Mechanismus und Unterdrückungsschema der Entstehung von Laserschweißspritzern

Definition von Schweißspritzern: Schweißspritzer bezeichnen die während des Schweißprozesses aus dem Schmelzbad austretenden Tropfen geschmolzenen Metalls. Diese Tropfen können auf die umgebende Arbeitsfläche gelangen und dort Rauheit und Unebenheiten verursachen. Zudem können sie die Qualität des Schmelzbades beeinträchtigen und so zu Dellen, Ausbrennstellen und anderen Fehlern an der Schweißnahtoberfläche führen, welche die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht mindern.

Schweißspritzer bezeichnen die beim Schweißen aus dem Schmelzbad austretenden Tropfen geschmolzenen Metalls. Diese Tropfen können auf die umgebende Arbeitsfläche gelangen und dort Rauheit und Unebenheiten verursachen. Zudem können sie die Qualität des Schmelzbads beeinträchtigen und so zu Dellen, Ausbrennstellen und anderen Defekten an der Schweißnahtoberfläche führen, welche die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht negativ beeinflussen.

Spritzwasserklassifizierung:

Kleine Spritzer: Erstarrungströpfchen am Rand der Schweißnaht und auf der Materialoberfläche, die hauptsächlich das Aussehen beeinträchtigen und keinen Einfluss auf die Leistung haben; Im Allgemeinen gilt als Unterscheidungsgrenze, dass der Tropfen weniger als 20 % der Schmelzbreite der Schweißnaht beträgt;

Große Spritzer: Es kommt zu Qualitätseinbußen, die sich in Form von Dellen, Explosionsstellen, Hinterschneidungen usw. an der Oberfläche des Materials äußern.SchweißnahtDies kann zu ungleichmäßiger Beanspruchung und Dehnung führen und die Leistungsfähigkeit der Schweißnaht beeinträchtigen. Der Schwerpunkt liegt auf diesen Fehlertypen.

Ablauf des Spritzvorgangs:

Spritzer entstehen durch das Herausspritzen von geschmolzenem Metall in das Schmelzbad, annähernd senkrecht zur Oberfläche der Schweißflüssigkeit, bedingt durch hohe Beschleunigung. Dies ist in der Abbildung unten deutlich zu erkennen: Die Flüssigkeitssäule steigt aus der Schweißschmelze auf und zerfällt in Tröpfchen, wodurch Spritzer entstehen.

Unfallort

Laserschweißenwird unterteilt in Wärmeleitfähigkeits- und Tiefschweißen.

Beim Wärmeleitschweißen entstehen nahezu keine Spritzer: Die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich von der Materialoberfläche in das Innere, wobei fast keine Spritzer entstehen. Es kommt weder zu starker Metallverdampfung noch zu physikalischen metallurgischen Reaktionen.

Beim Tiefschweißen kommt es hauptsächlich zu Spritzern: Beim Tiefschweißen dringt der Laser direkt in das Material ein, überträgt die Wärme durch die Schweißnaht auf das Material, und die Prozessreaktion ist intensiv, was dazu führt, dass es hauptsächlich zu Spritzern kommt.

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, nutzen einige Wissenschaftler Hochgeschwindigkeitsfotografie in Kombination mit hochtemperaturbeständigem, transparentem Glas, um die Bewegung des Schweißkanals beim Laserschweißen zu beobachten. Dabei zeigt sich, dass der Laser im Wesentlichen auf die Vorderwand des Schweißkanals trifft und die Schmelze nach unten drückt. Diese fließt dann am Schweißkanal vorbei und erreicht den hinteren Teil des Schmelzbades. Die Position des Laserstrahls im Schweißkanal ist nicht fix; der Laser befindet sich dort im Fresnel-Absorptionszustand. Tatsächlich handelt es sich um einen Zustand mehrfacher Brechung und Absorption, wodurch das Schmelzbad erhalten bleibt. Die Position der Laserbrechung ändert sich während jedes Prozesses mit dem Winkel der Schweißkanalwand, was zu einer Drehbewegung des Schweißkanals führt. Die Position der Laserbestrahlung schmilzt, verdampft, wird Kräften ausgesetzt und verformt sich, wodurch die peristaltische Schwingung fortschreitet.

Der oben erwähnte Vergleich verwendet hochtemperaturbeständiges, transparentes Glas, das im Prinzip einer Querschnittsansicht des Schmelzbades entspricht. Der Fließzustand des Schmelzbades unterscheidet sich jedoch von der Realität. Daher haben einige Wissenschaftler die Schnellgefriertechnologie eingesetzt. Während des Schweißprozesses wird das Schmelzbad schlagartig abgekühlt, um den momentanen Zustand im Inneren des Schweißkanals zu simulieren. Man erkennt deutlich, dass der Laser auf die Vorderwand des Schweißkanals trifft und eine Stufe bildet. Der Laser wirkt auf diese Stufe ein und drückt das Schmelzbad nach unten. Dabei füllt er den Spalt im Schweißkanal während seiner Vorwärtsbewegung und erhält so ein annäherndes Fließdiagramm des Schmelzbades im Inneren des Schweißkanals. Wie in der Abbildung rechts dargestellt, bewirkt der durch die Laserablation des flüssigen Metalls erzeugte Rückstoßdruck, dass das Schmelzbad die Vorderwand umgeht. Der Schweißkanal bewegt sich zum hinteren Ende des Schmelzbades, wobei das Schmelzbad wie eine Fontäne von hinten nach oben schießt und auf die Oberfläche des hinteren Schmelzbades trifft. Gleichzeitig wird das flüssige Metall im hinteren Teil des Schmelzbades aufgrund der Oberflächenspannung (je niedriger die Temperatur, desto größer die Wirkung) zum Rand des Schmelzbades gezogen und erstarrt dort kontinuierlich. Das flüssige Metall, das später erstarrt, fließt zurück zum hinteren Ende des Schmelzbades usw.

Schematische Darstellung des Laser-Tiefschweißens mit Keyhole-Technologie: A: Schweißrichtung; B: Laserstrahl; C: Keyhole; D: Metalldampf, Plasma; E: Schutzgas; F: Keyhole-Vorderwand (Vorschmelzschleifen); G: Horizontaler Fluss des geschmolzenen Materials durch den Keyhole-Pfad; H: Erstarrungsgrenzfläche des Schmelzbades; I: Abwärtsfluss des Schmelzbades.

Zusammenfassung:

Der Wechselwirkungsprozess zwischen Laser und Material: Der Laser wirkt auf die Materialoberfläche und erzeugt intensive Ablation. Das Material wird zunächst erhitzt, schmilzt und verdampft. Während der intensiven Verdampfung steigt der Metalldampf auf und erzeugt einen Rückstoßdruck auf das Schmelzbad, wodurch ein Kernloch entsteht. Der Laser dringt in das Kernloch ein und durchläuft mehrere Emissions- und Absorptionsprozesse, wodurch kontinuierlich Metalldampf zugeführt wird, der das Kernloch aufrechterhält. Der Laser wirkt hauptsächlich auf die Vorderwand des Kernlochs, und die Verdampfung findet hauptsächlich an dieser Wand statt. Der Rückstoßdruck drückt das flüssige Metall von der Vorderwand des Kernlochs um das Kernloch herum in Richtung des hinteren Endes des Schmelzbads. Die mit hoher Geschwindigkeit um das Kernloch strömende Flüssigkeit trifft auf das Schmelzbad und bildet Wellen. Angetrieben von der Oberflächenspannung bewegt sie sich dann zum Rand und erstarrt in diesem Zyklus. Spritzer entstehen hauptsächlich am Rand der Kernlochöffnung, und das flüssige Metall an der Vorderwand umströmt das Kernloch mit hoher Geschwindigkeit und trifft auf die hintere Wand des Schmelzbads.