Inhaltsverzeichnis:
Hochpräzise Prozessparameter beim Laserschweißen
Passend fürLaserschweißtechnologie
Vorteile des Laserschweißens
Hochpräzises Laser-Tiefschmelzschweißen
Laserschweißen von importiertem Stahl
1. Parameter des Laserschweißprozesses:
1.1 Leistungsdichte:
Die Leistungsdichte ist ein Schlüsselparameter bei der Laserbearbeitung. Eine höhere Leistungsdichte kann die Oberflächenschicht innerhalb weniger Mikrosekunden auf ihren Siedepunkt erhitzen, was zu einer erheblichen Verdampfung führt. Daher ist eine hohe Leistungsdichte für Materialabtragsprozesse wie Schneiden, Gravieren und Bohren förderlich. Bei einer niedrigeren Leistungsdichte hingegen dauert es einige Millisekunden, bis der Siedepunkt der Oberflächentemperatur erreicht ist. Dadurch erreicht die untere Schicht den Schmelzpunkt, bevor die Oberflächenschicht verdampft, was die Bildung einer festen Schweißnaht erleichtert. Daher liegt die Leistungsdichte beim leitungsgebundenen Laserschweißen üblicherweise im Bereich von 10^4 bis 10^6 W/cm².
1.2 Laserpulsbreite:
Die Pulsbreite ist ein wichtiger Parameter beim gepulsten Laserschweißen. Sie unterscheidet sich nicht nur vom Materialabtrag und -schmelzen, sondern ist auch ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Kosten und des Volumens der Verarbeitungsgeräte.
1.3 Der Einfluss der Defokussierung auf die Schweißqualität:
Beim Laserschweißen ist in der Regel eine gewisse Defokussierung erforderlich, da die Leistungsdichte im Zentrum des Laserfokus hoch ist und es dadurch leicht zu Verdampfung und Löchern kommen kann. Auf der vom Laserfokus abgewandten Ebene hingegen ist die Leistungsdichteverteilung relativ gleichmäßig.
Es stehen zwei Defokussierungsmodi zur Auswahl: positive Defokussierung und negative Defokussierung. Eine positive Defokussierung tritt auf, wenn sich die Fokusebene über dem Werkstück befindet, eine negative Defokussierung tritt unterhalb des Werkstücks auf.
Eine negative Defokussierung führt zu einer größeren Schmelztiefe, die mit dem Bildungsprozess des Bades zusammenhängt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Material innerhalb von 50 bis 200 µs nach der Erwärmung durch den Laser zu schmelzen beginnt, wobei sich ein flüssiges Metall bildet und Dampf unter kommerziellem Druck verdampft und mit extrem hoher Geschwindigkeit blendend weißes Licht ausstrahlt.
Gleichzeitig bewirkt die hohe Dampfkonzentration, dass sich das flüssige Metall zum Rand des Bades bewegt und in der Mitte des Bades eine Vertiefung bildet.
Bei negativer Defokussierung ist die innere Leistungsdichte des Materials höher als die Oberflächenleistungsdichte, was zu stärkerem Schmelzen und Verdampfen führt. Dadurch kann Lichtenergie in einen tieferen Teil des Materials übertragen werden, was zu einer stärkeren Durchdringung führt. Daher sollte bei größeren Schmelztiefen eine negative Defokussierung verwendet werden, während beim Schweißen dünner Materialien in der Praxis eine positive Defokussierung verwendet werden sollte.
2.Laserschweißtechnologie：
1) Board-to-Board-Schweißen:
Dazu gehören Stumpfschweißen, Endschweißen, mittig durchlässiges Schweißen und mittig perforiertes Schweißen.
2) Draht-zu-Draht-Schweißen:
Dazu gehören Draht-Draht-Stumpfschweißen, Kreuzschweißen, paralleles Überlappschweißen und T-Schweißen.
3) Schweißen von Draht- und Blockkomponenten:
Durch Laserschweißen kann der Draht erfolgreich mit dem Volumenelement verbunden werden, wobei die Größe des Volumenelements beliebig sein kann. Beim Schweißen ist auf die Geometrie des Linienelements zu achten.
4) Schweißen verschiedener Metalle:
Zum Schweißen verschiedener Metallarten ist es notwendig, deren Schweißbarkeit und den Bereich der Schweißbarkeitsparameter zu bestimmen.
Zu beachten ist, dass das Laserschweißen nur zwischen bestimmten Materialkombinationen durchgeführt werden kann.
Obwohl das Laserlöten möglicherweise nicht zum Verbinden bestimmter Komponenten geeignet ist, können Laser als Wärmequelle zum Weichlöten und Hartlöten verwendet werden, was auch die Vorteile des Laserschweißens bietet.
Es stehen verschiedene Schweißverfahren zur Auswahl. Laserschweißen wird hauptsächlich zum Schweißen von Leiterplatten (PCB) und insbesondere in der Wafermontagetechnik eingesetzt.
3. Vorteile des Laserschweißens:
Durch die lokale Erwärmung wird das Risiko einer thermischen Beschädigung der Komponenten verringert und eine kleine Wärmeeinflusszone geschaffen, die das Schweißen in der Nähe der thermischen Komponenten ermöglicht.
Durch berührungsloses Erhitzen kann Wasser ohne Hilfswerkzeuge geschmolzen werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung der doppelseitigen Leiterplatte nach der Installation der doppelseitigen Komponenten.
Die Stabilität bei wiederholten Vorgängen und die minimale Verschmutzung der Schweißwerkzeuge durch Flussmittel machen das Laserlöten zu einer günstigen Wahl. Darüber hinaus sind Laserbestrahlungszeit und Ausgangsleistung leicht zu steuern und die Laserlötausbeute ist hoch.
Durch den Einsatz optischer Komponenten wie Halblinsen, Spiegel, Prismen und Scanspiegel lässt sich der Laserstrahl einfach aufteilen. So können mehrere Punkte gleichzeitig symmetrisch verschweißt werden.
Beim Laserlöten wird hauptsächlich ein Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 µm als Wärmequelle verwendet, der über Glasfaser übertragen werden kann. Dies ermöglicht die Bearbeitung von Teilen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu schweißen sind, und bietet so mehr Flexibilität.
Der Laserstrahl verfügt über gute Fokussierungseigenschaften und lässt sich problemlos in Mehrstationenanlagen automatisieren.
4. Laser-Tiefschmelzschweißen:
4.1 Metallurgische Technologie und Prozesstheorie:
Der metallurgische Prozess des Laser-Tiefschmelzschweißens ähnelt dem Elektronenstrahlschweißen, das auf einer „kleinen Loch“-Struktur beruht, um die Energieumwandlung abzuschließen.
Bei ausreichend hoher Leistungsdichte verdampft das Material und bildet ein kleines Loch. Dieses Loch ist wie ein schwarzer Körper mit Dampf gefüllt und absorbiert fast die gesamte Energie des einfallenden Lichts. Die Gleichgewichtstemperatur im Hohlraum beträgt etwa 25.000 Grad.
Von der Außenwand des Hochtemperaturhohlraums wird Wärme übertragen, wodurch das umgebende Metall schmilzt. Das Loch ist ständig mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch die Verdampfung des Wandmaterials unter dem Lichtstrahl entsteht.
Die vier Wände des Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben, das wiederum von festem Material umgeben ist. Das flüssige Metall außerhalb des Lochs fließt und hält ein dynamisches Gleichgewicht mit dem kontinuierlichen Dampfdruck im Lochhohlraum aufrecht.
Wenn sich der Lichtstrahl bewegt, bleibt das Loch stabil. Das bedeutet, dass sich das kleine Loch und das geschmolzene Metall um das Loch herum mit der Geschwindigkeit des geführten Strahls vorwärts bewegen. Das geschmolzene Metall füllt den durch das bewegte Loch entstandenen Spalt und kondensiert zu einer Schweißnaht.
4.2 Einflussfaktoren:
Die Faktoren, die das Laser-Tiefschmelzschweißen beeinflussen, sind Laserleistung, Laserstrahldurchmesser, Materialabsorptionsrate, Schweißgeschwindigkeit, Schutzgas, Linsenbrennweite, Fokusposition, Laserstrahlposition und Steuerung zum Starten und Stoppen der Laserleistung beim Schweißen.
4.3 Eigenschaften des Laser-Tiefschmelzschweißens:
1) Hohes Aspektverhältnis: Während sich das geschmolzene Metall um die zylindrische Hochtemperaturdampfkammer bildet und sich bis zum Werkstück ausdehnt, wird die Schweißnaht tiefer und schmaler.
2) Minimale Wärmezufuhr: Aufgrund der hohen Temperatur des Quellhohlraums ist der Schmelzvorgang schnell, die Wärmezufuhr des Werkstücks ist gering und die thermische Verformung und die Wärmeeinflusszone sind klein.
3) Hohe Dichte: Da die kleinen, mit Hochtemperaturdampf gefüllten Löcher die Bewegung des Bades und das Entweichen von Gas begünstigen, entsteht eine porenfreie Durchschmelzschweißung.
Die Abkühlgeschwindigkeit ist nach dem Schweißen hoch und die Schweißanordnung lässt sich leicht verfeinern.
4) Verstärken Sie die Schweißnähte.
5) Präzise Steuerung.
6) Berührungsloses, atmosphärisches Schweißverfahren.
4.4 Vorteile des Laser-Tiefschmelzschweißens:
Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ist die Leistungsdichte des fokussierten Laserstrahls höher, sodass die Schweißgeschwindigkeit schneller ist. Darüber hinaus können feuerfeste Materialien wie Titan und Quarz mit kleineren Wärmeeinflusszonen und geringerer Verformung geschweißt werden.
Der Laserstrahl lässt sich leicht übertragen und steuern, sodass ein häufiger Austausch von Brennern und Düsen nicht mehr erforderlich ist. Dadurch werden Ausfallzeiten reduziert und der Auslastungsgrad sowie die Produktionseffizienz verbessert.
Reinigung und hohe Abkühlgeschwindigkeit tragen zur Verbesserung der Schweißfestigkeit und der Gesamtleistung bei.
Der geringe Wärmeeintrag und die hohe Bearbeitungsgenauigkeit des Laserschweißens reduzieren die Wiederaufbereitungskosten und machen es zu einer kostengünstigen Lösung.
Das Laserschweißen lässt sich leicht automatisieren und ermöglicht eine effektive Steuerung der Strahlintensität und präzisen Positionierung.
4.5 Laser-Tiefschmelzschweißgeräte:
Im Allgemeinen hat das Laserschweißen von Kohlenstoffstahl eine gute Wirkung und die Schweißqualität hängt hauptsächlich vom Verunreinigungsgehalt ab.
Wie bei anderen Schweißverfahren sind Schwefel und Phosphor Faktoren, die die Empfindlichkeit von Schweißrissen beeinflussen.
Um eine zufriedenstellende Schweißqualität zu erreichen, ist bei einem Kohlenstoffgehalt über 0,25 % ein Vorwärmen erforderlich.
Beim Schweißen von Stahl mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt empfiehlt es sich, den Schweißbrenner leicht zur Seite des kohlenstoffarmen Materials zu neigen, um die Qualität der Verbindung zu gewährleisten.
Aufgrund des hohen Schwefel- und Phosphorgehalts ist niedrig kohlenstoffsiedender Stahl nicht zum Laserschweißen geeignet.
Aufgrund des geringen Verunreinigungsgehalts ist die Schweißwirkung von kohlenstoffarmem Beruhigungsstahl hervorragend.
Mittel- und hochkohlenstoffhaltige Stähle sowie gewöhnliche legierte Stähle können ebenfalls effektiv lasergeschweißt werden. Allerdings sind Vorwärmen und Nachbehandlungen zum Abbau von Spannungen und zur Vermeidung von Rissbildung erforderlich.
5. Laserschweißen von Stahl:
5.1 Laserschweißen von Kohlenstoffstahl und gewöhnlichem legiertem Stahl:
Im Allgemeinen weist Kohlenstoffstahl eine gute Laserschweißleistung auf, die Schweißqualität wird jedoch durch den Verunreinigungsgehalt beeinflusst.
Ähnlich wie bei anderen Schweißtechniken sind Schwefel und Phosphor die Hauptfaktoren, die Schweißrisse verursachen.
Bei einem Kohlenstoffgehalt über 0,25 % muss zur Erzielung einer optimalen Schweißqualität vorgewärmt werden.
Beim Schweißen von Stahl mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt den Schweißbrenner auf die Seite mit niedrigem Kohlenstoffgehalt neigen, um die Qualität der Verbindung sicherzustellen.
Aufgrund des hohen Schwefel- und Phosphorgehalts wird das Laserschweißen für kohlenstoffarmen Siedestahl nicht empfohlen.
Kohlenstoffarmer Kohlenstoffstahl weist aufgrund seines geringen Verunreinigungsgehalts eine hervorragende Schweißwirkung auf.
Sowohl Stähle mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt als auch gewöhnliche legierte Stähle können effektiv mit dem Laser geschweißt werden, allerdings sind Vorwärmen und Nachbehandlungen zum Abbau von Spannungen und zur Vermeidung von Rissbildung erforderlich.
5.2 Laserschweißen von Edelstahl:
Generell ist es beim Laserschweißen von Edelstahl einfacher, qualitativ hochwertige Verbindungen zu erzielen als beim herkömmlichen Schweißen. Dies liegt daran, dass die kleine Wärmeeinflusszone bei hoher Schweißgeschwindigkeit die Sensibilisierung nicht mehr zum Problem macht.
Im Vergleich zu Kohlenstoffstahl weist Edelstahl eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf und lässt sich leichter durch tiefe Schmelzschweißungen und schmale Schweißnähte herstellen.
5.3 Laserschweißen zwischen verschiedenen Metallen:
Beim Laserschweißen kommt es zu einer schnellen Abkühlgeschwindigkeit und einer kleinen Wärmeeinflusszone, wodurch nach dem Schmelzen verschiedener Metalle günstige Bedingungen für die Kompatibilität verschiedener Gewebematerialien geschaffen werden.