Laserschweißen: Prinzip, Eigenschaften und Sicherheitsaspekte
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, werden Sie Folgendes kennenlernen: - 1. Einführung in das Laserschweißen 2. Prinzip und Mechanismus des Laserschweißens 3. Ausrüstung und Einrichtung von Rubin-Lasern 4. Betrieb 5. Prozessparameter 6. Schweißcharakteristik 7. Schweißnahtentwurf 8. Anwendungen 9. Varianten 10. Automatisierung 11. Sicherheitsaspekte.
Einführung in das Laserschweißen:
Das Laserschweißen (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) ist möglicherweise die neueste Erweiterung der ständig wachsenden Familie von Schweißverfahren. Der Laserstrahl ist stark gerichtet, stark, monochromatisch (einer Wellenlänge) und kohärent, dh alle Wellen sind in Phase. Ein solcher Strahl kann auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert werden, wodurch eine sehr hohe Energiedichte erreicht wird, die 10 9 W / mm 2 erreichen kann .
Somit kann ein Laserstrahl jedes bekannte Material wie den Elektronenstrahl schmelzen oder verdampfen. Es gibt drei Grundtypen von Lasern, den Festkörperlaser, den Gaslaser und den Halbleiterlaser. Die Art des Lasers hängt von der Laserquelle ab.
Die Festkörperlaser verwenden Kristalle wie Rubin, Saphir und einige künstlich dotierte Kristalle wie Neodymium-dotierte Yttrium-Aluminium-Granatstäbe (Nd-YAG). Der Festkörperlaser war der erste erfolgreiche Laser, und es ist leicht, den Mechanismus des Laserns durch einen solchen Laser, beispielsweise einen Rubinlaser, zu erklären.
Prinzip und Mechanismus des Laserschweißens:
Die Funktion eines Lasers besteht darin, Licht zu verstärken. Normales Licht kann nicht als Laserlicht verwendet werden, da die Strahlungsenergie einer gewöhnlichen Lichtquelle inkohärent und über einen breiten Spektralbereich verteilt ist und keine monochromatischen Einfarbenquellen vorhanden sind. Aufgrund von unterschiedlichen Wellenlängen verschiedener Farben, die gewöhnliches Licht bilden, ist es nicht möglich, es auf einen scharfen Fokus zu bringen, ohne die Intensität zu beeinträchtigen.
Für seinen Betrieb hängt der Laser daher von der Emission von Strahlung ab, die durch die Absorption von elektromagnetischer Energie oder Energieteilchen, die als Photonen bezeichnet werden, durch Atome stimuliert oder induziert wird. Wenn diese Energie absorbiert wird, erhöhen die Elektronen im Atom ihren Spin und dehnen ihre Umlaufbahnen aus, wodurch die Atome in den angeregten Zustand gelangen.
Dieser angeregte Zustand ist von kurzer Dauer, und das Atom fällt sofort wieder auf einen mittleren oder metastabilen Zustand zurück. In diesem Fall verliert das Atom seine Wärmeenergie, behält jedoch seine Photonenenergie. Bald danach fällt das Atom spontan und zufällig in den Grundzustand zurück, wobei die Photonenenergie oder Quantenenergie in Form von Licht freigesetzt wird, wie in Abb. 14.17 dargestellt. Dieses automatische Absenken auf das ursprüngliche Energieniveau, ohne dazu angeregt zu werden, wird als spontane Emission bezeichnet.
Solange sich ein Atom in einem angeregten Zustand befindet, kann es durch eine einfallende Welle eines externen Photons induziert oder angeregt werden, ein Photon zu emittieren, dessen Energie genau derjenigen des vom Atom im Falle einer spontanen Emission freigesetzten Photons entspricht. Dies wird als induzierte oder stimulierte Strahlungsemission bezeichnet.
Infolgedessen wird die einfallende Welle durch die vom angeregten Atom emittierte Welle verstärkt. Für die Erzeugung eines Laserstrahls ist es wesentlich, dass die ausgesandte Welle genau in Phase mit der sie verursachenden Welle ist. Auf diese Weise können Laser elektrisches Licht, thermische oder chemische Energie in monochromatische kohärente Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums umwandeln.
Unter den für industrielle Zwecke verwendeten Festkörperlasern ist das Lasermaterial häufig rubinrot. Rubin ist Aluminiumoxid, in dem etwa 0 bis 5% Chromatome sind. Die Chromatome liefern nicht nur aktive Ionen für die Laseraktion, sondern verleihen dem Rubin auch seine charakteristische rote Farbe. Chromionen emittieren rotes Licht, wenn sie durch grünes Licht stimuliert werden. Damit die Laseraktion stattfinden kann, muss der stimulierte Emissionsprozess häufiger als der entgegengesetzte Prozess der Photonenabsorption stattfinden. Nach der Quantentheorie hängt die Wahrscheinlichkeit, dass diese beiden Prozesse auftreten, nur von der relativen Population des beteiligten Energieniveaus gemäß der Boltzmann-Ratio ab.
N 2 / N 1 = exp E 1 - E 2 / kT ……. (14.3)
woher,
N 1 = Anzahl der Atome bei niedrigerem Energieniveau E 1,
N 2 = Anzahl der Atome auf dem höheren Energieniveau E 2,
T = absolute Temperatur
k = Boltzmann-Konstante.
Die Laseremission wird erzielt, wenn die obere Ebene auf Kosten der unteren Ebene besiedelt ist. Eine solche Situation wird als Populationsinversion bezeichnet und die Methode, dies zu erreichen, wird PUMPING genannt. Festkörperlaser werden durch eine Blitzröhre optisch gepumpt.
Milliarden von Atomen, Molekülen oder Ionen des aktiven Mediums absorbieren beim Pumpen Energie, die sie für eine sehr kurze, aber zufällige Lebensdauer halten, wenn ihre Lebensdauer abläuft, geben sie ihre Energie in Form eines Photons auf und kehren zu ihrer früheren zurück Zustand bis wieder gepumpt. Die freigesetzten Photonen bewegen sich in alle Richtungen in Bezug auf die optische Achse des Lasers.
Wenn ein Photon mit einem anderen angeregten Atom usw. kollidiert, wird dieses vorzeitig freigesetzt, und die beiden Photonen bewegen sich in Phase bis zur nächsten Kollision. Photonen, die sich nicht parallel zur optischen Achse des Lasers bewegen, gehen schnell aus dem System verloren.
Diejenigen, die sich parallel zur Achse bewegen, haben eine beträchtliche Weglänge durch die von den Spiegeln bereitgestellte optische Rückkopplung, bevor sie den Laserhohlraum durch den teilweise durchlässigen Spiegel verlassen. Diese Aktion hilft dabei, einen stark kollimierten kohärenten Lichtstrahl mit dem erforderlichen Leistungspegel zu erhalten.
Strahlleistung und Modus:
Die Leistungsdichte über den Durchmesser eines Laserausgangsstrahls ist nicht gleichförmig und hängt von dem aktiven Lasermedium, seinen inneren Abmessungen, dem optischen Rückkopplungsdesign und dem verwendeten Anregungssystem ab. Das Querschnittsprofil eines Laserstrahls, das seine Leistungsverteilung zeigt, wird als transversaler elektromagnetischer Modus (TEM) bezeichnet. Es können viele verschiedene TEMs entworfen werden und jeder Typ wird mit einer Zahl bewertet.
Je höher die Anzahl, desto schwieriger ist es im Allgemeinen, den Laserstrahl auf einen feinen Punkt zu fokussieren, um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, was beim Laserschweißen sehr wichtig ist. Laser mit TEM 00, TEM 10, TEM 11, TEM 11 und TEM 20 und Kombinationen dieser Modi werden häufig verwendet. Abb. 14.17 (A) zeigt die Grundformen der Strahlleistungsprofile dieser Modi. Einige Laser erzeugen mehrere verschiedene Modi, und diese werden üblicherweise als Multimodusbetrieb bezeichnet.
Rubin-Laser-Ausrüstung und Einrichtung des Laserschweißens:
Ruby-Laser-Geräte bestehen im Wesentlichen aus einem Laserkopf und einer Stromversorgung. Abb. 14.18 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Lasers. Es besteht aus einem Rubinstab von ca. 5-15 mm Durchmesser und einer Länge von ca. 100 bis 200 mm. Der Durchmesser und die Länge des Rubinstabes bestimmen die Leistung der Laseremission.
Seine Enden sind zu optischen Oberflächen poliert und dann versilbert, um an einem Ende eine zu 100% reflektierende Oberfläche und am anderen Ende zu 90-98% zu reflektieren, was die Laserstrahlausgabe liefert. Der Abstand zwischen den beiden reflektierenden Enden liefert den Resonanzhohlraum bei Frequenzen, für die der Abstand eine ganzzahlige Anzahl von halben Wellenlängen ist.
Die reflektierenden Oberflächen werden durch eine der beiden Arten von Beschichtungen erzeugt. Eine Art Beschichtung wird durch Abscheiden einer dünnen Metallschicht wie Aluminium, Silber oder Gold hergestellt. Eine solche metallische Beschichtung kann jedoch beim Gebrauch verbrennen und dadurch ihre Reflexionsqualität verlieren.
Eine reflektierende Beschichtung mit höherer Leistung kann hergestellt werden, indem die Enden des Lasermaterials mit mehreren nicht leitenden Filmen beschichtet werden, wodurch dielektrische Spiegel erzeugt werden. Der dielektrische Spiegel hängt von der Interferenz zwischen den Lichtwellen ab, die von den mehrschichtigen Filmen reflektiert werden, die hauptsächlich aus Sulfiden und Fluoriden bestehen.
Der polierte Rubinstab befindet sich in der Mitte des Laserkopfs und ist in einem transparenten Glasrohr eingeschlossen. Kaltes Stickstoffgas wird über die Oberfläche des Rubinstabes zirkuliert und strömt durch einen Rückführungspfad aus dem Glasrohr heraus. Zwischen der Glasröhre und der Blitzröhre befindet sich eine evakuierte doppelwandige Glasröhre, um eine Vakuumabschirmung bereitzustellen.
Der doppelwandige Vakuumschlauch enthält flüssigen Stickstoff, der Kaltgas zuführt, das ein isolierter Schlauch zum Laserkopf liefert. Die Vakuumröhre verhindert den Wärmefluß von der Blitzröhre zur Rubinstange, aber die Lichtübertragung wird nicht wesentlich beeinträchtigt.
Eine äußere Hülle innerhalb einer doppelt elliptischen reflektierenden zylindrischen Umhüllung ist vorgesehen, um die gesamte Anordnung so zu umschließen, dass der Rubinstange die maximale Lichtmenge zugeführt wird, wie in Abb. 14.19 gezeigt. Ein Unterdrücker ist vorgesehen, um eine Lichtbogenbildung zwischen der Xenon-Blitzlampe und der Außenhülle zu verhindern. Die Blitzlampe ist im warmen Zustand am effizientesten. Um es warm zu halten und gleichzeitig Lichtbogenbildung aufgrund von Feuchtigkeit zu vermeiden, wird heiße Luft kontinuierlich über die Blitzlampe geleitet.
Das Stromversorgungssystem der Laserschweißanlage besteht aus der Stromversorgungseinheit für die Blitzröhre, dem elektromagnetisch betätigten Verschluss und einem Beleuchtungstransformator auf einer Bank sowie dem Laserkopf. Die Blitzröhre wird mit 18 KV versorgt. Die Blitzröhrenschaltung enthält einstellbare Spulen zum Verändern der Entladezeit, die wiederum die Dauer des von der Blitzröhre abgefeuerten Lichtimpulses variiert.
Zum Pumpen eines Rubinlasers wird üblicherweise eine Xenon-Blitzröhre verwendet, die aus einer Lampe besteht, die aus optisch transparentem Quarz hergestellt ist und zwei Wolframelektroden umschließt. Wenn die Lampe ausgeschaltet ist, beträgt der Druck in der Lampe 10 Atmosphären. Die Xenon-Lampe wird von einer Gleichstromquelle mit einer Leerlaufspannung von mindestens 70 Volt und einer abfallenden Volt-Ampere-Charakteristik versorgt.
Die Xenon-Blitzlampen können hunderte Stunden lang mit Tausenden von Blitzen pro Sekunde ununterbrochen betrieben werden. Eine intensive Einzelblitzquelle kann eine Leistung haben, die bis zu einigen zehn Millionen Peak-Kerzenleistung reicht, und eine Lichtquelle mit kurzem Lichtbogen kann eine Blitzdauer von bis zu 1 µs (eine Mikrosekunde) haben. Durch diese Arbeitsweise wird die Lampe zu einer effizienten Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie, die den Laser zum Pumpen bringt.
Da das Laserlicht praktisch monochromatisch ist, im Wesentlichen kollimiert und kohärent ist, ist es einfach, es mit den üblicherweise verwendeten optischen Geräten wie Prismen und Linsen zu fokussieren. Der Strahl wird jedoch auch durch Halogenidlinsen und ein Spiegelsystem fokussiert.
Laser werden als Laser mit geringer Leistung (10 KW) eingestuft.
Funktionsweise des Laserschweißens:
Der Rubinlaser wird von einer Xenon- oder einer Krypton-Blitzröhre gepumpt. Wenn die Blitzröhre den Stab beleuchtet, werden die meisten Chromatome in einen angeregten Zustand getrieben. Im Rubinstab tritt eine Laserwirkung auf, wenn weit über die Hälfte der Chromatome auf das hohe Energieniveau oder den metastabilen Zustand gepumpt wurde, was zu einer Inversion der Bevölkerung führt. Die Laseraktion beginnt, wenn ein angeregtes Atom spontan ein Photon entlang der Achse des Rubinstabes emittiert.
Dieses Photon regt ein anderes angeregtes Atom an, ein zweites (oder induziertes) Photon zu emittieren. Dieser Vorgang wird kumulativ fortgesetzt, da die Photonen von den Stabenden reflektiert werden und den Resonanzhohlraum durchlaufen, der wiederholt eine Wellenfront bildet. Durch diese mehrfachen Reflexionen von beiden Enden des Rubinstabes wird die Strahlleistung auf ein enormes Niveau gebracht.
Wenn die Intensität des Lichts von der Blitzröhre einen kritischen Wert übersteigt, tritt die Laseraktion auf und ein starker Strahl von Photonen mit einer Wellenlänge von 6943 A wird in wenigen tausendstel Sekunden abgegeben. Der Ausgangslaserstrahl ist stark gerichtet, stark, monochromatisch und kohärent.
Die Energiedichte eines Lichtstrahls am Ort einer Linse ergibt sich aus der Gleichung:
ρ = E / V ……… .. (144)
woher,
ρ = Energiedichte,
E = Strahlenergie,
V = Fokusvolumen.
Das Fokusvolumen für einen Laserstrahl ist sehr klein. Daher kann die Energiedichte eines solchen Strahls im Fokus sehr hoch sein und 10 7 W / cm 2 erreichen . Die Dauer eines Laserimpulses ist kurz und liegt in der Größenordnung von 10 -9 Sekunden.
Beim Laserschweißen ist es wichtig, dass die Impulse eine maximale Dauer und minimale Abstände haben, d. H. Eine hohe Impulsfolgefrequenz (PRF). Rubinlaser weisen jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad auf und ein Großteil der Pumpenergie wird in Wärme umgewandelt. Dadurch wird der Rubinstab sehr heiß und die Blitzröhre kann daher bei hohen PRFs nicht richtig arbeiten.
Dies macht es erforderlich, die durch optisches Pumpen erzeugte Wärme so weit wie möglich abzuziehen. Für einen Festkörperlaser mit einer durchschnittlichen Leistung von 400 W muss das Kühlsystem beispielsweise etwa 15 KW Abwärme abführen. Daher sind die PRF und die Ausgangsleistung von Lasern durch ihre Kühlsysteme begrenzt. Die Effizienz von Rubinlasern ist sehr gering; ungefähr 0-1%. Trotz dieser Tatsache werden Rubinlaser häufig als Schweißwerkzeuge verwendet.
Mit vorhandenen Schweißlasern kann die PRF zwischen 1 und 100 pro Minute liegen. Die von einem einzelnen Laserpuls durchdrungene Fläche beträgt einen Bruchteil eines Millimeters. Aus diesem Grund werden solche Laser häufiger verwendet, um nur punktuelle Verbindungen herzustellen.
Aufgrund ihres niedrigen PRF und ihrer geringen Ausgangsleistung können die Laser noch nicht mit dem EBW-Prozess konkurrieren, der in der Lage ist, sehr schmale und tiefe Eindringnähte in schweren Metallen herzustellen. Das Laserstrahlschweißen ist im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen jedoch vielseitiger, da es Metalle in der Luft, im Gasschirm und sogar im Vakuum schweißen kann. Ein Laserstrahl kann auch durch transparente Materialien schweißen, da sie den Durchgang von Laserlicht nicht behindern.
Ein Großteil des Laserlichts tritt durch die Seiten des Rubinstabes und wird nicht Teil des Laserstrahls. Trotz des daraus resultierenden extrem niedrigen Wirkungsgrads sind diese Energieverluste akzeptabel, da der fokussierte Lichtfleck eines Lasers millionenfach intensiver ist als das Licht der Blitzlampe, das die Laseraktion auslöst, und ist um ein Vielfaches intensiver als das Licht dieser Wellenlänge, die von einem äquivalenten Bereich der Sonnenoberfläche emittiert wird.
Das von dem Rubinstab emittierte Laserlicht wird in geeigneter Weise geformt und durch ein optisches System, das aus einem Prisma, einer Linse und einer Hilfslinse besteht, auf das Werkstück gerichtet. Bei Bedarf können mehrere Zubehörlinsen in das optische System aufgenommen werden, um den Strahl auf einen Punkt mit einem Durchmesser von 0-25 bis 0-05 mm zu fokussieren. Die Energiedichte am Brennpunkt ist so hoch, dass jedes bekannte Material mit einem solchen fokussierten Laserstrahl geschmolzen, verdampft oder verschweißt werden kann.
Ein Laserstrahl wird von glatten metallischen Oberflächen teilweise reflektiert oder abgelenkt, ein Elektronenstrahl dagegen nicht. Wenn ein erheblicher Teil eines Laserstrahls reflektiert wird, kann dies die Energieübertragung auf das Werkstück behindern. Wenn jedoch die Energiedichte eines fokussierten Laserstrahls 10 KW / mm 2 überschreitet, tritt eine deutliche Änderung des von der Oberfläche absorbierten Energieanteils auf, wie in Abb. 14.20 gezeigt.
Sobald dieser Schwellenwert überschritten wird, findet eine verbesserte Energieübertragung statt, und der Laserstrahl bewirkt ein Eindringen des Schlüssellochtyps. Diese Verbesserung der Energieübertragung ist mit der Entwicklung von Plasma über der Arbeitsfläche verbunden. Während dies im Anfangsstadium ein Vorteil ist, wird die Erzeugung von übermäßigem Plasma über dem Schweißbad letztendlich ein Hindernis für den Strahl.
Um glatte, gut geformte Wülste herzustellen, ist es wichtig, das Schweißbad mit etwas Inertgas zu schützen, und Helium hat sich als zweckmäßig erwiesen.
Schweißen mit einem Laserstrahl ist bei einer Leistung von 1, 5 kW nicht wirklich praktikabel. oberhalb dieses Niveaus liegt die maximale Durchdringungsfähigkeit bei etwa 2 mm / kW.
Prozessparameter für das Laserschweißen:
Die Auswahl der Prozessparameter basiert auf drei Faktoren:
(i) Anzahl der Kondensatoren und der entsprechenden Spannung zum Erhalten des gewünschten Energieeingangsniveaus basierend auf der Beziehung,
E = 1 / 2CV 2 ……… .. (14-5)
woher,
C = Kapazität
V = Spannung
(iii) richtige Auswahl der Optik zur Steuerung der Größe und Form des Strahlflecks,
(iii) Auswahl des Brennpunkts entweder auf oder über der Werkstückoberfläche.
Die Anzahl der zum Erreichen des gewünschten Energieniveaus verwendeten Kondensatoren ist eine entscheidende Überlegung. Eine Erhöhung der Anzahl von Kondensatoren in der Schaltung führt zu einer längeren Impulszykluszeit mit einer daraus folgenden Abnahme der Leistung des Impulsstrahls.
Um eine durchgehende Durchschweißung ohne Unterätzung zu erreichen, ist es wünschenswert, dass:
(i) Die Laserstrahlleistung sollte ausreichend sein, um das Metall zu schmelzen, jedoch nicht hoch genug, um es bei der gewählten Schweißgeschwindigkeit zu verdampfen.
(ii) Die Impulszykluszeit muss lang genug sein, um die Wärme durch die Dicke des Materials zu leiten.
Ein weiterer Faktor ist der Ort des Brennpunkts des Strahls in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks. Die maximale Durchdringung tritt auf, wenn der Strahl etwas unterhalb der Oberfläche fokussiert wird. Die Durchdringung ist geringer, wenn der Strahl auf die Oberfläche oder tief im Werkstück fokussiert wird. Die Eindringtiefe nimmt mit zunehmender Strahlleistung zu.
Schweißmerkmale für das Laserschweißen:
Das Laserschweißen wurde verwendet, um ähnliche und unähnliche Metallverbindungen mit Stahl, Kupfer, Nickel, rostfreien Stählen, Aluminiumlegierungen, Eisen-Nickel-Basislegierungen, Titan und den hochschmelzenden Metallen und Legierungen herzustellen.
Durch den sehr geringen spezifischen Energieeintrag in die Arbeit werden die Wärmeeinflusszone und die thermische Beschädigung des an die Schweißnaht angrenzenden Materials minimiert. In einigen Schiffsbaustählen wurde eine Wurzelporosität beobachtet, die auf das unbefriedigende Verhältnis von Geschwindigkeit zu Strahl zurückzuführen ist.
Die Wurzelporosität in Doppeldurchgangsschweißnähten ist mit der Gasentwicklung und einer nicht ausreichenden Zeit für deren Entfernung verbunden. In den meisten Schweißnähten dieser Stähle wurde durch Seitenbiegetest eine ausreichende Duktilität nachgewiesen. Autogene Laser-Tiefschweißnähte weisen mechanische Eigenschaften auf, die sich mit dem konventionellen Lichtbogenschweißen unter Verwendung von Zusatzmetall günstig vergleichen lassen.
Die Reinigung von Schweißmetall erfolgt unter bestimmten Bedingungen während des Schweißens von Stahl aufgrund der bevorzugten Absorption des Balkens durch nichtmetallische Einschlüsse im Metall, was zu deren Verdampfung und Entfernung führt. Die Beobachtung der Reinigung der Schmelzzone während des Laserschweißens mehrerer verschiedener Legierungen auf Eisenbasis zeigt, dass dies ein einzigartiges Merkmal des autogenen Laserschweißens mit tiefem Eindringen sein kann.
Die metallographische Untersuchung von Stahlschweißnähten ergab auch eine Abnahme des Einschlussgehalts, die für die Erhöhung der Charpy-Lagerenergie und der relativ groben Korngröße und somit der hohen Übergangstemperatur verantwortlich gemacht wird.
Von den üblicherweise verwendeten Konstruktionslegierungen haben sich Aluminiumlegierungen aufgrund ihres hohen anfänglichen Oberflächenreflexionsvermögens und ihrer Porositätsbildung, die dem beim Lichtbogenschweißen ähneln, als am schwierigsten zu verschweißen erwiesen.
Untersuchungen zum Schweißen korrosionsbeständiger Stähle und Titanlegierungen haben gezeigt, dass die hochwertigen Verbindungen auf Blechdicken von 0-1 bis 2 mm hergestellt werden können. Die Schweißnähte sind vakuumdicht und haben 90% der Festigkeit des Grundmetalls. Die für solche Schweißungen verwendete Schweißgeschwindigkeit beträgt 17-25 cm / min.
Schweißnahtdesign für das Laserschweißen:
Beim Laserschweißen verwendete Verbindungsdesigns und -anpassungen sind im Allgemeinen ähnlich denen, die beim Elektronenstrahlschweißen verwendet werden. Einige der für das Laserschweißen von Blechen verwendeten Verbindungsdesigns sind jedoch auch in Abb. 14.21 dargestellt. Ein Fugenabstand von mehr als 3% der Materialstärke kann normalerweise zu Unterfüllungen führen. Ähnliche Ergebnisse werden erhalten, wenn zum Schweißen übermäßige Energie verwendet wird, was zum Durchfallen führt. Die Unterfüllung wird durch die Zugabe von Zusatzmetall entweder während des primären Schweißdurchgangs oder eines kosmetischen zweiten Durchlaufs behoben. Manchmal wird Zusatzmetall hinzugefügt, um die Schweißmetallchemie zu modifizieren. In einem solchen Fall kann eine quadratische Nut mit einem engen Spalt oder eine V-Nut verwendet werden, um die gewünschte Füllstoffzugabe bereitzustellen.
Generell gilt das bewährte Verfahren zur Schweißnahtvorbereitung auch für das Laserschweißen. Eine Nieder- oder Flachschweißposition wird bevorzugt, obwohl das Schweißen außerhalb der Position wie Horizontal-, Vertikal- und Überkopfschweißungen unter Bedingungen möglich ist, die sich gut innerhalb des Schlüsselloch-Schweißmodus befinden.
Anwendungen des Laserschweißens:
Zu den Hauptvorteilen des Laserschweißens gehört die Erzeugung von starker Wärme, die sich auf eine extrem kleine Fläche auswirkt. Daher ist der Energieeintrag, der zur Herstellung einer Schweißnaht erforderlich ist, gering. Aufgrund dieser Charakteristik des Verfahrens können damit unterschiedliche Metalle mit stark unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verschweißt werden. Es können auch Metalle mit relativ hohem elektrischem Widerstand und Bauteile mit erheblich unterschiedlichen Größen und Massen verschweißt werden.
Normalerweise wird beim Laserschweißen kein Schweißmetall verwendet, daher kann jedes Bauteil in einer bestimmten Position geschweißt werden, sofern der Laserstrahl an dieser Stelle fokussiert werden kann. Schweißnähte mit hoher Präzision können sogar in einer Metalldicke von einem Bruchteil eines Millimeters hergestellt werden. Aufgrund der sehr hohen Aufheiz- und Abkühlraten beim Laserschweißen ist das Kornwachstum begrenzt, und die Spannung wird verringert und das Schweißen wird gestrafft.
Eine der Anwendungen, die für heutige Laser besonders geeignet sind, ist das Herstellen von Mikroverbindungen. Daher hat sich das Laserschweißen als besonders geeignet für die Funktechnik und die Elektronik zum Schweißen von feinen Drahtleitungen zu Filmen auf Mikroschaltungsplatinen, Festkörperschaltkreisen und Mikromodulen erwiesen.
Der Laserstrahl kann die verschiedensten Metallkomponenten der Mikroelektronik schweißen. Gold und Silizium, Gold und Germanium, Nickel und Tantal, Kupfer und Aluminium können durch Laserstrahlschweißen erfolgreich geschweißt werden.
Das Schweißen von Nickeldrähten mit einem Durchmesser von 0, 5 mm in paralleler Konfiguration, das Punktschweißen von 0, 125 mm dicken Nickelbändern, das hermetische Abdichten von elektronischen Modulen und das Schweißen von Titanrohren mit einer Wandstärke von 0, 25 mm bis zu einer 0, 625 mm dicken Titanscheibe sind einige spezifische Anwendungen, die über die Verwendung berichtet werden Laserstrahlschweißen.
Varianten des Laserstrahlschweißens:
Neben den Festkörperlasern wie dem Rubinlaser gibt es auch Laser, bei denen die Lasermaterialien Flüssigkeiten wie Lösungen von Neodymoxid, einige Farbstoffe usw. sind. Anorganische Flüssigkeitslaser sind sehr nahe an den Festkörperimpulsen Laser übertreffen sie jedoch in Bezug auf die Impulsleistung, da ihre Laserelemente großvolumig sind.
Die dritte und die effizienteste Klasse von Lasern ist die, in der die Lasermaterialien Einkristalle von Halbleitern sind, wie Gallium und Indiumarsenid, die Cadmium, Selen und Schwefel usw. zulassen. Halbleiterlaser haben ein geringes Gewicht und erfordern einen geringen Eingang Energie und haben einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 70%.
Die vierte und vielleicht wichtigste Laserklasse verwendet Gase und deren Gemische wie Wasserstoff, Stickstoff, Argon und Kohlendioxid. Gaslaser haben das breiteste Strahlungsspektrum und die höchste Ausgangsleistung im Dauerstrichbetrieb (CW) in Verbindung mit einem relativ hohen Wirkungsgrad von 15 bis 25%.
Unter all diesen Varianten werden CO 2 -Gaslaser und ND: YAG-Laser am häufigsten für industrielle Anwendungen eingesetzt, da sie für einen dauerhaften Multikilowatt-Betrieb ausgelegt sind und daher hier ausführlich beschrieben werden.
Automatisierung beim Laserstrahlschweißen:
Das menschliche Auge kann verwendet werden, um den Laserstrahl zu beobachten, vorausgesetzt, er befindet sich im sichtbaren Bereich (dh einer Wellenlänge zwischen 0, 3 und 0, 7 um) des Spektrums. Am häufigsten ist jedoch das zum Schweißen verwendete Laserlicht für das menschliche Auge unsichtbar, wie aus Abb. 14.45 hervorgeht, in der Richtlinien zur Spektralortung einiger der gängigeren Laserstrahlwellenlängen gegeben sind. Es ist daher zwingend erforderlich, die Automatisierung für eine effektive und erfolgreiche Verwendung des Laserstrahls zum Schweißen zu verwenden, da dies zu inakzeptabler Qualitätsfertigung oder sogar zu schweren Unfällen führen kann.
Wenn eine Automatisierung oder eine höhere Effizienz erforderlich ist, werden Laserstrahlpositionsdetektoren verwendet, um den Laserstrahl zu lokalisieren und zu positionieren. Zu diesem Zweck stehen Positionsdetektoren zur ein- oder zweidimensionalen Detektion des Laserstrahls zur Verfügung. Ein vereinfachtes Diagramm eines Laserausrichtungssystems mit einem Quadrantendetektor ist in Abb. 14.46 dargestellt. Jeder Quadrant des Detektors ist eine separate Fotodiode, die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das proportional zur Lichtleistung ist, die es empfängt.
Wenn der einfallende Laserstrahl auf dem Detektor zentriert ist, erhält jedes Segment des Quadrantendetektors dieselbe Leistung. Wenn der Laserstrahl nicht zentriert ist, erhalten ein oder zwei Quadranten des Detektors mehr Lichtleistung. Es wurden Systeme entwickelt, die die Ausgaben von Quadrantendetektoren verwenden, um die Position des Laserstrahls relativ zur Detektormitte anzugeben. Die jüngsten Fortschritte bei Computersichtsystemen haben zweidimensionale Diodenarray-Detektorsysteme in der Industrie allgemein verfügbar gemacht. Für ein eindimensionales Zentrierliner können Fotodioden- oder Lateraleffekt-Fotodioden verwendet werden.
Durch Verwendung eines geeigneten Positionsdetektors in Verbindung mit einem automatisierten / Robotic-System kann die gewünschte Qualität in der Schweißfertigung erreicht werden.
Sicherheitsaspekte beim Laserschweißen:
Zu den normalen Gefahren beim Laserstrahlschweißen gehören Augenschäden, Hautverbrennungen, Auswirkungen auf das Atmungssystem, Stromschlag, chemische Gefahren und Gefahren beim Umgang mit kryogenen Kühlmitteln.
Laserstrahlen erzeugen im Normalbetrieb keine Röntgenstrahlen, sie erzeugen jedoch ein Licht hoher Intensität, das das Sehvermögen schädigen oder schwere Verbrennungen verursachen kann. Wenn die Wellenlänge zwischen 0, 4 und 1, 4 µm liegt, fokussiert das menschliche Augensystem den einfallenden Strahl um das 10-fache auf die Netzhaut. Dieser Wellenlängenbereich wird als Augenfokusbereich oder retinaler Gefahrenbereich bezeichnet.
Der sichtbare Anteil des Augenfokusbereichs, in dem das Auge Farbe erkennt, liegt nur zwischen etwa 0, 4 und 0, 7 um. Wellenlängen im Bereich von 0, 7 bis 1, 4 µm werden von der Netzhaut nicht erkannt, sie sind für das Okularsystem nicht sichtbar, obwohl sie vom Auge fokussiert werden können.
Wenn also die Wellenlänge des Strahls im Okularfokusbereich liegt, tritt in den Netzhautgeweben eine Augenschädigung auf, da sehr wenig Energie von der Hornhaut, der Linse und den wässrigen Geweben absorbiert wird. Wellenlängen außerhalb des fokussierbaren Bereichs werden jedoch von den äußeren Komponenten des Auges absorbiert und schädigen insbesondere die Hornhaut.
Es ist daher zwingend erforderlich, über Kenntnis der Wellenlänge des Laserstrahls zu verfügen, und Abb. 14.45 liefert die erforderlichen Informationen.
Es muss darauf geachtet werden, dass geeignete Gläser für das jeweilige Lasersystem verwendet werden. Bei längeren Infrarotwellenlängen, beispielsweise einer Wellenlänge von 10, 6 um eines CO 2 -Lasers, ist selbst gewöhnliches Glas undurchsichtig.
Es ist gängige Praxis, sicherzustellen, dass Arbeitsbereiche um Laser mit hellen Farben bemalt und hell beleuchtet werden.
Die Haut absorbiert alle Laserwellenlängen, aber für Hautschäden ist viel mehr Energie erforderlich als für Augenschäden. Bei Dauerstrichlasern ist mehr Energie erforderlich als bei gepulsten Lasern. Wenn ein Laser für eine Mindestdauer von 0, 25 Sekunden kontinuierlich Strahlung aussendet, wird er als Dauerstrichlaser betrachtet. Excimer- und CO 2 -Laser sind besonders in ihrer Fähigkeit, die Haut zu schädigen. Flammhemmende, langärmlige Hemden und Handschuhe bieten in den meisten Fällen ausreichenden Hautschutz.
Obwohl der Laserstrahl nicht durch elektrostatische oder elektromagnetische Felder abgelenkt wird, wird der Strahl durch glatte metallische Oberflächen, die das Auge oder die Haut beeinträchtigen können, teilweise reflektiert oder abgelenkt, und Laserverbrennungen können tief sein und sehr langsam abheilen.
Bei den meisten Lasersystemen wird Hochspannungsstrom mit hoher Stromstärke verwendet. Daher besteht immer die Möglichkeit eines tödlichen elektrischen Schlags. Tatsächlich hatten fast alle schweren oder tödlichen Unfälle mit Lasern mit der Stromversorgung zu tun. Arbeiten Sie daher niemals alleine, wenn Sie einen Hochleistungslaser direkt betreiben.
Beim tiefen Eindringen und beim Probeschweißen von Kunststoffen können sich giftige oder feine Metalldämpfe bilden. Bei starker Plasmaerzeugung kann Ozon entstehen, was angemessene Vorkehrungen für Lüftungs- und Abgassysteme erfordert.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Laser genauso sicher ist wie jedes andere Hochenergiewerkzeug und sollte richtig gehandhabt werden. Es liegt in der Verantwortung des Benutzers, den richtigen Umgang damit zu lernen.
