine erhebliche Investition dar. Hochleistungslaser, Präzisionsoptiken zur Strahlführung, robuste Bewegungssysteme und spezielle Abschirmgehäuse tragen zu den hohen Anschaffungskosten bei. Hinzu kommt, dass der Bedarf an qualifiziertem Bedienungs- und Wartungspersonal die Betriebskosten in die Höhe treibt. Es ist jedoch wichtig, die langfristigen Vorteile wie erhöhte Produktivität, reduzierte Nachbearbeitung und verbesserte Schweißqualität zu berücksichtigen, wenn man die Rentabilität der Investition bewertet.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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