Beim Tiefschweißen von Laserschweißmaschinen werden in der Regel faseroptische kontinuierliche Laserstrahlen verwendet, um die Verbindung der Materialien abzuschließen. Der metallurgische physikalische Prozess ist dem Elektronenstrahlschweißen sehr ähnlich, was bedeutet, dass der Energieumwandlungsmechanismus durch eine „Schlüsselloch“-Struktur abgeschlossen wird.
Bei Bestrahlung mit einem Laser mit ausreichend hoher Leistungsdichte verdampft das Material und bildet kleine Löcher. Dieses mit Dampf gefüllte Loch ähnelt einem schwarzen Körper und absorbiert fast die gesamte Energie des einfallenden Strahls. Die Gleichgewichtstemperatur im Hohlraum erreicht etwa 2500 Grad C. Wärme wird von der Außenwand der Hochtemperaturkammer übertragen, um das Metall um die Kammer herum zu schmelzen. Das kleine Loch ist mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter Einstrahlung eines Strahlenbündels erzeugt wird. Die vier Wände des kleinen Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben, während das flüssige Metall von festen Materialien umgeben ist. Bei den meisten konventionellen Schweißverfahren und dem Laserleitungsschweißen wird Energie zunächst auf der Oberfläche des Werkstücks deponiert und dann auf die Oberfläche übertragen. Der Flüssigkeitsstrom außerhalb der Lochwand und die Oberflächenspannung der Wandschicht halten ein dynamisches Gleichgewicht mit dem kontinuierlich im Hohlraum erzeugten Dampfdruck aufrecht. Der Strahl dringt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material außerhalb des Lochs fließt kontinuierlich. Während sich der Lichtstrahl bewegt, bleibt das kleine Loch in einem stabilen Fließzustand. Mit anderen Worten: Das kleine Loch und die die Lochwand umgebende Metallschmelze bewegen sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Führungsstrahls vorwärts, und die Metallschmelze füllt den durch das kleine Loch hinterlassenen Spalt und kondensiert unter Bildung einer Schweißnaht. Alle oben genannten Vorgänge laufen sehr schnell ab, sodass die Schweißgeschwindigkeit durchaus einige Meter pro Minute erreichen kann.
Hauptprozessparameter des Laser-Tiefschweißens
1. Strahlfokus.
Die Größe des Strahlflecks ist eine der wichtigsten Variablen beim Laserschweißen, da sie die Leistungsdichte bestimmt. Allerdings bleibt die Messung von Hochleistungslasern trotz vieler indirekter Messtechniken eine Herausforderung.
Die maximale Punktgröße für die Strahlfokussierung und -beugung kann auf der Grundlage der Theorie der Lichtbeugung berechnet werden. Aufgrund der Aberration der Fokussierungslinse ist die tatsächliche Punktgröße jedoch größer als der berechnete Wert. Die einfachste praktische Messmethode ist die isotherme Konturmethode, bei der dickes Papier zum Brennen und Durchdringen der Polypropylenplatte verwendet wird, um den Brennpunkt und den Perforationsdurchmesser zu messen. Diese Methode sollte durch Messungen geübt werden, um die Laserleistung und die Strahlwirkungszeit zu erfassen.
2.Laserleistung.
Beim Laserschweißen gibt es einen Grenzwert für die Laserenergiedichte. Unterhalb dieses Wertes ist die Eindringtiefe sehr gering. Sobald dieser Wert erreicht oder überschritten wird, erhöht sich die Eindringtiefe stark. Erst wenn die Laserleistungsdichte am Werkstück den Schwellenwert überschreitet, wird Plasma erzeugt, was den Fortschritt eines stabilen Tiefschweißens markiert. Liegt die Laserleistung unterhalb dieser Schwelle, kommt es lediglich zu einem oberflächlichen Aufschmelzen des Werkstücks, d. h. es wird mit einem stabilen Wärmeleitfähigkeitstyp geschweißt. Wenn sich die Laserleistungsdichte dem kritischen Zustand für die Bildung kleiner Löcher nähert, werden Tiefschweißen und Konduktionsschweißen abwechselnd zu instabilen Schweißprozessen, was zu erheblichen Schwankungen der Eindringtiefe führt. Beim Laser-Tiefschweißen steuert die Laserleistung sowohl die Eindringtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißeindringtiefe steht in direktem Zusammenhang mit der Strahlleistungsdichte und ist eine Funktion der einfallenden Strahlleistung und des Strahlfokus. Generell gilt, dass bei Laserstrahlen mit einem bestimmten Durchmesser die Eindringtiefe mit zunehmender Strahlleistung zunimmt.
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