Vergleich der Schweißeffekte von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern

LaserschweißenDies kann mithilfe von kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahlen erreicht werden. Die Prinzipien vonLaserschweißenDas Schweißen lässt sich in Wärmeleitungsschweißen und Lasertiefschweißen unterteilen. Bei einer Leistungsdichte unter 10⁴–10⁵ W/cm² spricht man von Wärmeleitungsschweißen. Hierbei ist die Eindringtiefe gering und die Schweißgeschwindigkeit langsam. Bei einer Leistungsdichte über 10⁵–10⁷ W/cm² wölbt sich die Metalloberfläche durch die Hitze in „Löcher“, wodurch Tiefschweißen entsteht. Dieses Verfahren zeichnet sich durch hohe Schweißgeschwindigkeit und ein großes Aspektverhältnis aus. Das Prinzip der Wärmeleitung…LaserschweißenBeim Laserprozess erhitzt die Laserstrahlung die zu bearbeitende Oberfläche, und die Oberflächenwärme diffundiert durch Wärmeleitung ins Innere. Durch die Steuerung von Laserparametern wie Pulsdauer, Energie, Spitzenleistung und Wiederholfrequenz wird das Werkstück aufgeschmolzen, um ein spezifisches Schmelzbad zu erzeugen.

Beim Lasertiefschweißen wird im Allgemeinen ein kontinuierlicher Laserstrahl zur Verbindung der Werkstoffe eingesetzt. Der metallurgische Prozess ähnelt dem des Elektronenstrahlschweißens, d. h. die Energieumwandlung erfolgt durch eine Art „Schlüsselloch“.

Bei Laserbestrahlung mit ausreichend hoher Leistungsdichte verdampft das Material und es bilden sich kleine Löcher. Diese mit Dampf gefüllten Löcher verhalten sich wie ein Schwarzer Körper und absorbieren nahezu die gesamte Energie des einfallenden Strahls. Die Gleichgewichtstemperatur in den Löchern erreicht etwa 2500 °C.°C. Die Wärme wird von der Außenwand des Hochtemperaturlochs übertragen und führt zum Schmelzen des umgebenden Metalls. Das kleine Loch füllt sich mit Hochtemperaturdampf, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter der Bestrahlung mit dem Laserstrahl entsteht. Die Wände des kleinen Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben, welches wiederum von festem Material umschlossen ist (bei den meisten konventionellen Schweißverfahren und beim Laserschweißen wird die Energie zunächst an der Werkstückoberfläche deponiert und dann durch Wärmeleitung ins Innere transportiert). Die Flüssigkeitsströmung außerhalb der Lochwand und die Oberflächenspannung der Wandschicht sind mit dem kontinuierlich erzeugten Dampfdruck im Lochhohlraum phasengleich und halten ein dynamisches Gleichgewicht aufrecht. Der Lichtstrahl dringt kontinuierlich in das kleine Loch ein, und das Material außerhalb des kleinen Lochs strömt kontinuierlich. Während sich der Lichtstrahl bewegt, befindet sich das kleine Loch stets in einem stabilen Strömungszustand.

Das heißt, das kleine Loch und das geschmolzene Metall, das die Lochwand umgibt, bewegen sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Pilotstrahls vorwärts. Das geschmolzene Metall füllt den nach dem Entfernen des kleinen Lochs entstandenen Spalt und verdichtet sich entsprechend, wodurch die Schweißnaht entsteht. All dies geschieht so schnell, dass Schweißgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Minute problemlos erreicht werden können.

Nachdem wir die grundlegenden Konzepte der Leistungsdichte, der Wärmeleitfähigkeit beim Schweißen und des Tiefschweißens verstanden haben, werden wir als nächstes eine vergleichende Analyse der Leistungsdichte und der metallographischen Phasen bei unterschiedlichen Kerndurchmessern durchführen.

Vergleich von Schweißversuchen basierend auf gängigen Laserkern-Durchmessern auf dem Markt:

Leistungsdichte des Brennflecks von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern

Aus Sicht der Leistungsdichte gilt: Bei gleicher Leistung führt ein kleinerer Kerndurchmesser zu höherer Laserhelligkeit und stärkerer Energiekonzentration. Vergleicht man den Laser mit einem scharfen Messer, so ist der Laserstrahl umso schärfer, je kleiner der Kerndurchmesser ist. Die Leistungsdichte des Lasers mit 14 µm Kerndurchmesser ist mehr als 50-mal so hoch wie die des Lasers mit 100 µm Kerndurchmesser, wodurch seine Bearbeitungsleistung deutlich höher ist. Die hier berechnete Leistungsdichte stellt jedoch lediglich einen Durchschnittswert dar. Die tatsächliche Energieverteilung entspricht annähernd einer Gaußverteilung, wobei die Energie im Zentrum um ein Vielfaches höher ist als die durchschnittliche Leistungsdichte.

Schematische Darstellung der Laserenergieverteilung bei unterschiedlichen Kerndurchmessern

Die Farbe im Energieverteilungsdiagramm gibt die Energieverteilung wieder. Je röter die Farbe, desto höher die Energie. Rot markiert Bereiche mit hoher Energiekonzentration. Anhand der Laserenergieverteilung von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Kerndurchmessern lässt sich erkennen, dass die Strahlfront im Vergleich zur Strahlfront scharf ist. Je kleiner der Kerndurchmesser, desto stärker konzentriert sich die Energie auf einen Punkt, desto schärfer ist die Strahlfront und desto höher ist die Durchdringungsfähigkeit.

Vergleich der Schweißeffekte von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern

Vergleich von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern:

(1) Bei dem Experiment wird eine Schweißgeschwindigkeit von 150 mm/s und eine Fokuspositionsschweißung verwendet. Das Material ist Aluminium der Serie 1 mit einer Dicke von 2 mm.

(2) Je größer der Kerndurchmesser, desto größer die Schmelzbreite, desto größer die Wärmeeinflusszone und desto geringer die spezifische Leistungsdichte. Bei einem Kerndurchmesser von über 200 µm ist es schwierig, bei hochreaktiven Legierungen wie Aluminium und Kupfer eine ausreichende Einbrandtiefe zu erzielen, und ein tieferes Einbrandschweißen ist nur mit hoher Leistung möglich;

(3) Kleinkernlaser weisen eine hohe Leistungsdichte auf und können mit hoher Energie und kleinen Wärmeeinflusszonen schnell Schweißkanäle in die Oberfläche von Materialien stanzen. Gleichzeitig ist die Schweißnahtoberfläche jedoch rau, und die Wahrscheinlichkeit eines Kanalverschlusses ist beim Schweißen mit niedriger Geschwindigkeit hoch. Zudem schließt sich der Schweißkanal während des Schweißzyklus. Der Zyklus ist lang, und es treten leicht Defekte wie Poren und andere Unebenheiten auf. Das Verfahren eignet sich für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder die Bearbeitung mit einer Pendelbahn.

(4) Laser mit großem Kerndurchmesser haben größere Lichtflecken und eine stärkere Energiestreuung, wodurch sie sich besser für das Laser-Oberflächenumschmelzen, -Beschichten, -Glühen und andere Prozesse eignen.