Die Entstehung und Entwicklung von Schlüssellöchern:
Definition des Schlüssellocheffekts: Bei einer Bestrahlungsstärke von über 10⁶ W/cm² schmilzt und verdampft die Materialoberfläche unter dem Einfluss des Lasers. Ist die Verdampfungsgeschwindigkeit hoch genug, überwindet der entstehende Dampfrückstoßdruck die Oberflächenspannung und die Schwerkraft des flüssigen Metalls. Dadurch wird ein Teil des flüssigen Metalls verdrängt, wodurch das Schmelzbad in der Anregungszone absinkt und kleine Vertiefungen bildet. Der Laserstrahl trifft direkt auf den Boden dieser Vertiefungen und bewirkt weiteres Schmelzen und Verdampfen des Metalls. Hochdruckdampf drückt das flüssige Metall am Grund der Vertiefung weiter zum Rand des Schmelzbads und vertieft so die Vertiefung. Dieser Prozess setzt sich fort und bildet schließlich ein schlüssellochartiges Loch im flüssigen Metall. Sobald der durch den Laserstrahl in der Vertiefung erzeugte Metalldampfdruck mit der Oberflächenspannung und der Schwerkraft des flüssigen Metalls im Gleichgewicht steht, vertieft sich die Vertiefung nicht weiter und bildet ein tiefenstabiles kleines Loch. Dies wird als „Schlüssellocheffekt“ bezeichnet.
Während sich der Laserstrahl relativ zum Werkstück bewegt, weist die kleine Öffnung eine leicht nach hinten gekrümmte Vorderseite und ein deutlich geneigtes, umgekehrtes Dreieck an der Rückseite auf. Die Vorderkante der kleinen Öffnung ist der Wirkungsbereich des Lasers mit hoher Temperatur und hohem Dampfdruck, während die Temperatur an der Rückseite relativ niedrig und der Dampfdruck gering ist. Aufgrund dieses Druck- und Temperaturunterschieds strömt die Schmelze von der Vorder- zur Rückseite um die kleine Öffnung herum, bildet dort einen Wirbel und erstarrt schließlich an der Rückseite. Der dynamische Zustand des Schweißkanals, ermittelt durch Lasersimulation und reales Schweißen, ist in der obigen Abbildung dargestellt. Sie zeigt die Morphologie der kleinen Öffnungen und die Strömung der umgebenden Schmelze bei verschiedenen Geschwindigkeiten.
Aufgrund kleiner Öffnungen dringt die Laserstrahlenergie tief in das Material ein und bildet diese tiefe und schmale Schweißnaht. Die typische Querschnittsmorphologie der lasergeschweißten Tiefschweißnaht ist in der obigen Abbildung dargestellt. Die Eindringtiefe der Schweißnaht entspricht nahezu der Tiefe des Dampfkanals (genauer gesagt liegt die metallografische Schicht 60–100 µm tiefer als der Dampfkanal, eine Flüssigkeitsschicht weniger). Je höher die Laserenergiedichte, desto tiefer die Öffnungen und desto größer die Eindringtiefe der Schweißnaht. Beim Hochleistungslaserschweißen kann das maximale Verhältnis von Tiefe zu Breite der Schweißnaht 12:1 erreichen.
Analyse der Absorption vonLaserenergiedurch das Schlüsselloch
Vor der Bildung kleiner Löcher und Plasma wird die Laserenergie hauptsächlich durch Wärmeleitung in das Werkstückinnere übertragen. Der Schweißprozess zählt zum konduktiven Schweißen (mit einer Eindringtiefe von weniger als 0,5 mm), und die Absorptionsrate des Lasers im Material liegt zwischen 25 und 45 %. Sobald sich das Keyhole gebildet hat, wird die Laserenergie hauptsächlich durch den Keyhole-Effekt vom Werkstückinneren absorbiert, und der Schweißprozess wird zum Tiefschweißen (mit einer Eindringtiefe von mehr als 0,5 mm). Die Absorptionsrate kann dabei 60 bis 90 % erreichen.
Der Keyhole-Effekt spielt eine äußerst wichtige Rolle bei der Verbesserung der Laserabsorption während Bearbeitungsprozessen wie Laserschweißen, -schneiden und -bohren. Der in das Keyhole eintretende Laserstrahl wird durch Mehrfachreflexionen an der Lochwand nahezu vollständig absorbiert.
Es wird allgemein angenommen, dass der Energieabsorptionsmechanismus des Lasers im Inneren des Keyholes zwei Prozesse umfasst: die Rückabsorption und die Fresnel-Absorption.
Druckausgleich im Inneren des Schlüssellochs
Beim Laser-Tiefschweißen kommt es zu starker Verdampfung des Materials. Der durch den Hochtemperaturdampf erzeugte Expansionsdruck verdrängt das flüssige Metall und bildet kleine Poren. Neben dem Dampfdruck und dem Ablationsdruck (auch Verdampfungsrückstoßkraft oder Rückstoßdruck genannt) des Materials wirken Oberflächenspannung, der durch die Schwerkraft verursachte statische Flüssigkeitsdruck und der durch die Strömung des geschmolzenen Materials in den Poren entstehende dynamische Druck. Von diesen Drücken hält nur der Dampfdruck die Poren offen, während die anderen drei Kräfte deren Schließung bewirken. Um die Stabilität des Schweißkanals während des Schweißprozesses zu gewährleisten, muss der Dampfdruck ausreichen, um die anderen Widerstände zu überwinden und ein Gleichgewicht herzustellen, wodurch die Langzeitstabilität des Schweißkanals sichergestellt wird. Vereinfachend wird allgemein angenommen, dass die auf die Schweißkanalwand wirkenden Kräfte hauptsächlich aus dem Ablationsdruck (Rückstoßdruck des Metalldampfes) und der Oberflächenspannung bestehen.
Instabilität des Schlüssellochs
Hintergrund: Ein Laserstrahl wirkt auf die Oberfläche von Materialien und bewirkt die Verdampfung großer Metallmengen. Der Rückstoßdruck drückt auf das Schmelzbad, wodurch sich Schmelzkanäle und Plasma bilden und die Schmelztiefe zunimmt. Während der Bewegung trifft der Laserstrahl auf die Vorderwand des Schmelzkanals. An der Kontaktstelle verdampft das Material stark. Gleichzeitig verliert die Schmelzkanalwand an Masse. Die Verdampfung erzeugt einen Rückstoßdruck, der auf das flüssige Metall wirkt und die Innenwand des Schmelzkanals nach unten und zum hinteren Ende des Schmelzbads wandern lässt. Durch diese Bewegung des Schmelzbads ändert sich das Volumen im Schmelzkanal ständig. Der Innendruck im Schmelzkanal ändert sich entsprechend, was wiederum das Volumen des austretenden Plasmas beeinflusst. Diese Volumenänderung führt zu Veränderungen der Abschirmung, Brechung und Absorption der Laserenergie und somit zu Veränderungen der auf die Materialoberfläche auftreffenden Laserenergie. Der gesamte Prozess ist dynamisch und periodisch, was letztendlich zu einem sägezahnförmigen und wellenförmigen Schweißnahtdurchbruch führt. Es entsteht keine gleichmäßige, glatte Schweißnaht. Die obige Abbildung zeigt einen Querschnitt durch die Schweißnahtmitte, der durch Längsschnitt parallel zur Schweißnahtmitte gewonnen wurde, sowie eine Echtzeitmessung der Keyhole-Tiefenänderung.IPG-LDD als Beweismittel.
Verbesserung der Stabilitätsrichtung des Schlüssellochs
Beim Lasertiefschweißen kann die Stabilität des kleinen Lochs nur durch den dynamischen Druckausgleich im Inneren des Lochs gewährleistet werden. Die Absorption der Laserenergie durch die Lochwand, die Verdampfung des Materials, der Ausstoß von Metalldampf aus dem kleinen Loch sowie die Vorwärtsbewegung des kleinen Lochs und des Schmelzbads sind jedoch sehr intensive und schnelle Prozesse. Unter bestimmten Prozessbedingungen und zu bestimmten Zeitpunkten während des Schweißvorgangs kann die Stabilität des kleinen Lochs lokal gestört werden, was zu Schweißfehlern führt. Die typischsten und häufigsten Fehler sind kleine Poren und Spritzer, die durch das Zusammenbrechen des Schweißkanals entstehen.
Wie lässt sich das Schlüsselloch stabilisieren?
Die Fluktuationen der Schmelzbadflüssigkeit sind relativ komplex und hängen von zahlreichen Faktoren ab (Temperaturfeld, Strömungsfeld, Kraftfeld, optoelektronische Physik). Vereinfacht lassen sie sich in zwei Kategorien zusammenfassen: die Beziehung zwischen Oberflächenspannung und Metalldampf-Rückstoßdruck; der Rückstoßdruck des Metalldampfs beeinflusst direkt die Bildung von Schmelzbädern und steht in engem Zusammenhang mit deren Tiefe und Volumen. Da Metalldampf die einzige aufsteigende Substanz im Schweißprozess ist, beeinflusst er auch die Spritzerbildung. Die Oberflächenspannung beeinflusst die Strömung des Schmelzbades.
Ein stabiler Laserschweißprozess hängt also von der Aufrechterhaltung des Oberflächenspannungsgradienten im Schmelzbad ohne zu große Schwankungen ab. Die Oberflächenspannung hängt mit der Temperaturverteilung zusammen, und die Temperaturverteilung wiederum mit der Wärmequelle. Daher stellen kombinierte Wärmequellen und Pendelschweißen potenzielle technische Ansätze für einen stabilen Schweißprozess dar.
Beim Metalldampf- und Keyholevolumen müssen der Plasmaeffekt und die Größe der Keyholeöffnung berücksichtigt werden. Je größer die Öffnung, desto größer das Keyhole und desto geringer die Schwankungen am Schmelzbadgrund, die nur einen geringen Einfluss auf das Gesamt-Keyholevolumen und die Innendruckänderungen haben. Daher bieten sich Ansätze wie der einstellbare Ringlaser (ringförmiger Spot), die Laserbogenrekombination und die Frequenzmodulation als vielversprechende Erweiterungsmöglichkeiten an.
Veröffentlichungsdatum: 01.12.2023
