04.1 Schmelzschweißen/Strahlschweißen - Laserstrahlschweißen Flashcards
Definition Strahl
- 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
Strahlschweißen - Wärmeeinkopplung
- Lokales Aufschmelzen und Verdampfen auf der Werkstoffoberfläche
- Ausbildung einer Dampfkapillare
- Durchdringen der gesamten Werkstückdicke
- Ausbildung der Schweißnaht durch Relativbewegung zwischen Strahl und Bauteil
Wärmequelle beim Strahlschweißen
- 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)
Strahlschweißen - Wärmetransportmechanismen: Einflussgrößen
- 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
Strahlschweißen - Wärmetransportmechanismen: Varianten
- Tiefschweißen
- Wärmeleitungsschweißen
Tiefschweißen
- 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
Wärmeleitungsschweißen
- 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
Strahlschweißen - Kräfte in der Dampfkapillare
- 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.
Strahlschweißen - Nahtfehler: Herausforderungen
- 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
Strahlschweißen - Voraussetzungen für die Vermeidung von Schweißfehlern
- (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
Strahlschweißen - Nahtvorbereitungen: Dickere Bleche
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
Strahlschweißen - Nahtvorbereitungen: Dünnere Bleche
- 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
Strahlschweißen - Intensität des Strahls
- 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
Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (“Verstärkung von Licht durch stimulierte (erzwungene) Emission von Strahlung“
Laserlicht - Eigenschaften
- 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
Prinzip eines Lasers
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
Laser - Resonator
- 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
Arten des Übergangs von Teilchen auf ein anderes Energieniveau
- Spontane Emission
- Induzierte Emission
-> Ziel: Verhältnis der gewünschten induzierten Emission zur spontanen möglichst groß
Arten des Übergangs von Teilchen auf ein anderes Energieniveau: Spontane Emission
Ungerichtet und inkohärent (z.B. Leuchtstoffröhren)
Arten des Übergangs von Teilchen auf ein anderes Energieniveau: Induzierte Emission
- 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“
Laserarten für Materialbearbeitung
- CO2 Laser
- Festkörperlaser
- Diodenlaser
Strahlung von Festkörper- und Diodenlasern
- 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
Strahlung von CO2 Lasern
- 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
Arten von Lasersystemen (je nach Art des Gastransports)
- Quergeströmt
- Längsgeströmt
Quergeströmte Laser
- Mehrfachteilung -> Höhere Ausgangsleistungen bei kompakterer Bauweise als Längsgeströmte Systeme
- Strahlqualität schlechter
Laser - Arten der Anregung
- Gleichstromanregung
- Hochfrequente Wechselstromanregung (HF-Anregung)
Laser - Gleichstromanregung
- 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
Laser - Hochfrequente Wechselstromanregung (HF-Anregung)
- Elektroden sind außerhalb des Gasentladungsrohres angebracht -> Elektrische Energie kapazitiv eingekoppelt
- Hohe Lebensdauer
- Hohe Pulsfrequenzen
Laserstrahlschweißen - Schweißanlagen für CO2 Laser
- 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
Crossjet
Scharf gebündelter Pressluftstrahl, der Rauch und Spritzer zur Seite wegspült (schützt teure Optik)
- Sitzt vor dem Austritt des Strahls
Laserstrahlschweißen - Spiegeloptik
- 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
Laserstrahlschweißen - Arten der Strahlführung und -formung
- Strahlführung CO2-Laser über Stahlrohre und Kupferspiegel
- Strahlformung CO2-Laser durch Kupferspiegel
- Strahlführung Festkörperlaser über Fasern (Totalreflexion)
- Strahlformung Festkörperlaser durch Linsen oder Kupferspiegel (beschichtet)
Laserstrahlschweißen - Strahlschweißanlage für Festkörperlaser
- 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
Festkörperlaser: Stablaser - Anregungsarten
- Diodengepumpte Stablaser
- Anregung durch Blitz- oder Bogenlampen
Diodengepumpte Stablaser
- 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
Stablaser: Anregung durch Blitz- oder Bogenlampen
- Angeordnet in einem Doppelellipsoid -> Optimale Entkopplung der Anregungsenergie
- Festkörperstab liegt in deren gemeinsamen Brennpunkt
Faserlaser - Aufbau und Funktion
- 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
Festkörperlaser - Scheibenlaser: Aufbau und Funktion
- 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
Scheibenlaser - Vorteil
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
Laserstrahlschweißen - Diodenlaser: Aufbau und Funktion
- 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.
Halbleiter- und Diodenlaser - Vor- und Nachteile
Vorteile
- Mechanische Robustheit
- Hoher Wirkungsgrad
- Geringe Abmessungen
Nachteile
- Rechteckiger Strahl
Laserstrahlschweißen - Wellenlängenabhängige Absorption
- 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
Laserstrahlschweißen - Absorption: Einflussgrößen (4)
Absorption – Abhängigkeit von:
- Intensität
- Wellenlänge
- Temperatur
- Werkstoff
Absorption beim Wärmeleitungsschweißen
- 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)
Absorption beim Tiefschweißen
- 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
Laserstrahlschweißen - Einschweißtiefen: Einflussgrößen
Erreichbare Einschweißtiefen hängen von der eingebrachten Laserleistung und der Schweißgeschwindigkeit ab
Weitere relevante Einflussgrößen:
- Werkstoff (Wärmeleitfähigkeit, Reflexionsverhalten)
- Resonatorbauart (Strahlqualität)
- Fokuslage
- Verwendete Optik (Brennweite, Fokusdurchmesser)
Laserstrahlschweißen - Auswirkungen der geringen benötigten Energie (3)
- Begrenzt die lokalen Veränderungen der Werkstoffeigenschaften
- Produziert nur wenig Schweißverzug
- Erhöht Risiko für Fehler
Laserstrahlschweißen - Mögliche Fehler
-
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
Laserstrahlschweißung - Energieflussschema
- 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%
Laserstrahlschweißen - Prozess: Vorteile (5)
- Hohe Leistungsdichte
- Kleiner Strahldurchmesser
- Hohe Schweißgeschwindigkeit
- Berührungsloses Werkzeug
- Schweißen unter Atmosphäre möglich
Laserstrahlschweißen - Prozess: Nachteile (2)
- Hohe Reflexion an Metallen
- Begrenzte Einschweißtiefe (≤ 25mm)
Laserstrahlschweißen - Werkstück: Vorteile (5)
- Minimale thermische Belastung
- Geringer Verzug
- Schweißen fertig bearbeiteter Teile möglich
- Schweißen an schwer zugänglichen Stellen
- Unterschiedliche Werkstoffe schweißbar
Laserstrahlschweißen - Werkstück: Nachteile (5)
- Aufwendige Nahtvorbereitung
- Exakte Positionierung notwendig
- Aufhärtungsgefahr
- Rissgefahr
- AL, Cu schwer schweißbar
Laserstrahlschweißen - Anlage: Vorteile (4)
- Kurze Taktzeiten
- Mehrstationenbetrieb möglich
- Anlagenverfügbarkeit > 90%
- Gut automatisierbar
Laserstrahlschweißen - Anlage: Nachteile (5)
- Aufwendige Strahlführung und -formung
- Leistungsverluste an optischen Elementen
- Schutz vor Laserstrahlung notwendig
- Hohe Investitionskosten
- Schlechter Wirkungsgrad (CO2-Laser: <20%; Nd:YAG: <5%)
Laserstrahlschweißen - Arbeitsschutz: Klassifizierung
- 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
Laserstrahlschweißen - Arbeitsschutz: Abschirmung
- Festkörper- und Diodenlaser
- CO2 Laser
Festkörper- und Diodenlaser
- Schwierig abzuschirmen, nur mittels Laserschutzfenster bzw. lichtdichte Wände und evtl. Sensorik
CO2-Laser:
- Einfach Abzuschirmen, durch Plexiglasstellwände ( Absorptionsgrad)
