Das Schweißen mit Laserstrahlen hebt sich wie das Elektronenstrahlschweißen von anderen Verfahren durch hohe Produktivität und geringe Wärmebelastung ab. In feinwerktechnischen Anwendungen der Elektro-, Medizingeräte- und Automobilzulieferindustrie ist die Lasertechnik daher bereits weit verbreitet. Dennoch ist in vielen Anwendungen die thermische Schädigung, z.B. der Verzug immer noch so stark, dass entweder teure Nachbearbeitung erforderlich ist oder alternative aufwendigere Fertigungsverfahren gewählt werden müssen. Der Trend zur Miniaturisierung verschärft die Anforderungen an die Fertigungsqualität, gleichzeitig nimmt im globalisierten Wettbewerb der Kostendruck auf die Fertigung und damit auf die Produktivität zu. Es besteht dringender Bedarf, Laserschweißverfahren für Nahtverbindungen im feinwerk- und mikrotechnischen Bereich zu entwickeln, welche den beiden o.g. Anforderungen genügen. Aufgrund der hohen Leistungsdichte und Strahlqualität (geringes Strahlparameterprodukt der Single-Mode-Faserlaserstrahlung konnte ein deutlicher Einfluss der verwendeten Optiken auf das Ergebnis der Materialraylbearbeitung nachgewiesen werden. Damit ist jetzt die Optik der limitierende Faktor für die Gesamtleistungsfähigkeit der Laseranlage, insbesondere bezüglich der Strahlqualität. Ab einer Fokusverschiebung von ungefähr einer Rayleighlänge wird die Einschweißtiefe am Werkstück nachweislich verringert. Neben den Optiken war das Schweißprozessverhalten bei den geringen Fokusdurchmessern, insbesondere der Einfluss der Vorschubgeschwindigkeiten auf das Ausbilden der Naht von Interesse. So tritt beim Laserstrahlschweißen schon bei sehr niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten der kapillarbedingte Humpingeffekt auf und limitiert den Einsatzbereich des 1kW Single-Mode-Faserlasers auf einen schmalen Prozessbereich. Das kapillargetriebene Humping beginnt bereits bei geringen Vorschubgeschwindigkeiten und geht übergangslos in das geschwindigkeitsgetriebene Humping über. Die Grenzen der Bearbeitungsdynamik der Galvanometerscanneroptik und die Möglichkeit der künstlichen Nahtverbreiterung wurden anhand verschiedener Strahlbewegungsstrategien untersucht. Keine der Strahlbewegungsstrategien war in der Lage eine signifikante Nahtverbreiterung bei Vorschubgeschwindigkeiten größer 30mm/s zu erreichen. Die erwarteten oder erhaltenen Gesamtaus!enkungen blieben in der Regel unter 50 mym. Erst Oszillationsfrequenzen größer 1,5 kHz können Einfluss nehmen, allerdings sind keine Geräte in dieser Leistungsklasse mit Frequenzen im KHz-Bereich am Markt erhältlich. Die aussichtsreichste Methode der Humpingunterdrückung ist die Bearbeitung mit einem linienförmigen Fokus, dessen Intensitätsprofil stabilisierend auf das Schmelzbad wirkt. Damit konnten die Vorschubgeschwindigkeiten bei Leistungen von 1 kW und X5CrNi18 10 von ursprünglich ca. 75 mm/s auf ca. 6000 mm/s ohne Humping gesteigert werden. Die Nahtbreiten sind hierbei größer und das Aspektverhältnis kleiner als bei Schweißungen mit einem rundem Fokusdurchmesser. Der Nachtei! ist, dass mit dem linienförmigen Fokusdurchmesser nur noch eine richtungsabhängige Materialbearbeitung möglich ist. Daraus ergibt sich die Empfehlung zur Erzielung hoher Vorschubgeschwindigkeiten ohne dynamische Effekte (Humping), fokusverändernde Optiken wie z.B. Doppe!fokusoptiken oder Fokusmatrixoptiken einzusetzen. Bedingt durch das hohe Aspektverhältnis mit nahezu parallelen Nahtflanken und bei Auswahl eines Grundwerkstoffes mit feinverteilten globularen Sulfiden lassen sich ausgewählte Automatenstähle prozesssicher rissfrei direkt verschweißen. Auch das Verbinden von Titan und Stahl über Vanadium als Zwischenmaterial zeigt günstigere Bedingungen durch die Nahtgeometrie. Ein kritischer Prozess beim Schweißen mit der Scanneroptik ist die Metalldampfbildung über dem Werkstück, da der Arbeitsabstand meist sehr groß ist und der Metalldampf sich somit im Arbeitsraum ausbreiten kann. Vor allem bei langsamen Vorschubgeschwindigkeiten schwächt und verbreitert der Metalldampf den Laserstrahl durch Streuung. Dies führt im Werkstück zu starken Schwankurgen und Reduzierung der Einschweißtiefe um bis zu 10%. Um maximale Einschweißtiefen zu erhalten, ist eine effektive Entfemung der Partikel unabdingbar.


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    Titel :

    Grundlagen für Applikationen im Medizin- und Automobilbereich. Teilvorhaben. Abschlussbericht zum FuE-Vorhaben. Verbundprojekt: SCHARP - Schädigungsarmes und produktives Mikroschweißen mit brillanten Strahlquellen


    Beteiligte:


    Erscheinungsdatum :

    2009


    Format / Umfang :

    75 Seiten, 80 Bilder, 3 Tabellen, 4 Quellen


    Medientyp :

    Report


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch