Vorsprung durch Innovation. FACTS ABOUT Laser Technologie ...

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Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1. Einleitung 3 2. Das Laserstrahlschweißen 4 2.1 Prinzip des Laserstrahlschweißens 4 2.2 Schweißnahtanordnung 4 2.3 Unterschiedliche Schweißprozesse 5 3. Parameter für das Laserstrahlschweißen 6 3.1 Funktionen des Schweißgases 6 3.2 Tendenz zur Plasmabildung 6 3.3 Mechanisch-technologische Eigenschaften 6 3.4 Schutz von Schmelzbad und Naht 7 3.5 Schweißgasdüsen 7 3.6 Ausrichtung der Schweißgasdüsen 8 4. Gasdrücke und Volumenströme für unterschiedliche Werkstoffe 9 4.1 Gase für das CO 2-Laserstrahlschweißen von Baustahl 9 4.1.1 Die Plasmabildung 9 4.1.2 Schweißgasdüsen 9 4.1.3 Schweißmetallurgie 9 4.1.4 Anwendungsbeispiele 10 4.2 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von Baustahl 12 4.3 Gase für das CO 2-Laserstrahlschweißen von Edelstahl 12 4.3.1 Austenitische Edelstähle 12 4.3.2 Ferritische Edelstähle 13 4.3.3 Austenitisch-ferritische Edelstähle 13 4.4 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von Edelstahl 14 4.5 Gase für das CO 2-Laserstrahlschweißen von Aluminium 14 4.6 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von Aluminium 15 5. Laser für die Oberflächenbearbeitung 16 5.1 Laserstrahlumwandlungshärten 16 5.2 Modifizieren von Oberflächen 17 5.3 Laserstrahllegieren 17 5.4 Laserstrahlbeschichten 17 6. Schweißgase für das Laserstrahlschweißen mit CO 2-Lasern 18 7. Schweißgase für das Laserstrahlschweißen mit Nd:YAG-Lasern 19 8. Literaturverzeichnis 19 In den zurückliegenden Jahren hat sich die Lasertechnologie vom Image des Exotischen befreit und ist zu einem in vielen Fertigungsbereichen eingesetzten „Stand der Technik“ gereift. Das Laserstrahlschneiden ist dabei die dominierende Anwendung von Hochleistungslasern in der Materialbearbeitung, aber auch das Laserstrahlschweißen und das Bearbeiten von Oberflächen wird bereits in vielen industriellen Bereichen angewendet. Das Laserstrahlschweißen wird dabei in sehr unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt, von der Mikroelektronik bis hin zum Schiffbau. Unter diesen hat sich der Automobilbau (vgl. Bild 1) als besonders innovationsfreudig erwiesen, wenn es darum geht, die besonderen Vorteile des Laserstrahlschweißens zu nutzen: geringe Wärmeeinbringung schmale WEZ geringer Verzug hohe Schweißgeschwindigkeit Dank dieser speziellen technologischen Vorteile konnte und kann sich das Laserstrahlschweißen insbesondere gegenüber dem Widerstandsschweißen durchsetzen. Ein zusätzlicher Pluspunkt ist das Schweißen bei einseitiger Zugänglichkeit, was weitere Anwendungsfelder eröffnet. Mit der Hybridtechnik, bei der der Laserstrahl mit einem Schutzgasschweißverfahren kombiniert wird, lässt sich ein Schwachpunkt des Laserstrahlschweißens überwinden, und zwar die hohen Anforderungen an die Vorbereitung der Schweißnaht. Mit dem Schutzgasverfahren kann ein Schweißzusatzwerkstoff eingebracht werden, wodurch die Anforderungen an die Kantenvorbereitung wesentlich reduziert und außerdem gezielt Legierungselemente zur Verbesserung der Nahteigenschaften zugegeben werden können. Die Schweißgeschwindigkeit ist dabei wesentlich höher als mit dem Schutzgasschweißen allein, zudem werden die Einschweißtiefe und das Nahtaussehen wesentlich verbessert. Neueste Entwicklungen bei der Anwendung von Dioden- und Faserlasern zeigen möglicherweise ganz neue Methoden auf, Fertigungsaufgaben zu lösen. Es ist aber noch einiges an Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten, bevor diese neuen Technologien ihren Platz in der Produktion einnehmen können. Hochleistungs-CO 2-Laser (2 –10 kW) werden heutzutage u. a. für das Schweißen von Karosseriebauteilen, Kraftübertragungskomponenten, Wärmetauschern und maßgeschneiderten Blechen, so genannten Tailored Blanks, eingesetzt. Nd:YAG-Laser geringerer Leistung (
2. Das Laserstrahlschweißen 2.1 Prinzip des Laserstrahlschweißens In Bild 2 ist ein Schweißkopf dargestellt. Der Laserstrahl wird, ausgehend vom Resonator, mit Spiegeln übertragen und auf das Werkstück fokussiert. Spiegel werden dabei eingesetzt, weil diese im Vergleich zu den bei geringeren Leistungen eingesetzten Linsen besser gekühlt werden können. Die Energie des fokussierten Laserstrahls schmilzt dann den Werkstoff auf und erzeugt eine Schweißnaht, wenn der Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden. 2.2 Schweißnahtanordnung Es gibt prinzipiell vier unterschiedliche Möglichkeiten der Schweißnahtanordnung, siehe auch Bild 3: Stumpfstoß (I-Naht) Überlappstoß (Kehlnaht) Überlappstoß (I-Naht) Stirnflächennaht Die zu verbindenden Bleche liegen beim Stumpfstoßschweißen in einer Ebene nebeneinander wie z. B. beim Schweißen von Tailored Blanks. Die Bleche werden gegeneinander gedrückt, um den Spalt zwischen den Blechen möglichst gering zu halten, und durch Aufschmelzen der Blechkanten verschweißt. Die Vorbereitung der Naht erfordert insbesondere bei Tailored Blanks (< 2 mm) besondere Sorgfalt, da der Laserstrahl einen Spalt größer als ca. 10 % der Blechdicke nahezu ohne Energieübertragung durchstrahlt und somit Nahtfehler verursacht. Beschichtete Werkstoffe verhalten sich dabei unkritisch, wenn keine Beschichtung auf den Fügeflächen vorliegt. Die Kehlnaht am Überlappstoß bezeichnet eine Anordnung, bei der die zu verbindenden Bleche überlappen, also teilweise aufeinander liegen, wie z. B. bei Blechübergängen. Die Blechkante des aufliegenden Bleches wird dazu aufgeschmolzen und mit dem darunter liegenden Blech verschweißt. Die Fügeflächen müssen metallisch blank sein, Oxide und andere Beschichtungen müssen aus dem Fügebereich entfernt werden. Die I-Naht am Überlappstoß bezeichnet eine Anordnung, bei der die zu verbindenden Bleche überlappen, also teilweise aufeinander liegen, wie z. B. beim Laserstrahlpunktschweißen. Die Schweißpunkte bzw. die Schweißnaht verbindet beide Bleche an beliebiger Stelle, ohne die Blechkanten zu erfassen. Die genaue Positionierung der Naht ist in der Regel weniger kritisch. Für die Nahtvorbereitung gilt dabei im Wesentlichen das Gleiche wie bei der Kehlnaht. Verunreinigungen und Beschichtungen zwischen den Fügepartnern müssen entfernt werden. Die Laserstrahlleistung muss ausreichen, um die gesamte Werkstoffdicke zu erfassen. Werkstückbeschichtungen wie Zink u. a. beeinträchtigen die Schweißnahtqualität, wenn sie nicht aus dem Fügebereich entweichen können, und verursachen dann Poren und Nahtfehler. Wird dagegen ein geringfügiger Spalt von ca. 0,05–0,2 mm zwischen den Fügepartnern eingestellt, können Beschichtungen verdampfen und entweichen, ohne die Nahtqualität zu beeinträchtigen. Bild 2: Laserschweißkopf Bild 3: Typische Fugen- und Nahtanordnungen Fokussieroptik Schutzdüse für die Optik Plasma V Schweißgut Laserstrahl Schweißgas Grundwerkstoff Geschmolzener Werkstoff Keyhole Stumpfstoß (I-Naht) Überlappstoß (Kehlnaht) Überlappstoß (I-Naht) Stirnflächennaht Bei der Stirnflächennaht werden die überlappenden Bleche an den Blechkanten mit einer Kopfnaht verschweißt. Diese Nahtanordnung erfordert eine exakte Positionierung von Naht und Laserstrahl. 2.3 Unterschiedliche Schweißprozesse Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche Arten, mit dem Laserstrahl zu schweißen, wie in Bild 4 dargestellt: das Wärmeleitungsschweißen, bei dem die an der Oberfläche eingebrachte Energie infolge der Wärmeleitung in den Werkstoff abfließt das Tiefschweißen, bei dem sich eine Schweißöse (engl.: Keyhole = Schlüsselloch) ausbildet und der Laserstrahl tief in den Werkstoff eindringt Das Wärmeleitungsschweißen ist typisch für das Schweißen mit geringerer Laserstrahlleistung (
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