Laserstrahlschweissen Leseprobe

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100 % 60 Schweißtiefe t Reflexion R 40 20 0 4 mm 2 1 Werkstoff: Stahl Wellenlänge λ: 10,6 µm Laserleistung: 2 kW Schweißgeschwindigkeit: 10 mm/s Arbeitsgas: Helium Abbildung 1-2 0 10 10 W/cm 10 5 6 2 7 Laserintensität I Abhängigkeit von Reflexion und Schweißtiefe von der Intensität des Lasers am Beispiel von Stahl [1-8] • Aufgrund der Geometrie wird das tiefe Eindringen des Laserstrahls in das Werkstück ermöglicht, so daß eine gleichmäßige Energie-Dissipation in den Fügebereich im Inneren des Werkstückes gewährleistet ist. • Tiefe und Durchmesser der Kapillare bestimmen zusammen mit der Schweißgeschwindigkeit die Geometrie der Schweißnaht und können durch die Wahl der Strahlparameter auf die vorgegebene Schweißaufgabe abgestimmt werden. • Die Ausgasung der Schmelze wird durch die Dampfkapillare unterstützt. Somit kann durch eine entsprechende Anpassung die Porenbildung beeinflußt werden. • Die Wechselwirkungsprozesse in der Kapillare zwischen Laserstrahl, Plasma und Schmelze liefern Signale, die zu jedem Zeitpunkt eine Prozeßanalyse ermöglichen und zur Echtzeit- Qualitätskontrolle bzw. -steuerung und -regelung eingesetzt werden können. 3
1.1.1 Veränderliche Parameter beim Laserstrahlschweißprozeß Charakteristisch für das Laserstrahlschweißen ist die hohe Anzahl von veränderlichen Parametern, die einen direkten Einfluß auf den Schweißprozeß und somit auch auf das Schweißergebnis haben. Von primärer Bedeutung der hier zu nennenden Parameter sind die Laserleistung, die Schweißgeschwindigkeit sowie die Strahlabmessung und Leistungsdichteverteilung am Werkstück. Aus dem Verhältnis der Laserleistung am Werkstück zur Schweißgeschwindigkeit ergibt sich die Streckenenergie. Dadurch sind zwei signifikante Parameter in ihrer Wirkung auf das Schweißergebnis verknüpft. Die beim Laserstrahlschweißen eingesetzten Arbeitsgase dienen der Beeinflussung des Plasmas und damit der Energieeinkopplung. Ursache hierfür ist die Beeinflussung der Elektronendichte im Plasma durch Rekombination von Elektronen und Ionen. Durch den Einsatz von Zusatzwerkstoff können beim Laserstrahlschweißen das Schweißergebnis, die Gefügeausbildung in der Naht sowie der Schweißprozeß beeinflußt werden. 1.1.2 Charakterisierung von Laserstrahlung Die Charakterisierung des Laserstrahls ist Gegenstand von Untersuchungen im EUREKA-Projekt CHOCLAB. Nähere Erläuterungen enthalten u. a. die Normen DIN EN ISO 11145 [1-9] und DIN EN ISO 11146 [1-10]. Für die meßtechnische Ermittlung des Strahldurchmessers sind verschiedene Verfahren im Norm-Entwurf DIN EN ISO 15616-1 [1-11] beschrieben. Die räumliche Ausbreitung von Laserstrahlen in Strahlrichtung, auch Propagation genannt, wird durch die Größe und den Ort des kleinsten Strahldurchmessers und den Divergenzwinkel beschrieben. Um den „Rohstrahl“ eines Lasers zu kennzeichnen, wird der Strahlpropagationsfaktor „K“ definiert, der nach DIN EN ISO 11145 die Bestimmungsgrößen zu einem Kennwert zusammenfaßt. Dieser dimensionslose Wert berechnet sich nach der Gleichung (1). λ K = ⋅ π d 0 4 ⋅ Θ 0 (1) mit: λ = Wellenlänge (für CO 2 -Laser 10,6 µm, für Nd:YAG-Laser 1,06 µm) Θ 0 = Divergenzwinkel in rad d 0 = Durchmesser des Rohstrahls in mm Der Strahlpropagationsfaktor K nimmt einen Wert zwischen 0 und 1 an. Die typischen Werte des Strahlpropagationsfaktors für Laser oberhalb 10 kW betragen 0,1 bis 0,3. Als Leistungsdichte oder -intensität wird die auf die Fläche des Brennflecks bezogene Strahlleistung angegeben. Typische Werte für die Leistungsdichte beim Tiefschweißen liegen um 10 6 W/cm 2 . Das Verhältnis von Brennweite zu Rohstrahldurchmesser beschreibt die Fokussierkennzahl F. Das Ziel der Laserstrahl-Fokussierung besteht darin, einen Brennfleck mit möglichst geringem Durchmesser, dem Fokusdurchmesser d F , zu erzeugen. Typische Fokusdurchmesser betragen 0,1 bis 1 mm. In den sich ergebenden Strahlquerschnittsflächen wirkt die Laserleistung, so daß Leistungsdichten > 10 6 W/cm 2 entstehen, die den Tiefschweißeffekt bewirken. Die Fokuslage bezeichnet die Position des Fokus senkrecht zur Blechoberfläche. Es wird vereinbart, daß eine Verschiebung des 4
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Seite 4 und 5: Vorwort Das vorliegende Handbuch
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Seite 10 und 11: Fokus von der Werkstückoberfläche
Seite 12 und 13: Einschweißtiefe t [m m ] s Die Str
Seite 14 und 15: Die Position des Drahtes bezogen au
Seite 16: zone, so wird häufig bei der Durch

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