Erfahren Sie die Wahrheit über das Laserschweißen

Geschätzte Lesezeit: 31 Protokoll

Laserschweißgeräte und technische Parameter

Zusammensetzung der Laserschweißausrüstung

Laserschweißgeräte umfassen hauptsächlich Laser, Strahlübertragung, Fokussierungssystem, Gasquelle (Schutzgas), Düse, Schweißgerät, Werkbank, Bedienfeld, Stromversorgung, Steuerung usw. Das Herzstück der Geräte ist ein Laser bestehend aus einem optischen Oszillator und ein Medium, das zwischen den Spiegeln an beiden Enden des Oszillatorhohlraums angeordnet ist. Wenn das Medium in einen hochenergetischen Zustand erregt wird, erzeugt das Schweißgerät Lichtwellen der gleichen Phase und reflektiert zwischen den Spiegeln an beiden Enden hin und her, wodurch ein photoelektrischer Fadenübergangseffekt entsteht, der die Lichtwellen verstärkt und ausreichend Energie zum Starten erhält Laserlicht aussenden.

Nach verschiedenen Laserarbeitsmaterialien wird die Ausrüstung in YAG-Festgeräte und CO . unterteilt₂ Gas-Ausrüstung; nach verschiedenen Laserarbeitsmethoden wird es in kontinuierliche Laserschweißgeräte und Pulslaserschweißgeräte unterteilt. Egal um welche Ausstattung es sich handelt, die Grundzusammensetzung ist in etwa ähnlich. Die Zusammensetzung der Ausrüstung und die Schweißbrenner ist in den Abbildungen 1.1 und 1.2 dargestellt.

Laser

Der Laser ist das Herzstück der Laserausrüstung. Die Eigenschaften des Schweißlasers sind in Tabelle 3.1 dargestellt. Nach der Luftkühlungsmethode wird das CO₂ Gaslaser werden in Querstrom-Typ, Axialstrom-Typ (hohe Geschwindigkeit und niedrige Geschwindigkeit) und Diffusionskühlungs-Typ unterteilt. Die Leistungsmerkmale verschiedener CO₂ Laser sind in Tabelle 3.2 aufgeführt.          

Im Vergleich zu CO₂ Laser, YAG-Laser haben kürzere Laserwellenlängen und können durch optische Fasern übertragen werden, was das Lichtleitsystem stark vereinfacht und für dreidimensionales Schweißen geeignet ist; es ist vorteilhaft für die Absorption von Metalloberflächen und eignet sich besser für Materialien mit hohem Reflexionsvermögen (wie Aluminiumlegierungen usw.) Schweißen.

Laser	Wellenlänge/чm	Arbeitsmodus	Wiederholfrequenz /Hz	Ausgangsleistung oder Energiebereich	Der Hauptzweck
Rubinlaser	0.69	Impuls	0-1	1-100J	Punktschweißen, Bohren
Neodym-Glaslaser	1.06	Impuls	0-0.1	1-100J	Punktschweißen, Bohren
YAG-Laser	1.06	Puls kontinuierlich	0-400	1-100J 0-2KW	Punktschweißen, Bohren Schweißen, Schneiden, Oberflächenbehandlung
Geschlossenes CO2 Laser-	10.6	Kontinuierlich	–	0-1KW	Schweißen, Schneiden, Oberflächenbehandlung
Kreuzstromlaser	10.6	Kontinuierlich	–	0-25KW	Schweißen, Oberflächenbehandlung
Hochgeschwindigkeits-Axialfluss CO2 Laser-	10.6	Kontinuierlicher Puls	0-5000	0-6KW	Schweißen, Schneiden

Artikel	Querstromtyp	Axialer Durchflusstyp	Diffusionskühlungstyp
Ausgangsleistungspegel	3-45KW	1,5-20KW	0,2-3,5 kW
Pulskapazität	DC	DC-1kHz	DC-5kHz
Strahlmodus	Über TEM02	TEM00, TEM01	TEM00, TEM01
Strahlausbreitungskoeffizient	0,18	0,4	0.8
Gasverbrauch	Klein	Groß	Sehr klein
Elektrisch-optische Umwandlungseffizienz	15%	15%	30%
Schweißeffekt	Gut	Gut	Besser
Schneideffekt	Arm	Gut	Besser
Transformationshärten	Gut	Nicht so schlecht	Nicht so schlecht
Oberflächenbeschichtung	Gut	Nicht so schlecht	Nicht so schlecht
Oberflächenverkleidung	Gut	Nicht so schlecht	Nicht so schlecht

Im Vergleich zu herkömmlichen Gas- und Festkörperlasern weisen die in den letzten Jahren entwickelten Faserlaser folgende Eigenschaften auf.

• Glasfaser hat niedrige Herstellungskosten, ausgereifte Technologie, und die Flexibilität der Glasfaser bringt Vorteile der Miniaturisierung und Intensität.
• Die optische Faser hat ein sehr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, schnelle Wärmeableitung, geringe Verluste, hohe Umwandlungseffizienz und niedrige Laserschwelle.
• Es gibt keine optische Linse im Resonanzhohlraum des Faserlasers, der justagefreie, wartungsfreie und hohe Stabilitätseigenschaften aufweist.
• Mit hoher Leistung und hoher photoelektrischer Effizienz erreicht die umfassende photoelektrische Effizienz des 10KW-Faserlasers mehr als 20%.
• Kleine Größe, lange Lebensdauer, einfache Integration des Systems, einfache Laserübertragung über große Entfernungen und normaler Betrieb in rauen Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Druck, starken Vibrationen und starken Stößen.

Gerade wegen der oben genannten Vorteile von Hochleistungs-Faserlasern wird deren Anwendung im Bereich der Materialbearbeitung ständig erweitert und bietet extrem breite Anwendungsperspektiven.

Strahlübertragungs- und Fokussiersystem

Das Strahlübertragungs- und Fokussiersystem wird auch als externes optisches System bezeichnet. Es besteht aus einem Zirkularpolarisator, einem Strahlaufweiter, einem Spiegel oder einer optischen Faser, einem Fokussierspiegel usw., der verwendet wird, um den Laserstrahl auf das Werkstück zu übertragen und zu fokussieren, und seine Endinstallation bietet Schutz oder Unterstützung des Luftstrombrenners.

Das Hauptmaterial der Fokussierlinse ist ZnSe, das eine gute Transmission und Fokussierleistung aufweist und günstig ist. Die Fokussierlinse wird jedoch während des Schweißvorgangs leicht durch Rauch und Metallspritzer verunreinigt. Wenn die Laserleistung niedrig ist (<2KW), wird oft die Fokussierlinse verwendet, und die reflektierende Fokussierlinse sollte für Hochleistungsschweißen (>2KW) verwendet werden. Der reflektierende Fokussierspiegel besteht aus Metall mit hoher Reflexion zum Laser. Beim Laserschweißen werden meist Kupfer-Parabolspiegel mit unterschiedlichen Beschichtungen verwendet. Diese Art von Fokussierspiegel ist stabil und kann in Verbindung mit wassergekühlten Komponenten verwendet werden. Es weist eine geringe thermische Verformung auf und ist nicht leicht zu verschmutzen. Die Fokussierleistung ist jedoch nicht so gut wie die des Linsenfokussierungsspiegels und der relativen Position des einfallenden Lasers. Es erfordert eine hohe Präzision, ist schwer einzustellen und verursacht leicht Astigmatismus im Fokusfleck, und der Preis ist höher.

Die Brennweite der Fokussierlinse hat einen wichtigen Einfluss auf den Fokussiereffekt und die Schweißqualität, im Allgemeinen 127-200 mm. Eine Verringerung der Brennweite kann zu einem kleinen Fokusfleck und einer höheren Leistungsdichte führen, aber wenn die Brennweite zu klein ist, ist die Fokussierlinse anfällig für Verschmutzung und Beschädigung. Sobald die Spiegeloberfläche verunreinigt ist, nimmt die Absorption des Lasers deutlich zu, wodurch die Leistungsdichte des Werkstücks verringert wird und die Linse leicht bricht.

Gasquelle (Schutzgas)

Dafür ist Schutzgas erforderlich. Bei den meisten Prozessen wird das Schutzgas durch eine spezielle Düse in den Laserstrahlungsbereich geleitet. Derzeit ist das meiste CO₂ Laser verwenden He, N₂, CO₂, und Mischgas als Arbeitsmedium und Schutzgas. Das Verhältnis beträgt 60%: 33%: 7%. Er ist teuer, so dass der Hochgeschwindigkeits-Axialstrom CO₂ Laser hat höhere Betriebskosten. Sollte seine Kosten berücksichtigen.

Düse

Die Düse ist im Allgemeinen so konstruiert, dass sie koaxial zum Laserstrahl platziert wird. Es wird üblicherweise verwendet, um das Schutzgas von der Seite des Laserstrahls in die Düse zu leiten. Die typische Aufblasöffnung beträgt 4-8 mm und der Abstand von der Düse zum Werkstück beträgt 3-10 mm. Im Allgemeinen ist der Druck des Schutzgases niedriger. Der Gasdurchfluss beträgt 8~30L/min, Abbildung 1.3 und 1.4 zeigen die für CO . weit verbreitete Düsenstruktur₂ Laser und YAG-Laser.

Um die optischen Komponenten des Laserschweißens vor Schweißrauch und Schweißspritzern zu schützen, können mehrere Horizontalstrahldüsenausführungen verwendet werden. Die Grundidee besteht darin, den Luftstrom vertikal durch den Laserstrahl strömen zu lassen, je nach technischen Anforderungen oder zum Einblasen von Schweißrauch oder zum Ableiten von Metallpartikeln mit hoher kinetischer Energie.

Laserschweißmaschine

Die Laserschweißmaschine umfasst eine Werkbank und ein Steuerungssystem. Es wird hauptsächlich verwendet, um die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück zu realisieren und das Schweißen abzuschließen. Es ist in zwei Typen unterteilt: Spezialschweißgerät und allgemeines Schweißgerät. Letztere häufig verwendete numerische Steuerungssysteme sind rechtwinklige zweidimensionale, dreidimensionale Schweißmaschinen oder knickgelenkte Schweißroboter, servomotorisch angetriebene Arbeitstische können verwendet werden, um Werkstücke zum Schweißen zu platzieren. Das Kontrollsystem nimmt meistens ein numerisches Kontrollsystem an.

Energieversorgung

Um den stabilen Betrieb des Lasers zu gewährleisten, werden elektronische Festkörper-Steuerstromversorgungen mit schneller Reaktion und hoher Stabilität verwendet.

Die wichtigsten technischen Parameter der Laserschweißmaschine

Tabelle 3.3 listet die wichtigsten technischen Parameter einiger häuslicher Laserschweißgeräte auf. Bei der Anschaffung von Geräten sollten Größe, Form, Material und Eigenschaften der Geräte, technische Kennzahlen, Anwendungsbereich und wirtschaftliche Vorteile umfassend berücksichtigt werden.

Ein Laserschweißgerät mit niedriger Leistung kann zum Schweißen von Mikroteilen und Präzisionsteilen verwendet werden, und das Gerät mit höherer Leistung sollte für ein Schweißgerät und dicke Teile verwendet werden. Punktschweißen kann ein Pulslaserschweißgerät wählen, um eine kontinuierliche Schweißnaht zu erhalten, sollten Sie ein kontinuierliches Gerät oder ein Hochfrequenz-Pulslaserschweißgerät wählen. Außerdem sollte darauf geachtet werden, ob die Maschine über Funktionen wie Überwachung und Schutz verfügt.

Modell	NJH-30	JKG	DH-WM01	GD-10-1
Name	Neodym-Glas-Pulslaserschweißgerät	Neodymglas CNC-Pulslaserschweißmaschine	Automatisches YAG-Laserschweißgerät mit Batteriegehäuse	Rubin-Laserpunktschweißgerät
Laserwellenlänge /чm	1.06	1.06	1.06	0.69
Maximale Ausgangsenergie /J	130	97	40	13
Wiederholungsrate	1-5Hz	30mal/min (bei Nennleistung）	1-100Hz (sieben Gänge)	16 mal/min
Impulsbreite /ms	0,5 (bei Maximalleistung) 6 (bei Nennleistung)	2-8	0,3-10 (sieben Gänge)	6（maximal）
Größe des Laserbearbeitungsmaterials	–	12×350	–	10×165
Verwendet	Elektroschweißen und Perforieren	Es wird zum Stumpfschweißen, Überlappschweißen und Überlappen von dünnen Drähten, dünnen Platten verwendet, und die Schweißeindringtiefe kann 1 m erreichen. Tabelle 3.2 Wichtigste technische Parameter einiger inländischer Laserschweißgeräte.	Schweißen von Batteriegehäusen. Doppelte Werkbank, der Schweißprozess ist vollautomatisiert	Elektroschweißen und Bohren. Geeignet für Plattendicken von weniger als 0,4 mm, Drahtdurchmesser von weniger als 0,6 mm

Die Low-Power-Pulslaserschweißmaschine eignet sich zum Punktschweißen zwischen Metalldraht und Draht, Draht und Platte (oder Folie) mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm, insbesondere für die Punktschweißverbindung von Mikrometer-Filament und Folienfolie. Kontinuierliche Laserschweißmaschinen, insbesondere Hochleistungskontinuierliche, sind meist CO₂ Laserschweißmaschinen, mit denen durchgehende Schweißnähte und Tiefschweißungen von dicken Blechen hergestellt werden können.

Eigenschaften und Parameter des Pulslaserschweißprozesses

Prozesseigenschaften des Pulslaserschweißens

Beim Laserschweißen handelt es sich um eine Art Schmelzschweißen, bei dem Laserstrahlen als Energiequelle zum Auftreffen auf die Schweißnähte verwendet werden. Der Laserstrahl kann durch ein flaches optisches Element (wie einen Spiegel) geführt werden und dann wird ein reflektierendes Fokussierelement oder eine Linse verwendet, um den Strahl auf die Schweißnaht zu projizieren. Es ist berührungsloses Schweißen. Während des Betriebs ist kein Druck erforderlich, jedoch ist ein Inertgas erforderlich, um die Oxidation des Schmelzbades zu verhindern, und manchmal wird auch Füllmetall verwendet.

Das gepulste Laserschweißen ähnelt dem Punktschweißen. Seine Heizpunkte sind sehr klein, in der Größenordnung von Mikrometern. Jeder Laserpuls bildet einen Schweißpunkt auf dem Metallteil. Wird hauptsächlich zum Schweißen von Mikro-, Präzisionsbauteilen und mikroelektronischen Bauteilen verwendet. Sie erfolgt durch Punktschweißen oder Nahtschweißen durch Überlappungsstöße. Üblicherweise verwendete Laser für das gepulste Laserschweißen umfassen Rubinlaser, Neodym-Glaslaser und YAG-Laser.

Prozesseigenschaften des Pulslaserschweißens

Das Pulslaserschweißen hat vier Hauptschweißparameter: Pulsenergie, Pulsbreite, Leistungsdichte und Defokussierung.

Pulsenergie und Pulsbreite

Beim Pulslaserschweißen bestimmt die Pulsenergie die Heizenergie und beeinflusst hauptsächlich die Menge des Metallschmelzens. Die Pulsbreite bestimmt die Schweißheizzeit und beeinflusst die Eindringtiefe und die Größe der Wärmeeinflusszone. Abbildung 3.5 zeigt den Einfluss der Pulsbreite auf die Penetration. Wenn der Puls erweitert wird, nimmt die Eindringtiefe allmählich zu. Wenn die Pulsbreite einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, nimmt stattdessen die Eindringtiefe ab. Bei konstanter Pulsenergie gibt es eine optimale Pulsbreite für verschiedene Materialien und die Einschweißung ist zu diesem Zeitpunkt am größten. Die beste Pulsbreite für das Stahlschweißen beträgt 5-8 ms.

Die Pulsenergie hängt hauptsächlich von den thermophysikalischen Eigenschaften des Materials ab, insbesondere von der Wärmeleitfähigkeit und dem Schmelzpunkt. Metalle mit guter Wärmeleitfähigkeit und niedrigem Schmelzpunkt können leicht eine größere Eindringtiefe erreichen. Beim Schweißen besteht ein bestimmter Zusammenhang zwischen Pulsenergie und Pulsbreite, der mit der Dicke und den Eigenschaften des Materials variiert.

Die mittlere Leistung P des Lasers wird durch Gleichung (3.1) bestimmt:

P=E/τ (3.1)

In der Formel ist P die Laserleistung W; E die Laserpulsenergie J ist; τ ist die Pulsbreite, s.

Um eine bestimmte Leistung beizubehalten, muss bei steigender Pulsenergie die Pulsbreite entsprechend erhöht werden, um eine bessere Schweißqualität zu erzielen.

Leistungsdichte

Wenn die Leistungsdichte des Laserpunktes klein ist, wird das Schweißen durch Wärmeleitungsschweißen durchgeführt und der Durchmesser und die Eindringung des Schweißpunktes werden durch die Wärmeleitung bestimmt. Wenn die Leistungsdichte einen bestimmten Wert erreicht (10⁶W/cm²). Wenn die Leistungsdichte jedoch zu hoch ist, verdampft das Metall heftig, was zu zu viel verdampftem Metall führt, ein kleines Loch bildet, das nicht mit flüssigem Metall gefüllt werden kann, und es ist schwierig, eine feste Lötverbindung zu bilden.

Beim Pulslaserschweißen wird die Leistungsdichte durch Gleichung (3.2) bestimmt;

P_D=4E/πd2τ (3.2)

In der Formel ist P_D ist die Leistungsdichte am Laserspot, W/cm²; E die Laserpulsenergie J ist; d ist der Fleckdurchmesser, cm; τ ist die Pulsbreite, s.

Abbildung 3.6 zeigt den Zusammenhang zwischen Pulsenergie und Pulsbreite beim Pulslaserschweißen von Materialien mit unterschiedlichen Dicken. Die Pulsenergie E und die Pulsbreite τ stehen in einem linearen Zusammenhang. Mit zunehmender Dicke der Schweißkonstruktion nimmt die Laserleistungsdichte entsprechend zu.

Defokussieren

Der Defokus bezieht sich auf den Abstand zwischen der Oberfläche der Schweißkonstruktion und dem kleinsten Punkt des fokussierten Laserstrahls während des Schweißens (auch Fokus genannt). Es gibt zwei Defokussierungsmethoden: positive Defokussierung und negative Defokussierung. Die Fokusebene über dem Werkstück wird als positiver Defokus bezeichnet, andernfalls als negativer Defokus. Nachdem der Laserstrahl durch die Linse fokussiert wurde, gibt es einen minimalen Punktdurchmesser. Wenn die Oberfläche der Schweißkonstruktion damit übereinstimmt, ist der Defokussierungsbetrag F = 0; wenn die Oberfläche der Schweißkonstruktion darunter liegt, F > 0, was ein positiver Defokussierungsbetrag ist; andernfalls ist F < 0 der negative Defokussierungsbetrag.

Das Ändern des Defokussierungsbetrags kann die Größe des Laserheizflecks und die Einfallsbedingung des Strahls ändern. Eine zu starke Defokussierung erhöht jedoch den Durchmesser des Flecks, verringert die Leistungsdichte auf dem Fleck und verringert die Eindringtiefe.

Beim Pulslaserschweißen wird üblicherweise das Metall mit geringem Reflexionsvermögen, großer Wärmeleitfähigkeit und geringer Dicke als Deckblech gewählt; Bevor der dünne Draht und die Folie verschweißt werden, kann am Ende des Drahtes eine kleine Kugel mit einem Durchmesser vom 2- bis 3-fachen des Drahtdurchmessers angeschweißt werden. Zur Erhöhung der Kontaktfläche und Erleichterung der Laserstrahlausrichtung. Das Pulslaserschweißen kann auch zum Dünnblechnahtschweißen verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Schweißgeschwindigkeit v=df(1-K), wobei d der Durchmesser des Schweißpunktes ist, f die Pulsfrequenz ist und K der Überlappungskoeffizient (0,3~0,9 entsprechend der Dicke der Platte) ist. .

Die Prozessparameter des Pulslaserschweißens verschiedener Werkstoffschweißungen sind in Tabelle 3.4 dargestellt. Tabelle 3.5 zeigt die Prozessparameter und die Verbindungsleistung des Draht-zu-Draht-Pulslaserschweißens.

Material	Dicke (Durchmesser)/mm	Pulsenergie / J	Impulsbreite /ms	Laserkategorie
Vergoldete Phosphorbronze + Aluminiumfolie	0. 3+0.2	3.5	4.3	Neodym-Glaslaser
Edelstahlblech	0.15+0.15	1.21	3.7	Neodym-Glaslaser
Reine Kupferfolie	0.05+0.05	2.3	4.0	Neodym-Glaslaser
Nickel-Chrom-Draht + Kupferblech	0.10+0.15	1.0	3.4	–
Edelstahlblech + Ni-Cr-Draht	0.15+0.10	1.4	3.2	Neodym-Glaslaser
Silizium-Aluminium-Draht + Edelstahlblech	0.10+0.15	1.4	3.2	Neodym-Glaslaser

Material	Durchmesser/mm	Gemeinsames Formular	Prozessparameter	Prozessparameter	Gemeinsame Leistung	Gemeinsame Leistung
			Ausgangsleistung/J	Pulsbreite/ms	Maximale Entladung/N	Widerstand/Ω
301 Edelstahl（1Cr17Ni7）	0.33	Docking	8	3.0	97	0.03
		Überlappung	8	3.0	103	0.03
		Kreuz	8	3.0	113	0.03
		T-förmig	8	3.0	106	0.03
	0.79	Docking	10	3.4	145	0.02
		Überlappung	10	3.4	157	0.02
		Kreuz	10	3.4	181	0.02
		T-förmig	11	3.6	182	0.02
	0.38+0.79	Docking	10	3.4	106	0.02
		Überlappung	10	3.4	113	0.03
		Kreuz	10	3.4	116	0.03
		T-förmig	11	3.6	120	0.01
	0.79+0.40	T-förmig	11	3.6	89	0.01
Kupfer	0.38	Docking	10	3.4	23	0.01
		Überlappung	10	3.4	23	0.01
		Kreuz	10	3.4	19	0.01
		T-förmig	11	3.6	14	0.01
Nickel	0.51	Docking	10	3.4	55	0.01
		Überlappung	7	2.8	35	0.01
		Kreuz	9	3.2	30	0.01
		T-förmig	11	3.6	57	0.01
Tantal	0.38	Docking	8	3.0	52	0.01
		Überlappung	8	3.0	40	0.01
		Kreuz	9	3.2	42	0.01
		T-förmig	8	3.0	50	0.01
	0.63	Docking	11	3.5	67	0.01
		Überlappung	11	3.5	58	0.01
		T-förmig	11	3.5	77	0.01
	0.65+0.38	T-förmig	11	3.6	51	0.01
Kupfer und Tantal	0.38	Docking	10	3.4	17	0.01
		Überlappung	10	3.4	24	0.01
		Kreuz	10	3.4	18	0.01
		T-förmig	10	3.4	18	0.01

Kontinuierlicher Laserschweißprozess und Parameter

Aufgrund unterschiedlicher Metallreflektivität, Schmelzpunkt, Wärmeleitfähigkeit und anderer Parameter variiert die für das kontinuierliche Laserschweißen erforderliche Ausgangsleistung stark, im Allgemeinen von mehreren Kilowatt bis zu mehreren zehn Kilowatt. Der Unterschied in der Ausgangsleistung, der für das kontinuierliche Laserschweißen verschiedener Metalle erforderlich ist, wird hauptsächlich durch den Unterschied im Absorptionsvermögen verursacht. Kontinuierliches Laserschweißen verwendet hauptsächlich CO₂ Laser- und Faserlaser, und die Schweißnahtform wird maßgeblich von der Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit bestimmt. Das CO₂ Laser wird aufgrund seiner einfachen Struktur, des großen Ausgangsleistungsbereichs und der hohen Energieumwandlungsrate häufig beim kontinuierlichen Laserschweißen verwendet.

Fugenform und Montageanforderungen

Die gängige Form des Laserschweißkopfes ist in Abbildung 3.7 dargestellt. Beim Laserschweißen werden meistens Stumpf- und Überlappungsverbindungen verwendet, und die Anforderungen an die Maßtoleranz der Montage von Stumpf- und Überlappungsverbindungen sind in Abbildung 3.8 dargestellt.

Das Laserschweißen stellt hohe Anforderungen an die Montagequalität von Schweißteilen. Wenn beim Stumpfschweißen die Fehlausrichtung der Verbindung zu groß ist, wird der einfallende Laser an der Ecke der Platine reflektiert und der Schweißprozess wird instabil. Wenn beim Schweißen dünner Bleche der Spalt zu groß ist, wird das Schweißen nach dem Schweißen durchgeführt. Die Nahtoberfläche ist nicht vollständig ausgebildet, und in schweren Fällen werden Perforationen gebildet. Beim Überlappschweißen ist der Spalt zwischen den Platten zu groß und es kommt leicht zu einer schlechten Verschmelzung zwischen den oberen und unteren Platten. Die Montageanforderungen verschiedener Typen von Laserschweißverbindungen sind in Tabelle 3.5 aufgeführt, wodurch die Montagetoleranz der Verbindungen erhöht und der unerwünschte Zustand der Laserschweißverbindungsvorbereitung verbessert werden kann. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die selbstfließende Schweißnaht nicht vollständig ist, wenn der Spalt 3% der Blechdicke überschreitet.

Beim Laserschweißen sollte die Schweißkonstruktion geklemmt werden, um eine Schweißverformung zu vermeiden. Die Abweichung des Lichtflecks von der Mitte der Schweißnaht senkrecht zur Schweißbewegungsrichtung sollte kleiner sein als der Radius des Lichtflecks. Bei Eisen- und Stahlwerkstoffen muss die Oberfläche der Schweißkonstruktion vor dem Schweißen entfettet und entfettet werden; bei höheren Anforderungen muss es vor dem Schweißen gebeizt und anschließend mit Äther, Aceton oder Tetrachlorkohlenstoff gereinigt werden.

Das Laser-Tiefschweißen kann Allpositionsschweißen durchführen, den allmählichen Übergang von Anfangs- und Endschweißen, der durch Anpassen des Anstiegs- und Dämpfungsprozesses der Laserleistung und Ändern der Schweißgeschwindigkeit realisiert werden kann. Es kann beim Schweißen der Gurtnaht einen fließenden Übergang vom Anfang zum Ende realisieren. Die Verwendung von interner Reflexion zur Verbesserung der Laserabsorption der Schweißnaht kann die Effizienz und Eindringtiefe des Schweißprozesses verbessern.

Gemeinsame Form	Maximal zulässige Lücke	Maximal zulässige obere und untere Seitenabweichung
Stoßverbindung	0.10δ	0,25δ
Winkelgelenk	0.10δ	0,25δ
T-Gelenk	0,25δ	–
Überlappungsverbindung	0,25δ	–
Crimpverbindung	0.10δ	0,25δ

Füllermetal

Es ist zum Selbstschmelzschweißen geeignet. Im Allgemeinen wird kein Schweißmaterial hinzugefügt und die Verbindung wird durch das Schmelzen des geschweißten Materials selbst gebildet. Um jedoch die Montagegenauigkeit zu verringern, die Schweißnahtbildung zu verbessern und die Anpassungsfähigkeit der Schweißkonstruktion zu verbessern, ist es manchmal auch erforderlich, Füllmetall hinzuzufügen. Das Hinzufügen von Zusatzmetall kann die chemische Zusammensetzung der Schweißnaht ändern, um den Zweck der Kontrolle der Schweißstruktur, der Verbesserung der Form und der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung zu erreichen. In einigen Fällen kann es auch die Fähigkeit der Schweißnaht verbessern, Kristallrissen zu widerstehen

Abbildung 3.9 zeigt eine schematische Darstellung des Laser-Zusatzdrahtschweißens. Zusatzmetall wird oft in Form von Schweißdraht hinzugefügt, der kalt oder heiß sein kann. Beim Tiefschweißen sollte der Zusatzwerkstoff nicht zu groß sein, um den Pinhole-Effekt nicht zu zerstören.

Der Schweißdraht für das Laser-Zusatzdrahtschweißen kann von der Vorderseite des Lasers oder von der Rückseite des Lasers eingeführt werden, wie in Abbildung 3.10 gezeigt. Das Vordraht-Zuführverfahren wird häufig verwendet. Der Vorteil besteht darin, dass die Zugsicherheit des Schweißdrahtes hoch ist und die Stoßnut eine Führungswirkung auf den Schweißdraht hat. Das Nach-Draht-Zuführverfahren weist feinere Wellen auf der Schweißnahtoberfläche auf und hat ein besseres Erscheinungsbild. Der Nachteil besteht darin, dass der Schweißdraht an der Schweißnaht kleben bleiben kann, sobald die Genauigkeit der Drahtzuführung verringert wird. Die Mittellinie des Schweißdrahts und die Mittellinie der Schweißnaht müssen übereinstimmen, und der Winkel zur optischen Laserachse beträgt im Allgemeinen 30°~75°. Der Schweißdraht sollte genau in den Schnittpunkt der optischen Achse und des Grundmetalls geführt werden, damit der Laser zuerst den Schweißdraht erhitzt und zu einem Tropfen schmilzt. Später wird auch das Grundmetall erhitzt und geschmolzen, um ein Schmelzbad und kleine Löcher zu bilden, und die Drahttröpfchen treten dann in das Schmelzbad ein. Andernfalls dringt die Laserenergie durch den Fügespalt und kann keine kleinen Löcher bilden, was den Schweißprozess erschwert.

Der Schweißdraht absorbiert und reflektiert auch Laserenergie. Der Absorptions- und Reflexionsgrad hängt von Faktoren wie Laserleistung, Drahtvorschubmethode, Drahtvorschubgeschwindigkeit und Brennweite ab. Bei der Vordrahtzufuhrmethode schmilzt die kombinierte Wirkung von Laserstrahlung und Plasmaheizung den Schweißdraht, was viel Energie erfordert, sodass der Schweißprozess instabil ist. Wenn die Nachdrahtzuführungsmethode angewendet wird, beteiligt sich die Wärme des Schmelzbades auch an der Erwärmung des Schweißdrahts, so dass die Erwärmungsenergie durch Laserstrahlung reduziert wird und die Laserenergie verwendet werden kann, um das Grundmaterial zu erwärmen, um es zu formen kleine Löcher.

Die Drahtvorschubgeschwindigkeit ist ein wichtiger Prozessparameter beim Laser-Draht-Zusatzschweißen. Die Erhöhung der Nahtbreite und Schweißnahthöhe beim Laser-Draht-Zusatzschweißen wird hauptsächlich durch das Schweißdraht-Auftragsmetall gebildet. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit wird durch die Schweißgeschwindigkeit, den Verbindungsspalt, den Schweißdrahtdurchmesser und andere Faktoren bestimmt. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit ist zu schnell oder zu langsam, was zu einer übermäßigen Metallschmelze führt. Alle beeinflussen mehr oder weniger die Wechselwirkung zwischen Laser, Grundmetall und Schweißdraht und die Schweißnahtbildung.

Das Laserschweißen von Fülldraht ist vorteilhaft für das Schweißen von spröden Materialien und unähnlichen Metallen. Aufgrund der unterschiedlichen Kohlenstoff- und Legierungselemente beim Laserschweißen von unähnlichem Stahl oder Stahl und Gusseisen bilden sich beispielsweise leicht spröde Strukturen wie Martensit oder White Mouth in der Schweißnaht. Die Fehlanpassung des linearen Ausdehnungskoeffizienten führt auch zu einer höheren Schweißspannung. Der kombinierte Effekt davon führt zu Schweißrissen. Der Zusatzdraht kann die Schweißgutzusammensetzung einstellen, den Kohlenstoffgehalt reduzieren und den Nickelgehalt erhöhen und die Bildung spröder Strukturen hemmen. Das Laser-Mehrlagen-Fülldrahtschweißen kann auch kleinere Leistungsgeräte verwenden, um das Schweißen von Blechen mit großer Dicke zu realisieren und die Anpassungsfähigkeit des Laserschweißens an dicke Bleche zu verbessern.

Prozessparameter

Zu den Prozessparametern des kontinuierlichen Laserschweißens gehören Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit, Punktdurchmesser, Defokussierungsbetrag, Art und Durchflussmenge des Schutzgases usw.

Laserleistung P

Die Laserleistung bezieht sich auf die Ausgangsleistung des Lasers, ohne die Verluste durch Lichtleiter und Fokussiersystem zu berücksichtigen, sie ist einer der kritischsten Parameter beim kontinuierlichen Laserschweißen. Kontinuierlich arbeitende Laser mit geringer Leistung können bei niedrigen Geschwindigkeiten Schweißnähte mit begrenzter Wärmeübertragung auf dünnen Blechen erzeugen. Bei Hochleistungslasern können kleine Löcher verwendet werden, um schmale Schweißnähte auf dünnen Blechen mit hoher Geschwindigkeit herzustellen, oder kleine Löcher können verwendet werden, um Schweißnähte mit relativ großer Tiefe und Breite bei niedrigen Geschwindigkeiten (jedoch nicht weniger als 0,6 m/s) herzustellen. auf mittleren und dicken Platten. Beim Laserschweißen mit Wärmeübertragung beträgt der Laserleistungsbereich 10⁴-10⁶W/cm². Die Eindringtiefe beim Laserschweißen hängt eng mit der Ausgangsleistung zusammen. Bei einem bestimmten Punktdurchmesser nimmt die Einschweißung mit steigender Laserleistung zu. Abbildung 3.11 zeigt den Zusammenhang zwischen Laserleistung und Eindringtiefe beim kontinuierlichen Laserschweißen verschiedener Materialien.

Schweißgeschwindigkeit V

Die Schweißgeschwindigkeit beeinflusst den Wärmeeintrag pro Zeiteinheit. Bei zu geringer Schweißgeschwindigkeit wird die Wärmezufuhr zu groß und das Werkstück brennt durch; Bei zu hoher Schweißgeschwindigkeit ist die Wärmeeinbringung zu gering und das Werkstück wird unvollständig geschweißt. Erhöhen Sie bei einer bestimmten Laserleistung die Schweißgeschwindigkeit, der Wärmeeintrag nimmt ab und die Schweißeindringung nimmt ab. Durch entsprechendes Reduzieren der Schweißgeschwindigkeit kann die Einschweißtiefe erhöht werden, bei zu geringer Schweißgeschwindigkeit erhöht sich die Einschweißtiefe nicht, sondern die Einschweißbreite. Der Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Einschweißung von Edelstahl ist in Abbildung 3.12 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass bei unveränderter Laserleistung und anderen Parametern die Einschweißung mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit abnimmt.

Der Zusammenhang zwischen Schweißgeschwindigkeit und Eindringtiefe beim Laserschweißen mit unterschiedlicher Leistung ist in Abbildung 3.13 dargestellt. Mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit nimmt die Eindringtiefe allmählich ab. Der Einfluss der Laserschweißgeschwindigkeit auf den Einbrand von Kohlenstoffstahl und die Eindringtiefe bei unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten sind in Abbildung 3.14 bzw. Abbildung 3.15 dargestellt.

Die Beziehung zwischen Eindringtiefe, Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit kann durch Gleichung (3.3) ausgedrückt werden:

h=βP^1/2v^-R (3.3)

In der Formel ist h die Einschweißtiefe, mm; P die Laserleistung W ist; v ist die Schweißgeschwindigkeit, mm/s: β und r sind Konstanten, die von der Laserquelle, dem Fokussiersystem und dem Schweißmaterial abhängen.

Beim Laser-Tiefschweißen ist der Rückstoßdruck des Metalldampfs die Hauptantriebskraft, um das Vorhandensein des kleinen Lochs aufrechtzuerhalten. Nachdem die Schweißgeschwindigkeit auf ein bestimmtes Niveau gesunken ist, steigt die Wärmezufuhr und es wird immer mehr geschmolzenes Metall. Wenn der durch den Metalldampf erzeugte Rückstoßdruck nicht ausreicht, um die Existenz des kleinen Lochs aufrechtzuerhalten, vertieft sich das kleine Loch nicht nur nicht mehr, sondern bricht sogar zusammen, Schweißen Der Prozess degeneriert zum Wärmeübertragungsschweißen, sodass die Eindringtiefe nicht erhöht wird . Mit zunehmender Metallverdampfung steigt die Temperatur der kleinen Lochfläche, die Plasmakonzentration steigt und die Absorption von Laserlicht steigt. Aus diesen Gründen hat die Eindringtiefe des Laserschweißens beim Schweißen mit niedriger Geschwindigkeit einen maximalen Wert.

Punktdurchmesser d_Ö

Nach der Theorie der Lichtbeugung ist der minimale Fleckdurchmesser d des fokussierten Lasers. Sie lässt sich nach Formel (3.4) berechnen:

D_Ö=2,44fλ(3m+1)/D (3,4)

In der Formel d_Ö ist der minimale Punktdurchmesser, mm; f ist die Brennweite des Objektivs, mm; ist die Laserwellenlänge, mm; D ist der Strahldurchmesser vor der Fokussierung, mm; m ist die Ordnung des Laservibrationsmodus.

Für einen Strahl einer bestimmten Wellenlänge gilt: Je kleiner die f/D- und m-Werte sind, desto kleiner ist der Fleckdurchmesser. Um beim Schweißen einen tiefen Einbrand zu erzielen, ist eine hohe Leistungsdichte am Laserpunkt erforderlich. Um eine Kleinlocherwärmung durchzuführen, muss die Leistungsdichte am Laserfokus während des Schweißens größer als 10 . sein⁶W/cm².

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Leistungsdichte zu erhöhen: Eine besteht darin, die Laserleistung P zu erhöhen, die proportional zur Leistungsdichte ist; die andere besteht darin, den Fleckdurchmesser zu verringern, und die Leistungsdichte ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Fleckdurchmessers. Daher ist der Effekt der Verringerung des Fleckdurchmessers offensichtlicher als die Erhöhung der Leistung. Um den Punktdurchmesser zu reduzieren, können Sie eine Linse mit kurzer Brennweite verwenden und die Ordnung des Transversalmodus des Laserstrahls reduzieren, und ein kleinerer Punkt kann erhalten werden, nachdem der preisgünstige Modus fokussiert ist.

Defokussierung F

Das Ausmaß der Defokussierung beeinflusst nicht nur die Größe des Laserflecks auf der Oberfläche der Schweißkonstruktion, sondern beeinflusst auch die Einfallsrichtung des Strahls, was einen größeren Einfluss auf die Schweißdurchdringung, die Schweißnahtbreite und die Schweißnahtquerschnittsform hat. Wenn der Defokussierungsbetrag F groß ist, ist die Eindringtiefe sehr klein, was zum Wärmeübertragungsschweißen gehört; wenn der Defokussierungsbetrag F auf einen bestimmten Wert reduziert wird, nimmt die Eindringtiefe sprunghaft zu, was das Auftreten von Pinholes markiert.

Gemäß der Theorie der geometrischen Optik ist bei gleichem Abstand zwischen der positiven und negativen Defokussierungsebene und der Schweißebene die Leistungsdichte auf den entsprechenden Ebenen ungefähr gleich, aber tatsächlich ist die Form des erhaltenen Schmelzbades unterschiedlich. Bei negativer Defokussierung kann eine größere Eindringtiefe erzielt werden, die mit dem Bildungsprozess des Schmelzbades zusammenhängt. Denn bei negativer Defokussierung ist die innere Leistungsdichte des Materials höher als die der Oberfläche, wodurch sich leicht ein stärkeres Schmelzen und Verdampfen ausbilden kann, so dass der Strahl in den tieferen Teil des Materials übertragen werden kann. In der Praxis kann beim Schweißen dickerer Bleche bei größerer Eindringtiefe die entsprechende negative Defokussierung verwendet werden, um die maximale Eindringtiefe zu erzielen; Beim Schweißen dünner Materialien sollte der positive Defokus verwendet werden.

Abbildung 3.16 zeigt den Einfluss des Defokussierungsbetrags auf die Einschweißtiefe, die Einschweißbreite und die Schweißnahtquerschnittsfläche. Es ist ersichtlich, dass sich die Eindringtiefe abrupt ändert, nachdem der Defokussierungsbetrag auf einen bestimmten Wert reduziert wurde, das heißt, das Eindringloch wird hergestellt. Notwendige Bedingungen. Beim Laser-Tiefschweißen liegt die Brennpunktposition, wenn die Eindringtiefe am größten ist, unter der Oberfläche der Schweißkonstruktion, und die Schweißnahtbildung ist zu diesem Zeitpunkt am besten.

Schutzgas

Die Verwendung von Schutzgas beim Laserschweißen hat zwei Funktionen: Eine besteht darin, das Schweißgut vor schädlichen Gasen zu schützen, eine Sauerstoffkontamination zu verhindern und die Leistung der Verbindung zu verbessern; die andere besteht darin, das Plasma während des Schweißprozesses zu beeinflussen und die Bildung von Plasmawolken zu verhindern. Beim Tiefschweißen bewirkt der Hochleistungslaserstrahl das Erhitzen und Verdampfen des Metalls und bildet eine Metalldampfwolke über dem Schmelzbad, die sich unter der Einwirkung des elektromagnetischen Feldes zu einem Plasma auflöst, das als Barriere für die Laserstrahl und beeinflusst den zu schweißenden Laserstrahl. absorbieren.

Um Plasma zu eliminieren, werden in der Regel Hochgeschwindigkeitsdüsen verwendet, um Inertgas in den Schweißbereich zu sprühen, um eine Ablenkung des Plasmas zu erzwingen und gleichzeitig die Metallschmelze vor der Atmosphäre zu schützen. Schutzgas ist meist Ar oder He. Er hat eine ausgezeichnete Schutz- und Plasmaunterdrückungswirkung und hat eine große Eindringung beim Schweißen. Wenn eine kleine Menge Ar oder O₂ wird He hinzugefügt, kann die Penetration weiter erhöht werden. Abbildung 3.17 zeigt den Einfluss von Schutzgas auf den Einbrand beim Laserschweißen

Auch der Gasdurchfluss hat einen gewissen Einfluss auf die Eindringtiefe. Die Eindringtiefe nimmt mit steigender Gasdurchflussmenge zu. Ein zu hoher Gasdurchsatz führt jedoch dazu, dass die Oberfläche des Schmelzbades absinkt und in schweren Fällen sogar durchbrennt. Die bei unterschiedlichen Gasdurchsätzen erhaltene Einschweißtiefe ist in Bild 3.18 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Einschweißtiefe nicht länger zunimmt, nachdem die Gasflussrate mehr als 17,5 l/min beträgt. Der Abstand zwischen Blasdüse und Schweißteil ist unterschiedlich und auch die Eindringtiefe ist unterschiedlich. Bild 3.19 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Stutzenabstand zur Schweißnaht und der Einschweißung.

Hinweis: Der Prozentsatz in der Abbildung ist der auf den Abstand zwischen der normalen Düsenposition und dem Werkstück angepasste Prozentsatz.

Die Beziehung zwischen Laserschweißprozessparametern (wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit usw.) und Eindringtiefe, Schweißnahtbreite und Schweißmaterialeigenschaften hat eine große Menge an empirischen Daten und hat eine Regressionsgleichung für die Beziehung zwischen ihnen aufgestellt:

P/vh=q+b/r (3,5)

In der Formel ist P die Laserleistung, KW; v ist die Schweißgeschwindigkeit, mm/s: h ist die Schweißeindringung, mm; a und b Parameter sind; r ist der Regressionskoeffizient

Die Werte der Parameter a, b und des Regressionskoeffizienten r in Formel (3.5) sind in Tabelle 3.7 angegeben.

Material	Lasertyp	a/k]*mm-2	b/k]*mm-1	Regressionskoeffizient r
Edelstahl SUS304 (OCr18Ni9)	CO2	0.0194	0.356	0.82
Baustahl	CO2 YAG	0.016 0.009	0.219 0.309	0.81 0.92
Aluminiumlegierung	CO2 YAG	0.0219 0.0065	0.381 0.526	0.73 0.99

Die Prozessparameter des kontinuierlichen CO₂ Laserschweißen sind in Tabelle 3.8 dargestellt.

Material	Dicke/mm	Schweißgeschwindigkeit /cm*s-1	Nahtbreite /mm	Seitenverhältnis	Leistung /kw
Edelstahl 321 (1Cr18Ni9Ti）	0.13	3.81	0.45	Volle Penetration	5
	0.25	1.48	0.71	Volle Penetration	5
	0.42	0.47	0.76	Teildurchdringung	5
17-7 Edelstahl（0Cr17Ni7Al）	0.13	4.65	0.45	Volle Penetration	5
Edelstahl 302（1Cr18Ni9）	0.13	2.12	0.5	Volle Penetration	5
	0.20	1.27	0.50	Volle Penetration	5
	0.25	0.42	1.00	Volle Penetration	5
	6.35	2.14	0.70	7	3.5
	8.9	1.27	1.00	3	8
	12.7	0.42	1.00	5	20
	20.3	21.1	1.00	5	20
	6.35	8.47	–	6.5	16
Inconel 600	0.10	6.35	0.25	Volle Penetration	5
	0.25	1.69	0.45	Volle Penetration	5
Nickellegierung 20	0.13	1.48	0.45		5
Monel 400	0.25	0.60	0.60		5
Industrielles Reintitan	0.13	5.90	0.38		5
	0.25	2.12	0.55		5
Baustahl	1.19	0.32	–	0.63	0.65