Als fortschrittliches Bearbeitungswerkzeug spielt der Laser eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich des industriellen Schweißens. Obwohl die traditionelle Laserschweißtechnik Schweißfehler bis zu einem gewissen Grad kontrollieren kann, ist ihre Wirkung oft durch feste Schweißparameter und -prozesse begrenzt. In den letzten Jahren hat sich mit dem Laser-Swing-Schweißen eine neue Lösung zur Vermeidung von Schweißfehlern entwickelt. Durch die Einführung der Laserstrahlschwingung während des Schweißprozesses verbessert diese Technologie die dynamischen Eigenschaften des Schmelzbades deutlich und optimiert so die Schweißqualität. Das Laser-Swing-Schweißen basiert im Wesentlichen auf der präzisen Steuerung des Laserstrahls und der Schwingtechnik, um effizientes und qualitativ hochwertiges Schweißen zu ermöglichen.
Erscheinungsbild verbessern:
Während derSchweißverfahrenDer Laserstrahl wird schnell und präzise geschwenkt, um die gesamte Schweißfläche abzudecken. Während sich der Strahl in Schweißrichtung bewegt, oszilliert er in verschiedenen Formen, wie Kreis, Acht und Spirale. Chen et al. nutzten das Schwenklaserschweißen zum Schweißen unterschiedlicher Aluminiumlegierungen und stellten im Vergleich zum Schweißen ohne Schwenklaser eine deutliche Verbesserung der Schweißnahtmorphologie an Vorder- und Rückseite fest. Darüber hinaus wird das Querschwenklaserschweißen eingesetzt, um die Anpassungsfähigkeit der Nut zu erhöhen. Bei einigen leitfähigen Verbindungswerkstücken ist es notwendig, den Überstrombereich und die metallische Verbindungsfläche zu vergrößern. Um eine U-förmige metallische Verbindungsfläche zu erzielen, ist es außerdem erforderlich, den Laserstrahl beim Schweißen zu schwenken.
1. (a) und (b) Statistik der Schweißnahtquerschnittsmorphologie und Schweißnahtgröße bei unterschiedlichen Schwingmodi; (c) Ausbildung der Schweißnahtoberfläche bei unterschiedlichen Schwingmodi.
Schlechte Seitenwandverklebung verbessern:
Beim herkömmlichen Laserschweißen von mitteldicken Blechen mit schmalem Spalt tritt häufig das Problem der unvollständigen Seitenwandverschweißung auf. Ursache hierfür ist die ungleichmäßige Verteilung der Laserenergie im Schweißkanal: Die Wärmeeinbringung in der Mitte der Nut ist hoch, während die Wärmeeinbringung an den Seitenwänden gering ist, wodurch keine gute Verbindung entsteht. Die wichtigste Maßnahme zur Behebung dieses Problems ist die Erhöhung der Wärmeeinbringung an die Seitenwand. Durch die Strahlschwenkung lässt sich beim Laserschweißen eine optimierte Energieverteilung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche erzielen. Ändert sich die Nutbreite, wird die Amplitude der Strahlschwenkung entsprechend angepasst, um eine effektive Wärmeeinbringung an die Seitenwand zu gewährleisten.
2. Makroskopische Aufnahme der Schweißnaht von der ersten Lage (L1) bis zur siebten Lage (L7) beim Laserschweißen mit oder ohne Oszillation.
Porositätsdefekte reduzieren:
Der Hemmungsmechanismus der Laserstrahlbewegung auf Schweißporen lässt sich auf die verbesserte Stabilität kleiner Poren und die erhöhte Fließfähigkeit des flüssigen Metalls zurückführen. Abbildung 3 zeigt das Fließverhalten des Schmelzbades, dargestellt durch die Tracerpartikel während des Schweißprozesses. Die Schwingung des Lichtstrahls bewirkt eine hochfrequente und schnelle Rotationsbewegung in den kleinen Poren, wodurch der Blasenüberlauf gefördert und ein „Einschluss“ der erstarrten Poren erzielt wird. Gleichzeitig vergrößert die Schwingung des Lichtstrahls die Fläche der kleinen Poren und verringert die Wahrscheinlichkeit eines instabilen Kollapses mit Blasenbildung.
3. (a) und (b) Flugbahnen der Tracerpartikel während des Schweißens; Keyhole-Öffnungsbereich: (c) kein schwingender Laser (d) schwingender Laser.
Rissfehler reduzieren:
Thermische Risse sind Defekte, die beim Schweißen durch das Zusammenwirken von inneren Spannungen und metallurgischen Faktoren entstehen und häufig in der Wärmeeinflusszone (WEZ) auftreten. Die Entstehung solcher Risse hängt mit der Empfindlichkeit des Materials bei hohen Temperaturen, der Schweißspannung und seiner chemischen Zusammensetzung zusammen. Traditionelle Laserschweißverfahren können thermische Risse verursachen, hauptsächlich aus folgenden Gründen: Erstens führt der hohe Energieeintrag beim Laserschweißen zu einer schnellen Erwärmung und Abkühlung des Schweißbereichs, was einen großen Temperaturgradienten und thermische Spannungen zur Folge hat. Zweitens kann die metallurgische Reaktion im Schweißprozess zur Entmischung von niedrigschmelzenden Verunreinigungen führen, wodurch eine spröde Phase entsteht und die Rissanfälligkeit erhöht wird. Schließlich kann die schnelle Erstarrung des Materials zu einer heterogenen Mikrostruktur führen, wobei die Wachstumsrichtung der Säulenkristalle vom Schmelzbad zum Zentrum verläuft (siehe Abbildung 4). In diesem Fall ist die Rissanfälligkeit deutlich erhöht.
4. Erstarrungsmodus beim Laserschweißen (a) konventionelles Laserschweißen (b) Schwenklaserschweißen.
Die oszillierende Laserschweißtechnologie kann die Entstehung von Heißrissen durch den Einsatz eines oszillierenden Laserstrahls effektiv reduzieren oder sogar verhindern. Während des Schweißprozesses fördert die periodische Oszillation des Laserstrahls den Metallfluss im Schmelzbad und verbessert so die Gleichmäßigkeit des Mikrogefüges. Die Körner wachsen koaxial im Zentrum des Schmelzbades (siehe Abbildung 5). Diese koaxialen Körner wirken als Schutzbarriere gegen Rissausbreitung und als Wärmedämmschicht. Gleichzeitig trägt der oszillierende Laser dazu bei, die Bildung spröder Phasen durch Komponentensegregation zu verringern und somit das Risiko von thermischen Rissen zu minimieren.
5. (A) Erstarrungsmikrostrukturmerkmale von konventionellen Laserschweißnähten (B) Erstarrungsmikrostrukturmerkmale von Laser-Schwingschweißungen (CCW).
Im Vergleich zum Laserschweißen mit Selbstfusion hat sich das Laser-Schwenkschweißen als effektives Verfahren zur Reduzierung der Porosität und zur Verbesserung von Defekten wie der unvollständigen Verschmelzung von Seitenwänden erwiesen. Durch die Rührwirkung des Laserstrahls im Schmelzbad ergeben sich deutliche Vorteile hinsichtlich Spaltpassung, Mikrostrukturhomogenität und Kornfeinung. Der Einsatz des Laser-Schwenkschweißens ermöglicht eine breitere Anwendung des Laserschweißens und führt zu effizientem Präzisionsschweißen auch bei größeren Werkstücken und breiteren Schweißnähten. Dadurch werden die Anforderungen an den grundlegenden Prozess und die Montagegenauigkeit des Produkts reduziert.
Veröffentlichungsdatum: 21. Februar 2025
