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Bericht
Maschinenbau

Universität, Schule

HTWG Konstanz - Hochschule für Technik, Wirtschaft und Gestaltung

Note, Lehrer, Jahr

2009

Autor / Copyright
Bernd R. ©
Metadaten
Preis 5.80
Format: pdf
Größe: 0.72 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern_0.5
ID# 2730







Laserstrahlschweißen

Funktionsprinzip und Anwendungsbereiche

Technischer Bericht

Inhalt

1        Einleitung. 1

2        Das Werkzeug. 2

2.1       Physikalische Grundlagen zum Funktionsprinzip. 2

2.2       Funktionsweise und Aufbau der Laserschweißanlage. 4

2.3       Verschiedene Lasertypen. 6

2.3.1    CO2-Laser 6

2.3.2    Nd:YAG-Laser 7

3        Der Schweißprozess. 8

3.1       Wechselwirkung von Laserstrahl und Werkstoff 8

3.2       Unterschiedliche Verfahrensvarianten. 10

3.3       Schweißleistung. 11

4        Anwendungsbereiche in der Praxis. 12

5        Vor- und Nachteile des Laserstrahlschneidens. 14

6        Zusammenfassung und Ausblick. 16

7        Abbildungsverzeichnis. 17

8        Tabellenverzeichnis. 18

9        Literaturverzeichnis. 18

 

1           Einleitung

Das Laserstrahlschweißen entwickelte sich in den letzten zehn Jahren zu einer Schlüsseltechnologie. Das gilt insbesondere für den Fahrzeug und Anlagenbau, aber auch für die Elektronikfertigung und die Feinwerktechnik. Hohe Flexibilität, hohe erreichbare Geschwindigkeiten und herausragende Schweißnahteigenschaften haben zu einer Vielzahl von industriellen Anwendungen sowohl im Mikro- als auch im Makrobereich geführt.Das Interesse am Laserschweißen ist in den vergangenen Jahren sowohl bei Groß- als auch bei Kleinstunternehmen erheblich gestiegen.

Dies ist begründet durch die Verfügbarkeit neuer Strahlenquellen und Prozesstechnik sowie dem Bestreben der Unternehmen sich einen technologischen und wirtschaftlichen Vorsprung vor dem Wettbewerb zu verschaffen. In der nachfolgenden Arbeit wird auf das Verfahren Laserstrahlschweißen näher eingegangen. Ziel ist, die Funktion und die Anwendung dieser Technologie näher zu erläutern und die wesentlichen Merkmale dieser Fügetechnik als kompakte Information zusammenzufassen.

2          Das Werkzeug

2.1         Physikalische Grundlagen zum Funktionsprinzip

 

Abbildung 1: vereinfachtes Atommodell (

Ein Atom besteht vereinfacht aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern und sehr kleinen, negativ geladenen Elektronen, die auf Schalen sitzen. In der darüber liegenden  Abbildung 1 kann man den schematischen Aufbau erkennen der mit einem Sonnensystem, in dem die Planeten (Elektronen) um die Sonne (Atomkern) kreisen, vergleichbar ist. Da die positive Ladung des Atomkerns und die negative Ladung der Elektronen sich aufheben, ist ein Atom nach außen hin nicht geladen.

Innerhalb des Atoms besteht ein elektrisches Feld. Somit sind die Schalen nicht nur Umlaufbahnen, sondern auch Energieebenen dieses elektrischen Feldes. Ein in einer Schale weiter vom Atomkern entferntes Elektron befindet sich deswegen auf einem höheren Energielevel. Die Elektronen können sich lediglich auf den Schalen bewegen, aber nicht dazwischen.

Abbildung 2: Vorgang der spontanen Emission in den zwei äußersten Schalen (

Wenn ein Elektron sich auf einem höheren Energieniveau befindet, kann es passieren, dass es ohne äußere Einwirkung auf ein niedrigeres Energieniveau springt. Dabei wird Energie frei in Form einer elektromagnetischen Welle, dem sogenannten Photon. Diesen Vorgang nennt man spontane Emission (Abbildung 2).

Abbildung 3: Vorgang der Absorption in den zwei äußersten Schalen (

Es kann aber auch vorkommen, dass ein von außen kommendes Photon ein Elektron mit  niedrigerem Energieniveau auf eine höhere Schale anhebt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Absorption (Abbildung 3), da die im Photon enthaltene .....[Volltext lesen]

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2.3        Verschiedene Lasertypen

Je nach Art des aktiven Mediums und die Einwirkung der Pumpenergie wird unter verschiedenen Lasertypen unterschieden. Da in der Laserschweißtechnik im Moment vorwiegend zwei verschiedene Arten von Laser dominieren, werden nur diese nun näher erläutert.

2.3.1         CO2-Laser

Abbildung 7: schematische Darstellung eines Kohlendioxidlasers (

Der Kohlendioxidlaser gehört zu der Klasse der Gaslaser und benutzt, wie in Abbildung 7 beschrieben, CO2 als aktives Material wie der Name schon sagt. Das Pumpen erledigen hier die beiden Elektroden, die das Gas durch Gasentladungen zum Leuchten und somit auch die Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen. Um die nötige Pumpenergie bereitzustellen, muss dem Resonator ständig neues Gas zur Verfügung gestellt werden.

Das Kohlendioxid wird nach der Abkühlung dem Prozess wieder durchgeführt, so dass sich ein  Kreislauf einstellt. Da innerhalb der Röhre in kürzester Zeit enorme Temperaturen entstehen, muss mit Hilfe von Wasser gekühlt werden. Die realisierbaren Laserleistungen liegen bei 10 – 20000W.

Diese Laser haben sich als zuverlässiges Werkzeug in der Schweißverarbeitung etabliert. Ihre Vielseitigkeit und die geringe Anfälligkeit für Wartungen machten sie zum meistgenutzen Laser in der automatisierten Materialbearbeitung für Wärme- als auch Tiefschweißprozesse bei Stückfertigung.

2.3.2        Nd:YAG-Laser

Abbildung 8: schematische Darstellung eines Nd:YAG-Lasers (

Der Nd:YAG Laser gehört zu der Gattung der Feststofflaser, da hier als Verstärkermaterial ein Kristall verwendet wird. Nd:YAG steht für hier in diesem Fall für neodymdotierter Yttrium-Aluminium-Granat. Da man den Kristall nicht einfach durch Stromdurchfluß zum Leuchten bringen kann, muß man den Elektronen auf eine andere Weise Energie zuführen, um sie auf ein höheres Energieniveau zu bringen.

Dies gelingt mit Hilfe Licht mit hoher Energieintensität, welches z.B. durch Blitzlichtlampen erzeugt wird (siehe Abbildung 8). Da dies jedoch sehr viel Strom benötigt liegt der Wirkungsgrad bei ca. 3%. Um diesen zu verbessern, werden seit Kurzem Hochleistungsdioden eingebaut. Dadurch kann man die Effizienz auf fast 30% steigern.

Festkörperlaser können mit Laserlichtkabeln[1] ausgestattet werden. Dadurch sind sie flexibel in Fertigungslinien integrierbar und können ohne großen Aufwand mit Industrierobotern kombiniert werden. Dieser Lasertyp wird vor allem in der Serienfertigung für Tiefschweißprozesse eingesetzt.

3          Der Schweißprozess

3.1         Wechselwirkung von Laserstrahl und Werkstoff

Laser werden auch in die „thermischen“ Strahlwerkzeuge kategorisiert. Dies verdeutlicht, dass die für den Bearbeitungsprozess benötigte Energie in Form von Wärme durch die Absorption der eingestrahlten elektromagnetischen Energie zur Verfügung gestellt wird. Der Einfluss des Laserstrahls auf die Wechselwirkungszone[2] wird vor allem durch di.....

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3.2.2        Tiefschweißen

Das eigentliche Laserschweißen beginnt erst mit dem Tiefschweißeffekt(Abbildung 10). Die Eigenschaften von festen und flüssigen Phasen ändern sich oberhalb der kritischen Intensität mit dem Entstehen des laserinduzierten Plasmas. Ist die in einer sehr dünnen Schicht der festen und flüssigen Körperoberfläche absorbierte Laserleistung größer als die je Zeiteinheit durch Wärmeleitung abgeführte Energie, so findet hier ein Phasenübergang statt.

Bei geeigneter Parameterwahl kann eine nahezu vollständige Energieeinkopplung in das Werkstück erzielt werden. Der nach oben entweichende Metalldampf ermöglicht ein tieferes Eindringen des Laserstrahles und damit ein Verdampfen weiteren Materials. Der Dampfdruck verhindert dabei das Schließen der Kapillare, welche von schmelzflüssigem Material umgeben ist. Der größte Teil der Schmelze umströmt die durch die Fügezone bewegte Dampfkapillare.

3.3        Schweißleistung

Abbildung 11: Querschnitt einer Ein-schweißung in St37 mit Laser HL 3006 D

 

Abbildung 12: Schweißleistung verschiedener Laser

Aus der Abbildung 12 (Intern, 2003) wird die Schweißtiefe in einem Baustahl (St37) in der Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit ersichtlich. Bei steigender Schweißgeschwindigkeit nimmt die Tiefenwirkung des Lasers ab. Durch das Einfügen mehrerer Leistungsdichten verschiedener Laser in die Diagramme lassen sich auch die Abhängigkeit der Schweißleistungen im Bezug auf die Leistung des Lasers klar erkennen.

Genauere Angaben zu der Leistung des Lasers werden aus Tabelle 1 ersichtlich. Umso größer die Intensität des Lasers, desto größer wird auch die erreichte Schweißtiefe. Im Querschnitt (Abbildung 11) (Intern, 2003) eines mit einem Laser mit der Schweißgeschwindigkeit 7,5 m/min behandelten Blechs mit der Dicke von 2,5 mm kommt die Wärmeeinflusszone des Lasers gut zur Geltung.

Die dunklere Teilfläche entspricht hierbei der vom Laser geschmolzenen Zone. Anhand Abbildung 12 kann man die nicht vollständig durchgehende Naht erklären. Um ein Blech mit der Dicke 2,5 mm mit der Leistung des Fertigungslasers HL3006 D komplett durchgängig zu Schweißen, müsste man laut Diagramm entweder die Schweißgeschwindigkeit auf ca. 5 m/min senken, oder einen stärkeren Laser mit höherer Leistungsdichte verwenden.

Tabelle 1 Laserleistungen verschiedener Laser im .....

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Abbildung 16: Elektropneumatische Druckwandler mit versch. Herstellungsverfahren (Kirberg, 2005)

Das folgende Beispiel wurde aus der Fachzeitschrift „Der Konstrukteur“ aus dem Artikel „Schweißen von Kunststoffen“ aus der Oktoberauflage 2005 entnommen. Auf der Abbildung 16 sind elektropneumatische Druckwandler abgebildet. Der linke Druckwandler im Hintergrund ist im herkömmlichen Verfahren per Montage mit der Hand verarbeitet. Die Geometrie des Deckels mit den hervorstehenden Anschlussstutzen erlaubte es nicht, das Überwerfen des Ringes bei vertretbaren Kosten zu automatisieren.

Deswegen musste mit Hilfe von Handarbeit jeder Ring montiert werden. Auf der rechten Seite im Vordergrund von Abbildung 16 wird nun direkt der Deckel auf den Grundkörper mit dem Laser geschweißt. Dieser Vorgang erspart Kosen und Zeit ohne Festigkeitsverluste. Durch die schmale Einwirkzone des Lasers  werden nur eng begrenzte Bereiche erhitzt, so dass die eingebetteten hitzeempfindlichen Spulen im inneren des Grundkörpers nicht geschädigt werden.

5          Vor- und Nachteile des Laserstrahlschneidens

Das Laserschweißen bietet gegenüber konventionellen Schweißverfahren diverse Vorteile:

-hohe Verfahrens- und Geometrieflexibilität

Mit der Laserschweißtechnologie können z. B. Produkte gefertigt werden, die mit herkömmlichen Schweißverfahren nicht oder nur teilweise möglich wären.  Außerdem begünstigt die bessere Zugänglichkeit am Bauteil die Anzahl komplexer Nahtgeometrien.

-hohe Schweißnahtqualität bei geringer Nacharbeit

Da Material wesentlich dünner und präziser als bei herkömmlichen Schweißverfahren aufgetragen werden kann, reduziert sich die Nachbearbeitung auf ein Minimum. Alle Schweißparameter sind exakt einstellbar, daraus ergibt sich ein reproduzierbares Schweißergebnis und somit eine konstant hohe Qualität.

-unterschiedliche Materialarten und -stärken schweißbar

Die Prozessmerkmale des Schweißens mit Laser ermöglichen auch unübliche Materialkombinationen. Eine wesentliche Rolle spielen dabei die rasche Erstarrung und Abkühlung des Schmelzbades und das dadurch entstehende sehr feine Gefüge in der Schmelzzone, sowie die Begrenzung der Wärmeeinflusszone auf einen sehr schmalen Bereich des Grundmaterials.

-.....

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6          Zusammenfassung und Ausblick

Das Laserschweißen ist im Vergleich zu konventionellen Schweißverfahren eine noch sehr junge Technologie und noch längst nicht vollständig erforscht. Jedoch ist schon jetzt, wie oben beschrieben, eine beindruckende Anzahl an Fertigungsmöglichkeiten realisierbar. Das Entwicklungspotential ist in diesem Fall sicher noch lange nicht ausgeschöpft, so dass aufgrund der schon heute erreichten Werte von einem sehr großen Potential ausgegangen werden muss.

Es bietet eine Fülle neuer Ansatzpunkte für Forschung und Industrie. Laserzentren weltweit warten immer wieder mit neuen Erfindungen und Ideen zur Weiterentwicklung in diesem Bereich auf. Geforscht wird nicht nur an besseren Wirkungsgraden für Lasermaschinen und die damit verbundenen Kosteneinsparungen, sondern auch an der Optimierung zum Fügen von bisher schwer herzustellender Verbindungen.

AlsHerausforderungen bleiben das hohe prozessspezifische Know-How und der hohe Aufwand, der für die Prozessvorbereitung und -planung dieser aufwendigen Verbindungen erforderlich ist. Zwingend erforderlich sind hier Systeme, die den Anwender von diesen zeit- und kostenintensiven Aufgaben weitestgehend entlasten. Durch solche Innovationen kann die Flexibilität des Lasers als Werkzeug weiter erhöht werden und eine  (Kirberg, 2005) Fertigung ermöglichen.

7          Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: vereinfachtes Atommodell ( 2

Abbildung 2: Vorgang der spontanen Emission in den zwei äußersten Schalen ( 2

Abbildung 3: Vorgang der Absorption in den zwei äußersten Schalen ( 3

Abbildung 4: Vorgang der stimulierten Emission in den zwei äußersten Schalen ( 3

Abbildung 5: vereinfachter Aufbau der Schweißanlage ( (Aachen) 4

Abbildung 6: Innenleben des Resonators ( 5

Abbildung 7: schematische Darstellung eines Kohlendioxidlasers ( 6

Abbildung 8: schematische Darstellung eines Nd:YAG-Lasers ( 7

Abbildung 9: Laserverfahren in Abhängigkeit von der Intensität und Bestrahldauer 8

Abbildung 10: Wechselwirkung Laser-Werkstück bei steigender Laserintensität 9

Abbildung 11: Querschnitt einer Ein-schweißung in St37 mit Laser HL 3006 D 11

Abbildung 12: Schweißleistung verschiedener Laser 11

Abbildung 13: Laserschweißnähte (gestrichelte Linien) an der Audi A2 Karosserie (Volkswagen) 12

Abbildung 14: Anwendung in der Praxis (Volkswagen) 12

Abbildung 15: Anwendung in der Praxis (Volkswagen) 12

Abbildung 16: Elektropneumatische Druckwandler mit versch. Herstellungsverfahren (Kirberg, 2005) 13

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Quellen & Links

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