Vergleich von Einzelmodus-, Mehrmodus-, Ring- und Hybrid-Laserschweißverfahren

Schweißen ist ein Verfahren, bei dem zwei oder mehr Metalle durch Wärmezufuhr miteinander verbunden werden. Typischerweise wird beim Schweißen ein Werkstoff bis zu seinem Schmelzpunkt erhitzt, sodass das Grundmetall schmilzt und die Spalten zwischen den Fügeteilen ausfüllt, wodurch eine feste Verbindung entsteht. Laserschweißen ist ein Verbindungsverfahren, bei dem ein Laser als Wärmequelle dient.

Nehmen wir als Beispiel eine quadratische Hochleistungsbatterie: Der Batteriekern wird mittels Laser über mehrere Teile verbunden. Während des gesamten Laserschweißprozesses sind die Festigkeit der Materialverbindung, die Produktionseffizienz und die Fehlerrate drei zentrale Aspekte für die Industrie. Die Festigkeit der Materialverbindung spiegelt sich in der metallografischen Eindringtiefe und -breite wider (die eng mit der Laserlichtquelle zusammenhängen); die Produktionseffizienz hängt hauptsächlich von der Bearbeitungsfähigkeit der Laserlichtquelle ab; die Fehlerrate ist vor allem von der Wahl der Laserlichtquelle abhängig. Daher werden in diesem Artikel die gängigen Laserlichtquellen auf dem Markt vorgestellt. Ein einfacher Vergleich verschiedener Laserlichtquellen soll anderen Prozessentwicklern als Orientierung dienen.

WeilLaserschweißenEs handelt sich im Wesentlichen um einen Licht-zu-Wärme-Umwandlungsprozess. Zu den wichtigsten Parametern gehören: Strahlqualität (BBP, M2, Divergenzwinkel), Energiedichte, Kerndurchmesser, Energieverteilungsform, adaptiver Schweißkopf, Verarbeitungsprozessfenster und verarbeitbare Materialien. Laserlichtquellen werden hauptsächlich aus diesen Blickwinkeln analysiert und verglichen.

Vergleich von Singlemode- und Multimode-Lasern

Definition des Einzelmodus-Mehrmodus:

Der Begriff „Einzelmodus“ bezeichnet ein einzelnes Verteilungsmuster der Laserenergie in einer zweidimensionalen Ebene, während „Mehrmodenbetrieb“ die räumliche Energieverteilung durch die Überlagerung mehrerer Verteilungsmuster beschreibt. Im Allgemeinen lässt sich anhand des M²-Faktors (Magnetfeldqualität) beurteilen, ob ein Faserlaser im Einzelmodus oder Mehrmodenbetrieb arbeitet: Ein M²-Wert unter 1,3 kennzeichnet einen reinen Einzelmodenlaser, ein Wert zwischen 1,3 und 2,0 einen quasi-Einzelmodenlaser (Mehrmodenlaser) und ein Wert über 2,0 einen Mehrmodenlaser.

WeilLaserschweißenEs handelt sich im Wesentlichen um einen Licht-zu-Wärme-Umwandlungsprozess. Zu den wichtigsten Parametern gehören: Strahlqualität (BBP, M2, Divergenzwinkel), Energiedichte, Kerndurchmesser, Energieverteilungsform, adaptiver Schweißkopf, Verarbeitungsprozessfenster und verarbeitbare Materialien. Laserlichtquellen werden hauptsächlich aus diesen Blickwinkeln analysiert und verglichen.

Vergleich von Singlemode- und Multimode-Lasern

Definition des Einzelmodus-Mehrmodus:

Der Begriff „Einzelmodus“ bezeichnet ein einzelnes Verteilungsmuster der Laserenergie in einer zweidimensionalen Ebene, während „Mehrmodenbetrieb“ die räumliche Energieverteilung durch die Überlagerung mehrerer Verteilungsmuster beschreibt. Im Allgemeinen lässt sich anhand des M²-Faktors (Magnetfeldqualität) beurteilen, ob ein Faserlaser im Einzelmodus oder Mehrmodenbetrieb arbeitet: Ein M²-Wert unter 1,3 kennzeichnet einen reinen Einzelmodenlaser, ein Wert zwischen 1,3 und 2,0 einen quasi-Einzelmodenlaser (Mehrmodenlaser) und ein Wert über 2,0 einen Mehrmodenlaser.

Wie in Abbildung b dargestellt, zeigt diese die Energieverteilung eines einzelnen Grundmodus. Die Energieverteilung in jeder Richtung durch den Mittelpunkt des Kreises hat die Form einer Gauß-Kurve. Abbildung a zeigt die Energieverteilung mehrerer Moden, also die räumliche Energieverteilung, die durch die Überlagerung mehrerer einzelner Lasermoden entsteht. Das Ergebnis dieser Überlagerung ist eine Kurve mit flachem Maximum.

Gängige Einmodenlaser: IPG YLR-2000-SM ​​(SM steht für Single Mode). Die Berechnungen verwenden einen kollimierten Fokus von 150–250 zur Ermittlung der Fokusfleckgröße. Die Energiedichte beträgt 2000 W, und die fokussierte Energiedichte dient als Vergleichswert.

Vergleich von Einmoden- und MehrmodenbetriebLaserschweißenEffekte

Einmodenlaser: kleiner Kerndurchmesser, hohe Energiedichte, starkes Eindringvermögen, kleine Wärmeeinflusszone (ähnlich einem scharfen Messer). Besonders geeignet zum Schweißen dünner Bleche und für Hochgeschwindigkeitsschweißungen. In Kombination mit Galvanometern können damit Kleinteile und hochreflektierende Teile (z. B. Ohren, Verbindungsstücke) bearbeitet werden. Wie in der Abbildung dargestellt, weist der Einmodenlaser ein kleineres Keyhole und ein begrenztes Volumen an internem Hochdruck-Metalldampf auf, wodurch Defekte wie innere Poren in der Regel vermieden werden. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist die Oberfläche ohne Schutzgaszufuhr rau. Bei hohen Geschwindigkeiten wird Schutzgas zugeführt. Die Gasbearbeitungsqualität ist gut, die Effizienz hoch, die Schweißnähte sind glatt und eben, und die Ausbeute ist hoch. Der Laser eignet sich für Stapel- und Eindringschweißen.

Multimode-Laser: Großer Kerndurchmesser, etwas geringere Energiedichte als beim Singlemode-Laser, stumpfes Messer, größeres Keyhole, dickere Metallstruktur, kleineres Tiefen-Breiten-Verhältnis und bei gleicher Leistung ist die Eindringtiefe 30 % geringer als beim Singlemode-Laser, daher eignet er sich für die Stumpfschweißbearbeitung und die Bearbeitung dicker Bleche mit großen Montagespalten.

Composite-Ring-Laserkontrast

Hybridschweißen: Der Halbleiterlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 915 nm und der Faserlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 1070 nm werden im selben Schweißkopf kombiniert. Die beiden Laserstrahlen sind koaxial angeordnet, und ihre Fokusebenen lassen sich flexibel einstellen, sodass das Produkt sowohl Halbleiter- als auch Faserlasereigenschaften aufweist.LaserschweißenEigenschaften nach dem Schweißen. Der Effekt ist hell und weist eine gute Fasertiefe auf.Laserschweißen.

In der Halbleiterindustrie wird häufig ein großer Lichtfleck von mehr als 400 µm verwendet, der hauptsächlich für das Vorheizen des Materials, das Aufschmelzen der Materialoberfläche und die Erhöhung der Absorptionsrate des Faserlasers durch das Material verantwortlich ist (die Absorptionsrate des Lasers durch das Material steigt mit der Temperatur).

Ringlaser: Zwei Faserlasermodule emittieren Laserlicht, das über eine Verbundlichtfaser (Ringlichtfaser innerhalb einer zylindrischen Lichtfaser) auf die Materialoberfläche übertragen wird.

Zwei Laserstrahlen mit ringförmigem Fokus: Der äußere Ring erweitert die Schweißnahtöffnung und schmilzt das Material, während der innere Ring die Eindringtiefe bestimmt und so spritzerarmes Schweißen ermöglicht. Die Leistungskerndurchmesser der inneren und äußeren Laserstrahlen sowie der Kerndurchmesser selbst sind frei wählbar. Das Prozessfenster ist flexibler als bei einem einzelnen Laserstrahl.

Vergleich der Effekte des Verbund-Kreisschweißens

Da es sich beim Hybridschweißen um eine Kombination aus Halbleiter-Wärmeleitfähigkeitsschweißen und faseroptischem Tiefschweißen handelt, ist der äußere Ring der Schweißnaht flacher, die metallographische Struktur schärfer und schlanker; gleichzeitig weist das Erscheinungsbild Wärmeleitfähigkeit auf, das Schmelzbad hat geringe Schwankungen, einen großen Bereich und ist stabiler, was zu einem glatteren Erscheinungsbild führt.

Da der Ringlaser eine Kombination aus Tiefschweißen und Verbundschweißen darstellt, kann auch der äußere Ring eine Eindringtiefe erzeugen, wodurch die Keyhole-Öffnung effektiv erweitert wird. Bei gleicher Leistung ergeben sich eine größere Eindringtiefe und dickere Metallographieschichten, jedoch ist die Stabilität des Schmelzbades etwas geringer als beim Verbundschweißen. Die Schwankungen beim optischen Faser-Halbleiterschweißen sind etwas größer als beim Verbundschweißen, und die Rauheit ist relativ hoch.