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Fügetechnik 1 (1. Hälfte) > 04.1 Schmelzschweißen/Strahlschweißen - Laserstrahlschweißen > Flashcards

04.1 Schmelzschweißen/Strahlschweißen - Laserstrahlschweißen Flashcards

1
Q

Definition Strahl

A
  • Mathematik, Geometrie: Einseitig infinite Linie, die an einem festen Punkt beginnt
  • Von einer Energiequelle ausgehende Bündelung elektromagnetischer Wellen/Partikel
    -> Elektromagnetische Welle: z.B. Licht/Laser
    -> Partikel: z.B. Elektronen
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Q

Strahlschweißen - Wärmeeinkopplung

A
  • Lokales Aufschmelzen und Verdampfen auf der Werkstoffoberfläche
  • Ausbildung einer Dampfkapillare
  • Durchdringen der gesamten Werkstückdicke
  • Ausbildung der Schweißnaht durch Relativbewegung zwischen Strahl und Bauteil
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3
Q

Wärmequelle beim Strahlschweißen

A
  • Energie gerichteter Licht- (Laser) oder Partikelstrahl (Elektronenstrahl), der seine Energie am Auftreffpunkt durch Wechselwirkung mit dem Werkstoff an diesen abgibt -> Wärme entsteht
  • Wird mehr Wärme pro Zeiteinheit zugeführt, als in den umgebenden Werkstoff abfließen kann, so heizt sich der Werkstoff lokal am Auftreffpunkt auf und schmilzt oder verdampft (bei sehr hohen Energiedichten)
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4
Q

Strahlschweißen - Wärmetransportmechanismen: Einflussgrößen

A
  • Die von der Schweißstelle abfließende Wärmemenge ist vor allem von der Temperaturdifferenz zum „kalten“ Grundwerkstoff und vom Wärmeleitkoeffizient abhängig
  • Resultierende Temperatur an der Schweißstelle stellt sich bei Gleichgewicht von zugeführter und abgeführter Wärmemenge ein -> Entscheidende Größe: Energiedichte des Strahls
  • Energiedichte bestimmt den Transportmechanismus der Energie im Bauteil
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5
Q

Strahlschweißen - Wärmetransportmechanismen: Varianten

A
  • Tiefschweißen
  • Wärmeleitungsschweißen
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6
Q

Tiefschweißen

A
  • Sehr hohe Energiedichten  Material erhitzt sich so stark, dass es verdampft
  • Dampfkanal öffnet sich  Stahl kann seine Energie tiefer in das Werkstück tragen
  • Tiefe und schlanke Nahtquerschnitte, vergleichsweise wenig Schmelze
  • Schweißen größerer Blechdicken bei relativ hohen Schweißgeschwindigkeiten
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7
Q

Wärmeleitungsschweißen

A
  • Geringere Energiedichten -> Material erhitzt sich nur so weit, dass es lokal verdampft
  • Keine Bildung eines Dampfkanals
  • Einziger Wärmetransportmechanismus: Wärmeleitung
  • Relativ breite und flache Schmelzbäder  Gut zum Verschweißen dünner Bleche
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8
Q

Strahlschweißen - Kräfte in der Dampfkapillare

A
  • Dampfkapillare wird durch den Druck des verdampfenden Materials offen gehalten
  • Oberflächenspannung und der hydrostatische Druck wirken dem Verdampfungsdruck schließend entgegen
  • Kapillare ist mindestens zu einer Seite hin offen -> entstehender Dampf kann nach Außen entweichen
  • Der zum Offenhalten des Kanals notwendige Dampfdruck muss durch kontinuierliches Verdampfen von Grundwerkstoff und durch kontinuierliche Energiezufuhr aufrecht gehalten werden.
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9
Q

Strahlschweißen - Nahtfehler: Herausforderungen

A
  • Grundsätzlich wird beim Strahlschweißen ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet  Spalte können nur sehr schlecht überbrückt werden
  • Fehlendes Material zum Auffüllen des Spaltes führt zu eingefallen Ober- und Unterraupen
  • Geringe Fokus- bzw. Strahldurchmesser des Laser-/Elektronenstrahls -> Enge Toleranzen bei der Nahtvorbereitung müssen eingehalten werden
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10
Q

Strahlschweißen - Voraussetzungen für die Vermeidung von Schweißfehlern

A
  • (Wiederholt) genaue Positionierung des Strahles relativ zur Fuge
  • Spaltfreiheit zwischen Werkstücken
  • Faustregel für Spaltbreite: 1/10 der Blechdicke bis etwa dem Wert des Strahldurchmessers ist akzeptabel
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11
Q

Strahlschweißen - Nahtvorbereitungen: Dickere Bleche

A

i.d.R. I-Naht am Stumpfstoß

  • Grundsätzlich für Strahlverfahren geeignet: Erforderliche Genauigkeit zum Strahlschweißen lassen sich nur mit spanenden Fertigungsverfahren (z.B. Fräsen, Drehen) erreichen
    -> Muss bei wirtschaftlicher Betrachtung mitberücksichtigt werden
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12
Q

Strahlschweißen - Nahtvorbereitungen: Dünnere Bleche

A
  • Gestaltgebung hauptsächlich durch Stanzen und Ziehen -> Erforderliche Genauigkeiten für eine I-Naht kaum zu erreichen
  • Andere Nahtformen (siehe Abbildung)  Eventuell werden vorhandene Spalten mit Hilfe der (ohnehin notwendigen) Schweißvorrichtung (Spannen des Bauteils) zugedrückt
  • Vorrichtung sorgt auch für eine reproduzierbare Positionierung der Schweißstelle
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13
Q

Strahlschweißen - Intensität des Strahls

A
  • Intensität des Strahls ist ausschlaggebend für das Materialverhalten
  • Unterhalb der Schwellintensität l < 10^6 W/cm2 wird nur ein geringer Teil der Energie absorbiert, der Rest wird in die Umgebung reflektiert (Wärmeleitungsschweißen)
  • Oberhalb der Schwellintensität l > 10^6 W/cm2 wird ein Großteil der Strahlung absorbiert, es kann entweder sehr tief oder sehr schnell geschweißt werden
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14
Q

Laser

A

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (“Verstärkung von Licht durch stimulierte (erzwungene) Emission von Strahlung“

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15
Q

Laserlicht - Eigenschaften

A
  • Monochromatisch (gleiche Wellenlänge)
  • Kohärent (gleiche Phasenlänge)  Für Schweißen irrelevant
  • Parallel (geringe Divergenz)

-> Ermöglicht eine hohe Fokussierbarkeit (Energie des Laserstrahls lässt sich auf sehr kleine Flächen konzentrieren)  ermöglicht sehr hohe Energiedichten

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16
Q

Prinzip eines Lasers

A

Prinzip der stimulierten Emission

  • Anregung auf höheres Energieniveau durch Energiezufuhr von außen
  • Beim Auftreffen eines Photons erfolgt eine Abgabe der Anregungsenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge
  • 2 Photonen derselben Wellenlänge verlassen das System
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17
Q

Laser - Resonator

A
  • Die Lichtwelle wird im Resonator zur Verstärkung durch Mehrfachreflektion optisch rückgekoppelt
  • Lasermedium (Gasmoleküle, Ionen) wird durch Energieeinbringung (elektr. Gasentladung, Blitzlampen) angeregt -> Auf ein höheres Energieniveau gebracht („Pumpen“)
  • Beim Zurückfallen auf ein niedrigeres Niveau wird Energie in Form eines Lichtquants frei
  • Wellenlänge ist abhängig von der Energiedifferenz zwischen den beiden Anregungszuständen -> Charakteristisch für das jeweilige Lasermedium
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18
Q

Arten des Übergangs von Teilchen auf ein anderes Energieniveau

A
  • Spontane Emission
  • Induzierte Emission

-> Ziel: Verhältnis der gewünschten induzierten Emission zur spontanen möglichst groß

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19
Q

Arten des Übergangs von Teilchen auf ein anderes Energieniveau: Spontane Emission

A

Ungerichtet und inkohärent (z.B. Leuchtstoffröhren)

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20
Q

Arten des Übergangs von Teilchen auf ein anderes Energieniveau: Induzierte Emission

A
  • Teilchen, das sich auf einem höheren Energieniveau befindet, wird von einem Lichtquant getroffen
  • Erzeugte Lichtquant hat dieselben Eigenschaften (Frequenz, Richtung, Phase) wie das einwirkende Lichtquant („Kohärenz“)

Oberes Energieniveau muss im Vergleich zum niedrigeren ständig überbesetzt sein  „Laserinversion“

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21
Q

Laserarten für Materialbearbeitung

A
  • CO2 Laser
  • Festkörperlaser
  • Diodenlaser
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22
Q

Strahlung von Festkörper- und Diodenlasern

A
  • Wellenlänge relative nah am sichtbaren Licht
  • Strahlung verhält sich ähnlich wie sichtbares Licht -> Gläser und Materialien, die für sichtbares Licht transparent sind, sind auch transparent für Strahlung aus diesen Lasertypen
  • Strahlung lässt sich auf die gleiche Art und Weise leiten und fokussieren wie sichtbares Licht (Gilt auch für das menschliche Auge -> Augenschädigung)
  • Erforderlich, Laserbearbeitungsstationen, in denen Diodenlaser oder Festkörperlaser verwendet werden, vollständig auch gegen den Austritt von Streustrahlung zu kapseln
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23
Q

Strahlung von CO2 Lasern

A
  • Materialien, die für das sichtbare Licht transparent sind, absorbieren einen großen Teil der Energie der von CO2-Lasern emittierten Strahlung
  • (Streu-)Strahlung von CO2 Lasern können mit einfachen Gläsern oder Plexiglas sicher abgeschirmt werden
  • Auge kann Streustrahlung nicht fokussieren -> Anlagen müssen (im Gegensatz zu Anlagen mit Festkörperlasern) nicht hermetisch dicht gekapselt werden
24
Q

Arten von Lasersystemen (je nach Art des Gastransports)

A
  • Quergeströmt
  • Längsgeströmt
25
Q

Quergeströmte Laser

A
  • Mehrfachteilung -> Höhere Ausgangsleistungen bei kompakterer Bauweise als Längsgeströmte Systeme
  • Strahlqualität schlechter
26
Q

Laser - Arten der Anregung

A
  • Gleichstromanregung
  • Hochfrequente Wechselstromanregung (HF-Anregung)
27
Q

Laser - Gleichstromanregung

A
  • Elektroden befinden sich innerhalb des Resonators
  • Wechselwirkung des Elektrodenmaterials mit den Gasmolekülen -> Elektrodenabbrand entsteht

-> Elektrodenverschleiß
-> Verunreinigung des Lasergases
-> Teil des Gasgemisches muss permanent ausgetauscht werden
-> Gleichstromanregung heute nicht mehr gebräuchlich

28
Q

Laser - Hochfrequente Wechselstromanregung (HF-Anregung)

A
  • Elektroden sind außerhalb des Gasentladungsrohres angebracht -> Elektrische Energie kapazitiv eingekoppelt
  • Hohe Lebensdauer
  • Hohe Pulsfrequenzen
29
Q

Laserstrahlschweißen - Schweißanlagen für CO2 Laser

A
  • Soll die Ausrichtung des Strahles auf die einzelnen Spiegel nicht verändert werden, sind lineare Bewegungen nur in Richtung der Strahlausbreitung möglich
  • Rotatorische Bewegungen müssen vom Strahl selbst erfolgen

Anlagen zum Strahlschweißen mit CO2-Lasern sind deshalb i.d.R. als kartesische Portale konstruiert

  • Es wird versucht, einen möglichst hohen Anteil der notwendigen Bewegungen durch das Werkstück auszuführen
  • Optik führt lediglich die Höhenbewegung und falls erforderlich eine rotatorische Bewegung um die letzten beiden Spiegel aus
30
Q

Crossjet

A

Scharf gebündelter Pressluftstrahl, der Rauch und Spritzer zur Seite wegspült (schützt teure Optik)

  • Sitzt vor dem Austritt des Strahls
31
Q

Laserstrahlschweißen - Spiegeloptik

A
  • Spiegel innerhalb der Optik bestehen meist aus beschichtetem Kupfer  Reflektiert einen hohen Anteil der auftreffenden Strahlleistung
    -> Wasserkühlung führt die absorbierte Wärme ab
  • Strahl wird üblicherweise in einem geschlossenen System aus Rohren geführt, die ständig mit aufbereiteter Druckluft gespült werden -> Schützt die Spiegel vor Verschmutzung und verhindert unbeabsichtigten Kontakt mit dem Strahl
  • Ggf. versorgen zusätzliche Düsen die Schweißstelle selbst mit Schutzgas
  • Mechanischer Aufwand beim Einsatz von CO2-Lasern in Robotern aufgrund aufwendiger Spiegelsysteme sehr groß  in der Industrie die Ausnahme
32
Q

Laserstrahlschweißen - Arten der Strahlführung und -formung

A
  • Strahlführung CO2-Laser über Stahlrohre und Kupferspiegel
  • Strahlformung CO2-Laser durch Kupferspiegel
  • Strahlführung Festkörperlaser über Fasern (Totalreflexion)
  • Strahlformung Festkörperlaser durch Linsen oder Kupferspiegel (beschichtet)
33
Q

Laserstrahlschweißen - Strahlschweißanlage für Festkörperlaser

A
  • Festkörperlaserstrahlung lässt sich über Glasfasern leiten und über transmissive Optiken fokussieren
  • Ermöglicht den Einsatz von Industrierobotern für die Führung der Optik
  • Beweglichkeit der Roboter wird nur durch einen minimalen Biegeradius (Bedingung für Totalreflexion) und Verdrehbarkeit der Faser eingeschränkt
34
Q

Festkörperlaser: Stablaser - Anregungsarten

A
  • Diodengepumpte Stablaser
  • Anregung durch Blitz- oder Bogenlampen
35
Q

Diodengepumpte Stablaser

A
  • Anregung des laseraktiven Mediums durch Diodenbänke
    -> Emittiertes Licht wird kollimiert auf das aktive Medium gerichtet
  • Einzelne Diodenbänke brauchen im Gegensatz zu den Hochleistungsdioden des Diodenlasers nur verhältnismäßig wenig Leistung -> Hohe Lebensdauer
36
Q

Stablaser: Anregung durch Blitz- oder Bogenlampen

A
  • Angeordnet in einem Doppelellipsoid -> Optimale Entkopplung der Anregungsenergie
  • Festkörperstab liegt in deren gemeinsamen Brennpunkt
37
Q

Faserlaser - Aufbau und Funktion

A
  • Optische Faser (Glasfaser) ist mit aktivem Material (Ionen aus der Gruppe der seltenden Erden, meist Ytterbium) dotiert
  • Anregung der Teilchen -> Abgabe von Energie in Form von Laserstrahlung
  • Länge der Faser -> Große Oberfläche und damit effektive Kühlung
  • Vom Prinzip her ein diodengepumpter Festkörperlaser
    -> Aktives Medium allerdings kein Stab, sondern eine dotierte Lichtfaser, in die das von den Dioden erzeugte Licht eingekoppelt wird
    -> Strahlung verbleibt durch Totalreflexion in der Faser und induziert so die weitere Emission von Laserstrahlung
  • Der aus der Faser austretende Laserstrahl kann im Grunde direkt fokussiert für den Schweißprozess genutzt werden
  • Zusammenschaltung einzelner Module (typische Strahlleistung jeweils 600W bis 1kW), um die gewünschte maximale Strahlleistung der Laseranlage zu erreichen
38
Q

Festkörperlaser - Scheibenlaser: Aufbau und Funktion

A
  • Form des Festkörperlasers
  • Aktives Medium (Laser-Kristall) hat die Form einer Scheibe
  • Laserstrahl wird durch mehrfache Durchgänge der Pumpstrahlung durch die Laserscheibe erzeugt
  • Einer der Resonatorspiegel ist an der Rückseite aufgedampft, der gegenüberliegende Auskoppelspiegel befindet sich in einiger Entfernung zur Scheibe
39
Q

Scheibenlaser - Vorteil

A

Bessere Kühlung des Laserkristalls

  • Mit verspiegelter Fläche auf eine Wärmesenke (bzw. Kühlfinger) geklebt und unterliegt wegen der Wärmeableitung über eine gesamte Grundfläche nur geringen mechanischen Spannungen -> Gute Fokussierbarkeit im Vergleich zu anderen Hochleistungs-Festkörperlasern
40
Q

Laserstrahlschweißen - Diodenlaser: Aufbau und Funktion

A
  • Rekombination am p-n-Übergang:
    -> Wird eine geeignete Spannung angelegt, können freie Elemente aus dem Leitungsbrand des n-dotierten (n wie negativ, freibewegliche Elektronen) Halbleiters in die Löcher im Valenzband des p-dotierten (p wie positiv, freibewegliche positive Lücken) Halbleiters übergehen.
  • Bei einigen Materialkombinationen entstehen Photonen bei der Rekombination
  • Strahlquelle: Laserbarren (Abmessungen 10mm x 0,6mm x 0,1mm), der auf einen Kühlkörper aufgebracht ist
    -> Durch geeignete Stapelung dieser Barren zu sog. Stacks addieren sich die Laserleistungen durch optische Überlagerung der einzelnen Strahlenbündel.
41
Q

Halbleiter- und Diodenlaser - Vor- und Nachteile

A

Vorteile

  • Mechanische Robustheit
  • Hoher Wirkungsgrad
  • Geringe Abmessungen

Nachteile

  • Rechteckiger Strahl
42
Q

Laserstrahlschweißen - Wellenlängenabhängige Absorption

A
  • Kleine Wellenlängen werden von Metall deutlich besser absorbiert als lange Wellenlängen
    -> Bei Alu: Schmelze extrem reflektierend  CO2-Laser hier gefährlich
  • Problem Laserstrahlschweißen: Großer Teil der Strahlung wird an der Werkstückoberfläche reflektiert
  • Kupfer: Hoch reflektierend bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit  Häufig als Spiegelwerkstoff eingesetzt
43
Q

Laserstrahlschweißen - Absorption: Einflussgrößen (4)

A

Absorption – Abhängigkeit von:

  • Intensität
  • Wellenlänge
  • Temperatur
  • Werkstoff
44
Q

Absorption beim Wärmeleitungsschweißen

A
  • Intensität I < Ikrit
  • Aufschmelzen von Material
  • Absorption an fester oder flüssiger Oberfläche, A < 30%
  • Bildung eines Schmelzbades mit geringer Einschweißtiefe
  • Geringe Einschweißtiefen (max. 1,0mm)
45
Q

Absorption beim Tiefschweißen

A
  • Intensität ≥ Ikrit
  • Verdampfen von Material
  • Fast vollständige Energiekopplung durch Absorption im Dampf bzw. an der Schmelzfront, A > 90%
  • Bildung einer Dampfkapillare mit hoher Einschweißtiefe

Ab Schwellintensität -> Tiefschweißen -> Reflexion sinkt, Absorption steigt

46
Q

Laserstrahlschweißen - Einschweißtiefen: Einflussgrößen

A

Erreichbare Einschweißtiefen hängen von der eingebrachten Laserleistung und der Schweißgeschwindigkeit ab

Weitere relevante Einflussgrößen:

  • Werkstoff (Wärmeleitfähigkeit, Reflexionsverhalten)
  • Resonatorbauart (Strahlqualität)
  • Fokuslage
  • Verwendete Optik (Brennweite, Fokusdurchmesser)
47
Q

Laserstrahlschweißen - Auswirkungen der geringen benötigten Energie (3)

A
  • Begrenzt die lokalen Veränderungen der Werkstoffeigenschaften
  • Produziert nur wenig Schweißverzug
  • Erhöht Risiko für Fehler
48
Q

Laserstrahlschweißen - Mögliche Fehler

A
  • Porenbildung aufgrund hoher Abkühlgeschwindigkeit und damit verbundener schlechter Entgasungsmöglichkeit der Schmelze
    -> Insbesondere bei dicken Blechen
  • Bei umwandelnden Stahlwerkstoffen:
    -> Kohlenstoffgehalt wegen der hohen Abkühlgeschwindigkeit eine kritische Größe  Gehalte von C > 0,22% kann als begrenzter Anhaltswert gesehen werden
  • Aluminium und Kupfer
    -> Probleme bei der Energie Einkopplung und Prozessstabilität aufgrund ihrer thermophysikalischen Materialeigenschaften
  • Hochreaktive Werkstoffe
    -> Erfordern einen ausreichenden Gasschutz bis über die Erstarrung der Schweißnaht hinaus
48
Q

Laserstrahlschweißung - Energieflussschema

A
  • Lediglich 10-50% der elektrischen Leistung in Laserleistung umgewandelt
  • Schmelzzone: Großer Teil der Laserstrahlung für den Schweißprozess geht durch Reflexion, Absorption im Plasma u.a. verloren
  • Praxis: Höchstens 40-45% der erzeugten Strahlenergie können überhaupt nur für den Schweißprozess genutzt werden
    -> Steckdosenwirkungsgrad auf die tatsächlich in Schmelzenergie umgewandelte Laserstrahlung von nur 4-22%
49
Q

Laserstrahlschweißen - Prozess: Vorteile (5)

A
  • Hohe Leistungsdichte
  • Kleiner Strahldurchmesser
  • Hohe Schweißgeschwindigkeit
  • Berührungsloses Werkzeug
  • Schweißen unter Atmosphäre möglich
50
Q

Laserstrahlschweißen - Prozess: Nachteile (2)

A
  • Hohe Reflexion an Metallen
  • Begrenzte Einschweißtiefe (≤ 25mm)
51
Q

Laserstrahlschweißen - Werkstück: Vorteile (5)

A
  • Minimale thermische Belastung
  • Geringer Verzug
  • Schweißen fertig bearbeiteter Teile möglich
  • Schweißen an schwer zugänglichen Stellen
  • Unterschiedliche Werkstoffe schweißbar
52
Q

Laserstrahlschweißen - Werkstück: Nachteile (5)

A
  • Aufwendige Nahtvorbereitung
  • Exakte Positionierung notwendig
  • Aufhärtungsgefahr
  • Rissgefahr
  • AL, Cu schwer schweißbar
53
Q

Laserstrahlschweißen - Anlage: Vorteile (4)

A
  • Kurze Taktzeiten
  • Mehrstationenbetrieb möglich
  • Anlagenverfügbarkeit > 90%
  • Gut automatisierbar
53
Q

Laserstrahlschweißen - Anlage: Nachteile (5)

A
  • Aufwendige Strahlführung und -formung
  • Leistungsverluste an optischen Elementen
  • Schutz vor Laserstrahlung notwendig
  • Hohe Investitionskosten
  • Schlechter Wirkungsgrad (CO2-Laser: <20%; Nd:YAG: <5%)
54
Q

Laserstrahlschweißen - Arbeitsschutz: Klassifizierung

A
  • Laser zum Schweißen fallen aufgrund ihrer Ausgangsleistung Grundsätzlich in die Schutzklasse 4

Unterscheidung in:

  • Schichtbetrieb -> Im Havariefall muss die Abschirmung 30.000s (ca. 8,5h) widerstehen
  • Zyklischer Kurzbetrieb -> 100s Widerstandszeit
  • Kontinuierliche Überwachung durch Beobachtung -> 10s Widerstandszeit
55
Q

Laserstrahlschweißen - Arbeitsschutz: Abschirmung

  • Festkörper- und Diodenlaser
  • CO2 Laser
A

Festkörper- und Diodenlaser

  • Schwierig abzuschirmen, nur mittels Laserschutzfenster bzw. lichtdichte Wände und evtl. Sensorik

CO2-Laser:

  • Einfach Abzuschirmen, durch Plexiglasstellwände ( Absorptionsgrad)

Fügetechnik 1 (1. Hälfte) (12 decks)

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