Das Zweistrahl-Schweißverfahren wird vorgeschlagen, hauptsächlich um die Anpassungsfähigkeit zu lösenLaserschweißenZur Verbesserung der Montagegenauigkeit, der Stabilität des Schweißprozesses und der Schweißnahtqualität, insbesondere beim Schweißen dünner Bleche und Aluminiumlegierungen, ist das Doppelstrahl-Laserschweißen von großem Vorteil. Es nutzt optische Verfahren, um einen Laserstrahl in zwei separate Lichtstrahlen aufzuteilen. Alternativ können auch zwei verschiedene Lasertypen kombiniert werden, beispielsweise CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser und Hochleistungs-Halbleiterlaser. Durch die Anpassung von Strahlenergie, Strahlabstand und sogar des Energieverteilungsmusters der beiden Strahlen lässt sich das Temperaturfeld beim Schweißen einfach und flexibel einstellen. Dadurch werden die Porenstruktur und das Fließverhalten des flüssigen Metalls im Schmelzbad beeinflusst, was zu einer optimierten Schweißlösung führt. Die vielfältigen Möglichkeiten des Doppelstrahl-Laserschweißens sind dem Einzelstrahl-Laserschweißen nicht gewachsen. Es bietet nicht nur Vorteile wie hohe Schweißtiefe, Geschwindigkeit und Präzision, sondern eignet sich auch hervorragend für Werkstoffe und Verbindungen, die mit konventionellem Laserschweißen schwer zu schweißen sind.
Prinzip desDoppelstrahl-Laserschweißen
Doppelstrahlschweißen bedeutet, dass während des Schweißprozesses zwei Laserstrahlen gleichzeitig eingesetzt werden. Die Strahlanordnung, der Strahlabstand, der Winkel zwischen den beiden Strahlen, die Fokusposition und das Energieverhältnis der beiden Strahlen sind relevante Parameter beim Doppelstrahl-Laserschweißen. Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, die Doppelstrahlen während des Schweißprozesses anzuordnen. Wie in der Abbildung dargestellt, können sie zum einen in Reihe entlang der Schweißrichtung angeordnet werden. Diese Anordnung kann die Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades verringern und somit die Härtbarkeit der Schweißnaht sowie die Porenbildung reduzieren. Zum anderen können sie nebeneinander oder kreuzweise beidseitig der Schweißnaht angeordnet werden, um die Anpassungsfähigkeit an den Schweißspalt zu verbessern.
Doppelstrahl-Laserschweißprinzip
Doppelstrahlschweißen bedeutet, dass während des Schweißprozesses zwei Laserstrahlen gleichzeitig eingesetzt werden. Die Strahlanordnung, der Strahlabstand, der Winkel zwischen den beiden Strahlen, die Fokusposition und das Energieverhältnis der beiden Strahlen sind relevante Parameter beim Doppelstrahl-Laserschweißen. Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, die Doppelstrahlen während des Schweißprozesses anzuordnen. Wie in der Abbildung dargestellt, können sie zum einen in Reihe entlang der Schweißrichtung angeordnet werden. Diese Anordnung kann die Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades verringern und somit die Härtbarkeit der Schweißnaht sowie die Porenbildung reduzieren. Zum anderen können sie nebeneinander oder kreuzweise beidseitig der Schweißnaht angeordnet werden, um die Anpassungsfähigkeit an den Schweißspalt zu verbessern.
Bei einem Tandem-Laserschweißsystem mit zwei Laserstrahlen gibt es drei verschiedene Schweißmechanismen, die vom Abstand zwischen dem vorderen und dem hinteren Strahl abhängen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
1. Beim ersten Schweißverfahren ist der Abstand zwischen den beiden Lichtstrahlen relativ groß. Ein Lichtstrahl mit höherer Energiedichte wird auf die Werkstückoberfläche fokussiert, um beim Schweißen Schlüssellöcher zu erzeugen; der andere Lichtstrahl mit geringerer Energiedichte dient lediglich als Wärmequelle für die Vor- oder Nachbehandlung des Schweißprozesses. Mit diesem Schweißverfahren lässt sich die Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades in einem bestimmten Bereich steuern. Dies ist vorteilhaft beim Schweißen von Werkstoffen mit hoher Rissempfindlichkeit, wie z. B. hochkohlenstoffhaltigem Stahl und legiertem Stahl, und kann zudem die Zähigkeit der Schweißnaht verbessern.
2. Beim zweiten Schweißverfahren ist der Fokusabstand der beiden Lichtstrahlen relativ gering. Die beiden Lichtstrahlen erzeugen zwei unabhängige Schweißkanäle im Schmelzbad, wodurch sich das Fließverhalten des flüssigen Metalls verändert und ein Fressen verhindert wird. Dadurch lassen sich Fehler wie Kanten und Schweißnahtwülste vermeiden und die Schweißnahtbildung verbessern.
3. Beim dritten Schweißverfahren ist der Abstand zwischen den beiden Lichtstrahlen sehr gering. Dadurch erzeugen beide Lichtstrahlen im Schmelzbad ein identisches Schlüsselloch. Im Vergleich zum Ein-Strahl-Laserschweißen ist das Schlüsselloch größer und schließt sich nicht so leicht. Dadurch ist der Schweißprozess stabiler und das Gas kann leichter abgeführt werden, was die Bildung von Poren und Spritzern reduziert und zu durchgehenden, gleichmäßigen und optisch ansprechenden Schweißnähten führt.
Während des Schweißprozesses können die beiden Laserstrahlen in einem bestimmten Winkel zueinander ausgerichtet werden. Der Schweißmechanismus ähnelt dem des parallelen Doppelstrahlschweißens. Testergebnisse zeigen, dass durch die Verwendung zweier Hochleistungslaser mit einem Winkel von 30° und einem Abstand von 1–2 mm ein trichterförmiges Schweißloch erzeugt werden kann. Die Größe des Schweißlochs ist größer und stabiler, was die Schweißqualität deutlich verbessert. In der Praxis kann die Überlagerung der beiden Lichtstrahlen je nach Schweißbedingungen variiert werden, um unterschiedliche Schweißprozesse zu erzielen.
6. Durchführungsverfahren für das Doppelstrahl-Laserschweißen
Die Erzeugung von Doppelstrahlen kann durch die Kombination zweier unterschiedlicher Laserstrahlen erfolgen. Alternativ kann ein Laserstrahl mithilfe eines optischen Spektrometers in zwei Laserstrahlen zum Schweißen aufgeteilt werden. Zur Aufteilung eines Lichtstrahls in zwei parallele Laserstrahlen unterschiedlicher Leistung kann ein Spektrometer oder ein spezielles optisches System verwendet werden. Die Abbildung zeigt zwei schematische Darstellungen der Lichtteilungsprinzipien mithilfe von Fokussierspiegeln als Strahlteiler.
Darüber hinaus kann ein Reflektor auch als Strahlteiler eingesetzt werden, wobei der letzte Reflektor im optischen Strahlengang als Strahlteiler fungieren kann. Dieser Reflektortyp wird auch Dachkantreflektor genannt. Seine reflektierende Oberfläche ist nicht eben, sondern besteht aus zwei Ebenen. Die Schnittlinie dieser beiden reflektierenden Oberflächen befindet sich, ähnlich einem Dachfirst, in der Mitte der Spiegelfläche (siehe Abbildung). Ein paralleler Lichtstrahl trifft auf das Spektroskop, wird von den beiden Ebenen unter unterschiedlichen Winkeln reflektiert und bildet so zwei Lichtstrahlen, die auf unterschiedliche Positionen des Fokussierspiegels treffen. Nach der Fokussierung befinden sich die beiden Lichtstrahlen in einem bestimmten Abstand auf der Werkstückoberfläche. Durch Verändern des Winkels zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen und der Position des Dachfirsts lassen sich aufgespaltene Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Fokusabständen und -anordnungen erzeugen.
Bei der Verwendung von zwei verschiedenen Arten vonLaserstrahlen tZur Erzeugung eines Doppelstrahls gibt es zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten. Ein hochwertiger CO₂-Laser mit Gaußscher Energieverteilung eignet sich für die Hauptschweißarbeiten, während ein Halbleiterlaser mit rechteckiger Energieverteilung die Wärmebehandlung unterstützt. Diese Kombination ist einerseits wirtschaftlicher, andererseits lässt sich die Leistung beider Laserstrahlen unabhängig voneinander einstellen. Durch die Anpassung der Überlappungsposition von Laser und Halbleiterlaser kann für unterschiedliche Fügeformen ein einstellbares Temperaturfeld erzeugt werden, was sich hervorragend für die Prozesssteuerung beim Schweißen eignet. Darüber hinaus lassen sich YAG-Laser und CO₂-Laser zu einem Doppelstrahl für das Schweißen kombinieren, ebenso wie Dauerstrich- und Pulslaser oder fokussierte und defokussierte Strahlen.
7. Prinzip des Doppelstrahl-Laserschweißens
3.1 Doppelstrahl-Laserschweißen von verzinkten Blechen
Verzinktes Stahlblech ist der am häufigsten verwendete Werkstoff in der Automobilindustrie. Der Schmelzpunkt von Stahl liegt bei etwa 1500 °C, der Siedepunkt von Zink hingegen nur bei 906 °C. Daher entsteht beim Schmelzschweißen üblicherweise eine große Menge Zinkdampf, was den Schweißprozess instabil macht und zur Bildung von Poren in der Schweißnaht führt. Bei Überlappverbindungen verdampft die Zinkschicht nicht nur an der Ober- und Unterseite, sondern auch an der Fügefläche. Während des Schweißprozesses tritt der Zinkdampf an manchen Stellen schnell aus dem Schmelzbad aus, während er an anderen Stellen nur schwer entweichen kann. An der Oberfläche des Schmelzbades ist die Schweißnahtqualität daher sehr instabil.
Doppelstrahl-Laserschweißen kann die durch Zinkdampf verursachten Schweißqualitätsprobleme lösen. Eine Methode besteht darin, die Verweilzeit und Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades durch eine optimale Abstimmung der Energie beider Laserstrahlen zu steuern, um den Zinkdampf abzuführen. Eine andere Methode ist das Vorbohren oder -nuten, um den Zinkdampf abzuführen. Wie in Abbildung 6-31 dargestellt, wird ein CO₂-Laser zum Schweißen verwendet. Der YAG-Laser ist dem CO₂-Laser vorgeschaltet und dient zum Bohren von Löchern oder Nuten. Die vorbearbeiteten Löcher oder Nuten bieten einen Abflussweg für den beim nachfolgenden Schweißen entstehenden Zinkdampf und verhindern so, dass dieser im Schmelzbad verbleibt und Defekte verursacht.
3.2 Doppelstrahl-Laserschweißen von Aluminiumlegierungen
Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen ergeben sich beim Laserschweißen folgende Schwierigkeiten [39]: Aluminiumlegierungen weisen eine geringe Laserabsorption auf, und die Anfangsreflexion der CO₂-Laserstrahloberfläche liegt über 90 %. Schweißnähte von Aluminiumlegierungen neigen zu Porosität und Rissen; zudem kann es während des Schweißens zu Verbrennungen von Legierungselementen kommen. Beim Ein-Strahl-Laserschweißen ist es schwierig, ein stabiles Dampfkammprofil zu erzeugen. Das Zwei-Strahl-Laserschweißen vergrößert das Dampfkammprofil und erschwert dessen Schließung, was die Gasabfuhr begünstigt. Außerdem reduziert es die Abkühlgeschwindigkeit und damit das Auftreten von Poren und Schweißrissen. Da der Schweißprozess stabiler ist und weniger Spritzer entstehen, ist die Schweißnahtoberfläche beim Zwei-Strahl-Schweißen von Aluminiumlegierungen deutlich besser als beim Ein-Strahl-Schweißen. Abbildung 6-32 zeigt die Schweißnaht einer 3 mm dicken Aluminiumlegierung, die mittels CO₂-Ein-Strahl-Laser und Zwei-Strahl-Laserschweißen hergestellt wurde.
Untersuchungen zeigen, dass beim Schweißen von 2 mm dickem Aluminium der 5000er-Serie der Schweißstrahl bei einem Abstand von 0,6–1,0 mm zwischen den beiden Strahlen der Schweißprozess relativ stabil verläuft und sich eine größere Schlüssellochöffnung bildet. Dies begünstigt die Verdampfung und das Entweichen von Magnesium während des Schweißens. Ist der Abstand zwischen den Strahlen zu gering, verläuft der Schweißprozess eines einzelnen Strahls instabil. Ist er zu groß, wird die Schweißnahtdurchdringung beeinträchtigt (siehe Abbildung 6-33). Darüber hinaus hat das Energieverhältnis der beiden Strahlen einen großen Einfluss auf die Schweißqualität. Werden zwei Strahlen mit einem Abstand von 0,9 mm in Reihe zum Schweißen angeordnet, sollte die Energie des vorhergehenden Strahls entsprechend erhöht werden, sodass das Energieverhältnis der beiden Strahlen größer als 1:1 ist. Dies trägt zur Verbesserung der Schweißnahtqualität bei, vergrößert die Schmelzfläche und ermöglicht auch bei hoher Schweißgeschwindigkeit eine glatte und schöne Schweißnaht.
3.3 Doppelstrahlschweißen von Blechen ungleicher Dicke
In der industriellen Fertigung ist es häufig erforderlich, zwei oder mehr Metallplatten unterschiedlicher Dicke und Form zu einer Verbindungsplatte zu verschweißen. Insbesondere in der Automobilproduktion gewinnt die Verwendung von maßgeschneiderten Schweißzusätzen immer mehr an Bedeutung. Durch das Verschweißen von Platten mit unterschiedlichen Spezifikationen, Oberflächenbeschichtungen oder Eigenschaften lassen sich die Festigkeit erhöhen, der Materialverbrauch reduzieren und die Qualität beeinträchtigen. Beim Blechschweißen wird üblicherweise das Laserschweißen von Platten unterschiedlicher Dicke eingesetzt. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, dass die zu verschweißenden Platten mit hochpräzisen Kanten vorgeformt sein müssen, um eine präzise Montage zu gewährleisten. Das Doppelstrahlschweißen von Platten ungleicher Dicke ermöglicht die Anpassung an unterschiedliche Plattenspalte, Stumpfstöße, relative Dicken und Plattenmaterialien. Es erlaubt das Verschweißen von Platten mit größeren Kanten- und Spalttoleranzen und verbessert Schweißgeschwindigkeit und Schweißqualität.
Die wichtigsten Prozessparameter des Schweißverfahrens von Platten unterschiedlicher Dicke nach Shuangguangdong lassen sich, wie in der Abbildung dargestellt, in Schweiß- und Plattenparameter unterteilen. Zu den Schweißparametern zählen die Leistung der beiden Laserstrahlen, die Schweißgeschwindigkeit, die Fokusposition, der Schweißkopfwinkel, der Strahldrehwinkel der Doppelstrahl-Stumpfstoßverbindung und der Schweißversatz. Plattenparameter umfassen Materialgröße, Eigenschaften, Beschnittbedingungen, Plattenspalte usw. Die Leistung der beiden Laserstrahlen kann je nach Schweißzweck separat eingestellt werden. Die Fokusposition befindet sich in der Regel auf der Oberfläche der dünnen Platte, um einen stabilen und effizienten Schweißprozess zu gewährleisten. Der Schweißkopfwinkel wird üblicherweise auf etwa 6° gewählt. Bei relativ großer Plattendicke kann ein positiver Schweißkopfwinkel verwendet werden, d. h. der Laser wird zur dünnen Platte hin geneigt (siehe Abbildung); bei relativ geringer Plattendicke kann ein negativer Schweißkopfwinkel verwendet werden. Der Schweißversatz ist definiert als der Abstand zwischen dem Laserfokus und der Kante der dicken Platte. Durch Anpassen des Schweißversatzes kann die Menge der Schweißnahtausbeulung reduziert und ein guter Schweißnahtquerschnitt erzielt werden.
Beim Schweißen von Blechen mit großen Spalten lässt sich der effektive Strahldurchmesser durch Drehen des Doppelstrahlwinkels vergrößern, um eine gute Spaltfüllung zu erzielen. Die Breite der Schweißnahtoberseite wird durch den effektiven Strahldurchmesser der beiden Laserstrahlen, also den Drehwinkel, bestimmt. Je größer der Drehwinkel, desto größer der Erwärmungsbereich des Doppelstrahls und desto breiter der obere Teil der Schweißnaht. Die beiden Laserstrahlen erfüllen im Schweißprozess unterschiedliche Funktionen. Einer dient hauptsächlich dem Durchdringen der Naht, der andere dem Aufschmelzen des dicken Blechmaterials zum Füllen der Spalte. Wie in Abbildung 6-35 dargestellt, trifft bei einem positiven Strahldrehwinkel (der vordere Strahl wirkt auf das dicke Blech, der hintere auf die Schweißnaht) der vordere Strahl auf das dicke Blech, um das Material zu erhitzen und aufzuschmelzen, während der nachfolgende Laserstrahl das Durchdringen bewirkt. Der erste Laserstrahl an der Vorderseite kann die dicke Platte nur teilweise aufschmelzen, trägt aber wesentlich zum Schweißprozess bei. Er schmilzt nicht nur die Seiten der dicken Platte an, um den Spalt besser zu füllen, sondern verbindet das Material auch vor, sodass die nachfolgenden Strahlen die Fugen leichter durchschweißen können, was ein schnelleres Schweißen ermöglicht. Beim Doppelstrahlschweißen mit negativem Drehwinkel (der vordere Strahl wirkt auf die Schweißnaht, der hintere auf die dicke Platte) haben die beiden Strahlen genau die gegenteilige Wirkung. Der vordere Strahl schmilzt die Fügefläche, der hintere die dicke Platte, um den Spalt zu füllen. In diesem Fall muss der vordere Strahl die kalte Platte durchschweißen, und die Schweißgeschwindigkeit ist geringer als bei einem positiven Drehwinkel. Aufgrund der Vorwärmwirkung des vorherigen Strahls schmilzt der hintere Strahl bei gleicher Leistung mehr Material der dicken Platte. Daher sollte die Leistung des hinteren Laserstrahls entsprechend reduziert werden. Im Vergleich dazu kann ein positiver Drehwinkel die Schweißgeschwindigkeit erhöhen, während ein negativer Drehwinkel eine bessere Spaltfüllung ermöglicht. Abbildung 6-36 zeigt den Einfluss unterschiedlicher Strahlrotationswinkel auf den Querschnitt der Schweißnaht.
3.4 Doppelstrahl-Laserschweißen großer, dicker Bleche Dank der Steigerung der Laserleistung und der Verbesserung der Strahlqualität ist das Laserschweißen großer, dicker Bleche Realität geworden. Da Hochleistungslaser jedoch teuer sind und das Schweißen großer, dicker Bleche in der Regel Zusatzwerkstoffe erfordert, bestehen in der praktischen Fertigung gewisse Einschränkungen. Der Einsatz der Doppelstrahl-Laserschweißtechnologie ermöglicht nicht nur eine Erhöhung der Laserleistung, sondern auch eine Vergrößerung des effektiven Strahldurchmessers, eine verbesserte Aufschmelzung des Zusatzwerkstoffs, eine Stabilisierung des Laser-Schweißkanals, eine höhere Schweißstabilität und eine gesteigerte Schweißqualität.
Veröffentlichungsdatum: 29. April 2024
