Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißtechniken,LaserschweißenEs bietet unübertroffene Vorteile hinsichtlich Schweißgenauigkeit, Effizienz, Zuverlässigkeit, Automatisierung und anderen Aspekten. In den letzten Jahren hat es sich in den Bereichen Automobil, Energie, Elektronik und weiteren Branchen rasant entwickelt und gilt als eine der vielversprechendsten Fertigungstechnologien des 21. Jahrhunderts.
1. Überblick über DoppelbalkenLaserschweißen
DoppelbalkenLaserschweißenDabei werden optische Verfahren eingesetzt, um einen Laserstrahl in zwei separate Lichtstrahlen zum Schweißen aufzuteilen, oder es werden zwei verschiedene Lasertypen kombiniert, beispielsweise CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser und Hochleistungs-Halbleiterlaser. Alle diese Verfahren sind kombinierbar. Hauptziel war es, die Anpassungsfähigkeit des Laserschweißens an die Montagegenauigkeit zu verbessern, die Stabilität des Schweißprozesses zu erhöhen und die Schweißnahtqualität zu steigern. Doppelstrahl-SchweißenLaserschweißenDas Schweißtemperaturfeld lässt sich bequem und flexibel anpassen, indem das Strahlenergieverhältnis, der Strahlabstand und sogar das Energieverteilungsmuster der beiden Laserstrahlen verändert werden. Dadurch werden das Auftreten des Keyholes und das Fließverhalten des flüssigen Metalls im Schmelzbad beeinflusst. Dies eröffnet eine größere Auswahl an Schweißverfahren und bietet nicht nur die Vorteile einer großen...LaserschweißenDurchdringung, hohe Geschwindigkeit und hohe Präzision zeichnen es aus, aber es eignet sich auch für Werkstoffe und Verbindungen, die mit herkömmlichen Schweißverfahren schwer zu schweißen sind.Laserschweißen.
Für DoppelbalkenLaserschweißenZunächst werden die Implementierungsmethoden des Doppelstrahl-Lasers erörtert. Die Fachliteratur zeigt, dass es zwei Hauptverfahren zum Doppelstrahlschweißen gibt: Transmissionsfokussierung und Reflexionsfokussierung. Bei der Transmissionsfokussierung werden Winkel und Abstand der beiden Laserstrahlen mithilfe von Fokussier- und Kollimatorspiegeln angepasst. Bei der Reflexionsfokussierung wird eine Laserquelle verwendet, deren Strahl anschließend durch Reflexions-, Transmissions- und Keilspiegel fokussiert wird, um zwei Strahlen zu erzeugen. Für die Transmissionsfokussierung gibt es im Wesentlichen drei Varianten. Bei der ersten Variante werden zwei Laser über optische Fasern gekoppelt und unter demselben Kollimator- und Fokussierspiegel in zwei separate Strahlen aufgeteilt. Bei der zweiten Variante emittieren die beiden Laser ihre Laserstrahlen durch ihre jeweiligen Schweißköpfe, und ein Doppelstrahl wird durch die räumliche Anordnung der Schweißköpfe erzeugt. Bei der dritten Variante wird der Laserstrahl zunächst durch zwei Spiegel 1 und 2 aufgeteilt und anschließend durch zwei Fokussierspiegel 3 und 4 fokussiert. Die Position und der Abstand der beiden Brennpunkte lassen sich durch Verstellen der Winkel der beiden Fokussierspiegel 3 und 4 anpassen. Alternativ kann ein Festkörperlaser verwendet werden, um das Licht in zwei Strahlen aufzuteilen und deren Winkel und Abstand mithilfe eines Perspektivspiegels und eines Fokussierspiegels einzustellen. Die letzten beiden Abbildungen in der ersten Zeile unten zeigen das Spektroskopsystem eines CO₂-Lasers. Der Planspiegel wird durch einen keilförmigen Spiegel ersetzt, der vor dem Fokussierspiegel platziert wird, um das Licht in zwei parallele Strahlen aufzuteilen.
Nachdem wir die Funktionsweise von Doppelträgern verstanden haben, wollen wir nun kurz die Schweißprinzipien und -methoden vorstellen. Beim DoppelträgerLaserschweißenBeim Schweißen gibt es drei gängige Strahlanordnungen: die serielle, die parallele und die hybride Anordnung. Dabei besteht ein Abstand sowohl in Schweißrichtung als auch vertikal. Wie in der letzten Zeile der Abbildung dargestellt, lassen sich die Schmelzbäder anhand der unterschiedlichen Formen der kleinen Löcher und Schmelzpunkte, die beim seriellen Schweißen unter verschiedenen Punktabständen entstehen, weiter in drei Zustände unterteilen: Schmelzbad, gemeinsames Schmelzbad und getrenntes Schmelzbad. Die Eigenschaften des gemeinsamen und des getrennten Schmelzbads ähneln denen des gemeinsamen Schmelzbads.LaserschweißenWie im Diagramm der numerischen Simulation dargestellt, treten für verschiedene Typen unterschiedliche Prozesseffekte auf.
Typ 1: Bei einem bestimmten Punktabstand bilden zwei Lichtstrahlkanäle einen gemeinsamen großen Lichtstrahlkanal im selben Schmelzbad; bei Typ 1 wird berichtet, dass ein Lichtstrahl zur Erzeugung eines kleinen Lochs verwendet wird und der andere Lichtstrahl zur Schweißwärmebehandlung dient, wodurch die strukturellen Eigenschaften von hochkohlenstoffhaltigem Stahl und legiertem Stahl effektiv verbessert werden können.
Typ 2: Vergrößerung des Punktabstands im selben Schmelzbad, Aufteilung der beiden Strahlen in zwei unabhängige Keyholes und Änderung des Strömungsmusters des Schmelzbads; bei Typ 2 entspricht die Funktion dem Zwei-Elektronenstrahl-Schweißen. Reduziert Schweißspritzer und unregelmäßige Schweißnähte bei der entsprechenden Brennweite.
Typ 3: Der Abstand der Schweißpunkte wird weiter vergrößert und das Energieverhältnis der beiden Strahlen verändert. Dabei dient einer der Strahlen als Wärmequelle für die Vor- oder Nachbearbeitung während des Schweißprozesses, während der andere Strahl kleine Löcher erzeugt. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Typ 3 die beiden Strahlen ein Schlüsselloch bilden, das nicht leicht zusammenfällt und die Schweißnaht weniger anfällig für Poren ist.
2. Der Einfluss des Schweißprozesses auf die Schweißqualität
Einfluss des seriellen Strahlenergieverhältnisses auf die Schweißnahtbildung
Bei einer Laserleistung von 2 kW, einer Schweißgeschwindigkeit von 45 mm/s, einem Defokus von 0 mm und einem Strahlabstand von 3 mm ergibt sich bei Variation des RS-Wertes (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) das in der Abbildung dargestellte Ergebnis. Bei RS = 0,50 und 2,00 weist die Schweißnaht stärkere Dellen und vermehrte Spritzer am Schweißnahtrand auf, wodurch sich keine regelmäßigen Fischschuppenmuster ausbilden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei einem zu kleinen oder zu großen Strahlenergieverhältnis die Laserenergie zu stark konzentriert ist. Dadurch oszilliert die Laseröffnung während des Schweißprozesses stärker, und der Rückstoßdruck des Dampfes führt zum Ausstoßen und Verspritzen von Schmelzbadmetall. Die übermäßige Wärmeeinbringung bewirkt eine zu große Eindringtiefe des Schmelzbades auf der Seite der Aluminiumlegierung, wodurch sich unter dem Einfluss der Schwerkraft eine Vertiefung bildet. Bei RS = 0,67 und 1,50 ist das Fischschuppenmuster auf der Schweißnahtoberfläche gleichmäßig, die Schweißnahtform ansprechender und es sind keine Schweißrisse, Poren oder andere Schweißfehler sichtbar. Die Querschnittsformen der Schweißnähte mit unterschiedlichen Strahlenergieverhältnissen RS sind in der Abbildung dargestellt. Der Querschnitt der Schweißnähte hat eine typische „Weinglasform“, was darauf hindeutet, dass der Schweißprozess im Lasertiefschweißmodus durchgeführt wurde. RS hat einen wesentlichen Einfluss auf die Eindringtiefe P2 der Schweißnaht auf der Seite der Aluminiumlegierung. Bei einem Strahlenergieverhältnis RS = 0,5 beträgt P2 1203,2 Mikrometer. Bei Strahlenergieverhältnissen von RS = 0,67 und 1,5 reduziert sich P2 deutlich auf 403,3 Mikrometer bzw. 93,6 Mikrometer. Bei einem Strahlenergieverhältnis von RS = 2 beträgt die Eindringtiefe des Fügequerschnitts 1151,6 Mikrometer.
Einfluss des Verhältnisses der Parallelstrahlenergie auf die Schweißnahtbildung
Bei einer Laserleistung von 2,8 kW, einer Schweißgeschwindigkeit von 33 mm/s, einem Defokus von 0 mm und einem Strahlabstand von 1 mm wurde die Schweißnahtoberfläche durch Variation des Strahlenergieverhältnisses (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4) erzielt. Das Erscheinungsbild ist in der Abbildung dargestellt. Bei RS = 2 ist das fischschuppenartige Muster auf der Schweißnahtoberfläche relativ unregelmäßig. Die mit den anderen fünf Strahlenergieverhältnissen erzielten Schweißnähte weisen eine gleichmäßige Oberfläche ohne sichtbare Defekte wie Poren oder Spritzer auf. Daher ist dies im Vergleich zum seriellen Doppelstrahlschweißen vorteilhaft.LaserschweißenDie Schweißnahtoberfläche ist bei Verwendung paralleler Doppelstrahlen gleichmäßiger und optisch ansprechender. Bei RS = 0,25 ist eine leichte Vertiefung in der Schweißnaht erkennbar. Mit zunehmendem Strahlenergieverhältnis (RS = 0,5, 0,67 und 1,5) wird die Oberfläche gleichmäßiger und es bilden sich keine Vertiefungen. Bei weiterem Anstieg des Strahlenergieverhältnisses (RS = 1,50 und 2,00) treten jedoch wieder Vertiefungen auf. Bei Strahlenergieverhältnissen von RS = 0,25, 1,5 und 2 hat die Schweißnaht eine weinglasförmige Querschnittsform; bei RS = 0,50, 0,67 und 1 ist sie trichterförmig. Bei RS = 4 entstehen nicht nur Risse am Schweißnahtgrund, sondern auch Poren im mittleren und unteren Bereich. Bei RS = 2 bilden sich große Prozessporen im Inneren der Schweißnaht, jedoch keine Risse. Bei RS = 0,5, 0,67 und 1,5 ist die Eindringtiefe P2 der Schweißnaht auf der Seite der Aluminiumlegierung geringer, der Schweißnahtquerschnitt ist gut ausgebildet und es treten keine offensichtlichen Schweißfehler auf. Dies zeigt, dass das Strahlenergieverhältnis beim parallelen Zweistrahl-Laserschweißen einen wesentlichen Einfluss auf den Schweißeinbrand und die Schweißfehler hat.
Parallelstrahl – der Einfluss des Strahlabstands auf die Schweißnahtbildung
Bei einer Laserleistung von 2,8 kW, einer Schweißgeschwindigkeit von 33 mm/s, einem Defokus von 0 mm und einem Strahlenergieverhältnis RS = 0,67 wurde der Strahlabstand (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) variiert, um die in der Abbildung dargestellte Schweißnahtoberflächenmorphologie zu erzielen. Bei d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm und 2 mm ist die Schweißnahtoberfläche glatt und eben, die Form ansprechend; das Schuppenmuster ist regelmäßig und gleichmäßig, und es sind keine Poren, Risse oder andere Defekte sichtbar. Unter allen vier Strahlabständen ist die Schweißnahtoberfläche somit optimal ausgebildet. Bei d = 2 mm entstehen hingegen zwei unterschiedliche Schweißnähte. Dies zeigt, dass die beiden parallelen Laserstrahlen nicht mehr auf das Schmelzbad einwirken und somit kein effektives Zweistrahl-Laserhybridschweißen mehr möglich ist. Bei einem Strahlabstand von 0,5 mm ist die Schweißnaht trichterförmig. Die Eindringtiefe P2 der Schweißnaht auf der Seite der Aluminiumlegierung beträgt 712,9 µm, und es treten keine Risse, Poren oder andere Defekte im Inneren der Schweißnaht auf. Mit zunehmendem Strahlabstand verringert sich die Eindringtiefe P2 der Schweißnaht auf der Seite der Aluminiumlegierung deutlich. Bei einem Strahlabstand von 1 mm beträgt die Eindringtiefe der Schweißnaht auf der Seite der Aluminiumlegierung nur noch 94,2 µm. Bei weiterem Anstieg des Strahlabstands wird kein effektiver Durchdringungseffekt auf der Seite der Aluminiumlegierung erzielt. Daher ist der Effekt der Doppelstrahl-Rekombination bei einem Strahlabstand von 0,5 mm am besten. Mit zunehmendem Strahlabstand sinkt die Schweißwärmeeinbringung stark, und der Effekt der Doppelstrahl-Laser-Rekombination verschlechtert sich zunehmend.
Die Unterschiede in der Schweißnahtmorphologie entstehen durch das unterschiedliche Fließ- und Abkühlungsverhalten des Schmelzbades während des Schweißprozesses. Die numerische Simulationsmethode ermöglicht nicht nur eine anschaulichere Spannungsanalyse des Schmelzbades, sondern reduziert auch die experimentellen Kosten. Die Abbildung unten zeigt die Veränderungen des seitlichen Schmelzbades bei Verwendung eines einzelnen Strahls sowie bei unterschiedlichen Anordnungen und Punktabständen. Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind: (1) Bei Verwendung eines einzelnen StrahlsLaserschweißenIm Verlauf des Prozesses ist die Tiefe des Schmelzbadlochs am größten, es kommt zu einem Lochkollaps, die Lochwand ist unregelmäßig und die Strömungsfeldverteilung in Wandnähe ungleichmäßig. Nahe der Rückfläche des Schmelzbads ist der Rückfluss stark, und am Boden des Schmelzbads findet ein aufwärts gerichteter Rückfluss statt. Die Strömungsfeldverteilung an der Oberfläche des Schmelzbads ist relativ gleichmäßig und langsam, und die Breite des Schmelzbads ist in Tiefenrichtung ungleichmäßig. Zwischen den kleinen Löchern im Doppelstrahl treten Störungen im Schmelzbad durch den Wandrückstoßdruck auf.LaserschweißenSie existiert stets entlang der Tiefenrichtung der kleinen Löcher. Mit zunehmendem Abstand zwischen den beiden Strahlen geht die Energiedichte des Strahls allmählich von einem einzelnen Maximum in einen Zustand mit zwei Maxima über. Zwischen den beiden Maxima liegt ein Minimum, und die Energiedichte nimmt anschließend allmählich ab. (2) Für DoppelstrahlenLaserschweißenBei einem Punktabstand von 0–0,5 mm verringert sich die Tiefe der kleinen Löcher im Schmelzbad geringfügig, und das Fließverhalten des Schmelzbades ähnelt insgesamt dem eines Einzelstrahls.LaserschweißenBei einem Punktabstand von über 1 mm sind die kleinen Löcher vollständig voneinander getrennt. Während des Schweißprozesses findet nahezu keine Wechselwirkung zwischen den beiden Lasern statt, was zwei aufeinanderfolgenden/zwei parallelen Einzelstrahl-Laserschweißungen mit einer Leistung von 1750 W entspricht. Es tritt praktisch kein Vorwärmeffekt auf, und das Fließverhalten des Schmelzbades ähnelt dem beim Einzelstrahl-Laserschweißen. (3) Bei einem Punktabstand von 0,5–1 mm ist die Wandfläche der kleinen Löcher in beiden Anordnungen flacher, ihre Tiefe nimmt allmählich ab, und der Boden trennt sich zunehmend. Die Störung zwischen den kleinen Löchern und dem Fließverhalten des Oberflächenschmelzbades ist bei 0,8 mm am stärksten. Beim seriellen Schweißen nimmt die Länge des Schmelzbades allmählich zu, die Breite ist bei einem Punktabstand von 0,8 mm am größten, und der Vorwärmeffekt ist bei diesem Abstand am deutlichsten. Die Wirkung der Marangoni-Kraft schwächt sich allmählich ab, und mehr flüssiges Metall fließt zu beiden Seiten des Schmelzbades. Die Schmelzbadbreitenverteilung soll gleichmäßiger gestaltet werden. Beim Parallelschweißen nimmt die Breite des Schmelzbades zwar allmählich zu und erreicht ein Maximum von 0,8 mm, jedoch findet keine Vorwärmwirkung statt. Der durch die Marangoni-Kraft verursachte Rückfluss nahe der Oberfläche ist stets vorhanden, während der nach unten gerichtete Rückfluss am Boden der kleinen Öffnungen allmählich verschwindet. Das Strömungsfeld im Querschnitt ist weniger ausgeprägt als bei Reihenschweißungen; Störungen beeinflussen die Strömung an beiden Seiten des Schmelzbades kaum, und die Schmelzbadbreite ist ungleichmäßig verteilt.
Veröffentlichungsdatum: 12. Oktober 2023
