Schweißen mit Laser

Unter den „stoffverbindenden“ Fertigungsverfahren hat das Schweißen die weitaus größte Bedeutung erlangt. In Anlehnung an die DIN 1910 bedeutet Schweißen eine “Vereinigung von Werkstoffen in der Schweißzone unter Verwendung von Wärme und/oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Die in der Schweißzone wirkende Arbeit wird von außen durch Energieträger zugeführt.“

Das Laserstrahlschweißen kann in das „Wärmeleitungsschweißen“ und das „Tiefschweißen“ unterteilt werden (Abb. 2.0.1a und 2.0.1 b) /Beyer/1.1 /.

Zur Beschreibung des Schweißprozesses müssen für das „Wärmeleitungsschweißen“ und das „Tiefschweißen“ unterschiedliche Terme in der Energie-, bzw. Leistungsbilanz berücksichtigt werden. Für das Wärmeleitungsschweißen gilt:

P_L = eingestrahlte Laserleistung

P_refl = reflektierte Laserleistung

P_abs = absorbierte Laserleistung

P_trans = transmittierte Laserleistung

P_Plasma = durch das Plasma abgeschirmte Laserleistung

P_Dampf= Verlustleistung durch abströmenden Metalldampf

Beim Wärmeleitungsschweißen ist die transmittierte Laserstrahlung P_trans = 0 solange kein Spalt zwischen den zu fügenden Bauteilen vorliegt. Ein laserinduziertes Plasma tritt erst dann auf, wenn die Verdampfungstemperatur auf der Werkstückoberfläche überschritten ist und sich ein Metalldampf bildet.

Beim Laserstrahlschweißen wird experimentell ein ausgeprägtes Schwellverhalten für den Einsatz des Tiefschweißeffektes beobachtet. Abbildung 4.0.1 zeigt die sprunghafte Zunahme der Einschweißtiefe bei einer kritischen Strahlungsintensität auf der Werkstückoberfläche /3.1.1/4.0.1/. Während der Tiefschweißprozeß auch im Vakuum ohne nennenswerte Plasmabildung auftreten kann, ist unter Atmosphärendruck das beschriebene Schwellverhalten beim Schweißen mit CO₂-Laserstrahlung (λ = 10,6 µm, ω_L=1.78 10⁻¹⁴ s⁻¹) immer mit der Ausbildung eines laserinduzierten Plasmas verbunden. Dieses Plasma kann einen beträchtlichen Teil der Laserstrahlung absorbieren. Beim Einsatz eines Nd-YAG-Lasers ist aufgrund der kürzeren Wellenlänge (λ = 1,06 µm, ω_L=1.7 10⁻¹⁵ s⁻¹) die Plasmaabsorption beim Schweißen von untergeordneter Bedeutung (siehe Gleichung 3.1.9).

Wie in Kapitel 2.1 beschrieben, beginnt die Bildung einer Kapillaren mit der Deformation (Vertiefung) der aufgeschmolzenen Oberfläche. Die vor der Vertiefung befindliche Schmelze beginnt um diese herumzuströmen. Ist die eingestrahlte Laserintensität höher als eine kritische Intensität, wird Verdampfungstemperatur auf der Werkstückoberfläche erreicht. Durch den Druck des abströmenden Metalldampfes wird die Oberfläche der Schmelzzone weiter deformiert. Durch diese Deformation und die Verdampfung von Material bildet sich eine Kapillare aus. Die Laserstrahlung trifft nicht mehr senkrecht auf die Metalloberfläche sondern auf eine gekrümmte, bzw. in Schweißrichtung geneigte Oberfläche. Hierdurch wird entsprechend Abbildung 3.2.1 die Absorption erhöht. Die Verdampfungsrate wird vergrößert. Gleichzeitig tritt Mehrfachreflexionen auf, welche die Energieeinkopplung weiter erhöht. In Abhängigkeit der Metalldampfdichte kann sich ein laserinduziertes Plasma ausbilden, welches die Absorption weiter erhöht (siehe Kap. 4.1). Während der durch die Verdampfung hervorgerufene „Bohrprozeß“ zu Beginn senkrecht zur Werkstückoberfläche erfolgt, findet dieser bei ausgebildeter Kapillare senkrecht zur Kapillarfront statt. Der Impulsübertrag der abströmenden Dampfatome (Verdampfungsdruck) unterstützt die Schmelzbewegung um die Kapillare. Der Dampfdruck in der Kapillare verhindert ein Schließen derselben.

Die Ermittlung der Breite, Länge und Neigung der Dampfkapillaren kann durch unterschiedliche Methoden erfolgen. Von Arata /6.0.1/ wurde eine Technik entwickelt, bei der während des Schweißvorganges mittels Röntgenaufnahmen die Schmelzzone und die Kapillare beobachtet werden können. Nachteile dieser Untersuchung sind:

Die Modifikation einer ebenfalls von Arata verwandten Technik zur Untersuchung der Schmelzbadbewegung während des Schweißens /6.0.1/ eröffnet weitere Möglichkeiten. Hierbei werden Wolfram — Partikel (T_s = 3400°C) der Schmelze zugeführt, um diese wiederum mit der Durchstrahlungstechnik im Schmelzbad zu beobachten. Damit ist es möglich, auch die Schmelzbewegung sichtbar zu machen.

Als Indikator für Änderungen der Kapillargeometrie können Plasma-, bzw. Dampfdichtefluktuationen herangezogen werden. Diese werden durch Druckänderungen hervorgerufen, welche wiederum eine Änderung der Kapillargeometrie zur Folge haben.

Die Absorptionsvorgänge in der Dampf- bzw. Plasmakapillaren können zur Zeit quantitativ nur näherungsweise beschrieben werden. Ursache hierfür sind nicht zuletzt die in Kapitel 7 erläuterten dynamischen Vorgänge beim Schweißen. In der Literatur werden die Absorptionsmechanismen wie Mehrfachreflexion und Plasmaabsorption separiert und für den stationären Fall behandelt. Dadurch ist ein tieferes Verständnis der Absorptionsvorgänge und der Auswirkungen auf die dynamischen Prozesse möglich. Eine selbstkonsistente Beschreibung der Kapillaren unter Berücksichtigung von Absorption und Wärmeleitung in das Werkstück existiert derzeit nur in Ansätzen. Eine selbstkonsistente Beschreibung der dynamischen Prozesse liegt noch nicht vor.

Eine Schweißnaht kann durch die Geometrie der aufgeschmolzenen und wieder erstarrten Zone sowie durch die mechanisch-technologischen Eigenschaften dieses Gebietes charakterisiert werden. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften werden im wesentlichen durch den Werkstoff und die Aufheiz-, bzw. Abkühlvorgänge bestimmt. Die Geometrie der Schweißnaht ergibt sich aus der Art der Energiezufuhr und der Schweißgeschwindigkeit. Dabei ist die Schweißnahttiefe und die Schweißnahtbreite von besonderer Bedeutung. Diese können durch Näherungsmodelle, die auf einer Lösung der Wärmeleitungsgleichung basieren, beschrieben werden. Selbstkonsistente Modelle, welche die in den vorangegangenen Kapiteln beschriebenen Vorgänge der Plasmaphänomene, der Mehrfachreflexion und der Schmelzbewegung berücksichtigen, sind aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge z. Z. nicht vorhanden. Die einzelnen Phänomene können jedoch separiert betrachtet und durch Näherungsmodelle beschrieben werden. Diese ermöglichen ein umfassendes Bild der Vorgänge beim Laserstrahlschweißen und eine halbwegs quantitative Beschreibung der Zusammenhänge.

Die Strömungsverhältnisse innerhalb des Schmelzbades können mit Hilfe von implementierten Kontrastwerkstoffen sichtbar gemacht werden. Arata /10.0.3/ hat zu diesem Zweck Wolfram-Partikel dem Schmelzgut zugeführt und deren Bewegung mit Hilfe von Röntgenaufnahmen verfolgt. Eine weniger aufwendige, jedoch nicht so aussagekräftige Methode ist die Analyse der Verteilung eines Kontrastwerkstoffes im Schmelzgut durch die Erstellung von Schliffbildern. Die Verteilung der erstarrten Spurmaterialien im Schmelzbad in Verbindung mit der relativen Position vor der Aufschmelzung lassen Rückschlüsse auf die Erstarrungsfront und Schmelzbadausdehnung, sowie auf die dominierenden Strömungsverhältnisse in der Schmelze zu /10.0.4/10.0.5/. Zu berücksichtigen ist allerdings, daß mit Aufschmelzen der Kontrastmittel ein Ausgleich des Konzentrationsgefälles der Legierungsbestandteile /10.0.6/ zu Oberflächenströmungen an der Schmelzfront führen kann (chemischer Marangoni-Effekt). Hieraus ist abzuleiten, daß Kontrastmittel sich unmittelbar an der fest/flüssigen Phasenfront aufmischen, bzw. verteilen. Die Erstarrungsprofile der Spurmaterialien beruhen daher auf der Überlagerung dieser Aufmischung mit den Strömungsvorgängen im Schmelzbad.