Spezialthema der modernen Laserschweißtechnik – Zweistrahl-Laserschweißen Deutschland

Das Doppelstrahlschweißverfahren wurde vorgeschlagen, hauptsächlich zur Verbesserung der Anpassungsfähigkeit von Laserschweißen zur Montagegenauigkeit, zur Erhöhung der Stabilität des Schweißprozesses und zur Verbesserung der Schweißqualität, insbesondere zum Schweißen von dünnen Blechen und Aluminiumlegierungen.Beim Zweistrahl-Laserschweißen kann der gleiche Lasertyp in zwei separate Strahlen zum Schweißen mit optischen Verfahren aufgeteilt werden, oder es können zwei verschiedene Lasertypen zur Kombination verwendet werden. CO2-Laser, Nd:YAG-Laser und Hochleistungshalbleiterlaser können miteinander kombiniert werden.Durch Ändern der Energie der Strahlen, des Abstands zwischen den Strahlen und sogar des Energieverteilungsmusters der beiden Strahlen kann das Schweißtemperaturfeld bequem und flexibel eingestellt werden. Dadurch werden die Existenzart von Löchern und die Fließart von flüssigem Metall im Schweißbad geändert, wodurch eine größere Auswahl an Raum für den Schweißprozess bereitgestellt wird, die beim Einstrahl-Laserschweißen unübertroffen ist. Es bietet nicht nur die Vorteile der tiefen Verschmelzung, der hohen Geschwindigkeit und der hohen Präzision des Laserschweißens, aber es hat auch eine große Anpassungsfähigkeit an Materialien und Verbindungen, die mit herkömmlichem Laserschweißen schwer zu schweißen sind.

1.Zweistrahl-Laserschweißprinzip

Beim Doppelstrahlschweißen werden während des Schweißvorgangs zwei Laser gleichzeitig eingesetzt. Strahlanordnung, Strahlabstand, Winkel, Fokussierungsposition und Energieverhältnis der beiden Strahlen sind allesamt relevante Einstellparameter beim Doppelstrahl-Laserschweißen. Normalerweise gibt es während des Schweißvorgangs zwei Möglichkeiten, die Doppelstrahlen anzuordnen. Wie in der Abbildung gezeigt, besteht eine darin, sie in einer Reihe entlang der Schweißrichtung anzuordnen. Diese Anordnung kann die Abkühlrate des Schweißbads verringern und die Verhärtungsneigung der Schweißnaht sowie die Entstehung von Porosität verringern. Die andere besteht darin, die Strahlen nebeneinander auf beiden Seiten der Schweißnaht anzuordnen oder zu kreuzen, um die Anpassungsfähigkeit an den Spalt in der Schweißnaht zu erhöhen.

Für eine Zweistrahl-Laserschweißanlage mit serieller Anordnung, Abhängig vom Abstand zwischen den beiden Balken gibt es drei verschiedene Schweißmechanismen.

1) Beim ersten Typ eines Schweißmechanismus ist der Abstand zwischen den beiden Balken relativ groß. Ein Strahl hat eine höhere Energiedichte und wird auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert, um ein Schlüsselloch beim Schweißen zu erzeugen; während der andere Strahl eine geringere Energiedichte hat und nur als Wärmequelle für die Wärmebehandlung vor oder nach dem Schweißen dient.Dieser Schweißmechanismus ermöglicht die Steuerung der Abkühlrate des Schweißbades innerhalb eines bestimmten Bereichs, was das Schweißen von Materialien mit hoher Rissempfindlichkeit wie Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl begünstigt und auch die Zähigkeit der Schweißnaht verbessern kann.

2) Beim zweiten Typ von Schweißmechanismus ist der Abstand zwischen den Brennpunkten der beiden Strahlen relativ gering. Die beiden Strahlen erzeugen zwei separate Schlüssellöcher in einem einzigen Schweißbad, was zu einer Änderung des Strömungsmusters der Metallschmelze führt. Dies hilft, Defekte zu vermeiden wie Hinterschnitt und Schweißraupenüberstand, wodurch die Schweißnahtbildung verbessert wird.

3）Bei der dritten Art von Schweißmechanismus ist der Abstand zwischen den beiden Strahlen sehr gering, und zu diesem Zeitpunkt die beiden Strahlen erzeugen das gleiche Schlüsselloch im Schweißbad. Im Vergleich zum Einstrahl-Laserschweißen ist dieses Schlüsselloch größer und die Wahrscheinlichkeit, dass es sich schließt, ist geringerDadurch wird der Schweißprozess stabiler und das Gas lässt sich leichter ableiten. Dies trägt dazu bei, Porosität und Spritzer zu reduzieren und eine kontinuierliche, gleichmäßige und attraktive Schweißnaht zu erzielen.

Während des Schweißvorgangs können die beiden Laserstrahlen auch in einem bestimmten Winkel zueinander eingestellt werden, und ihr Schweißmechanismus ähnelt dem parallelen Doppelstrahlschweißmechanismus. Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass durch den Einsatz von zwei Hochleistungs-OO-Laserstrahlen in einem Winkel von 30° zueinander und einem Abstand von 1 bis 2 mm ein trichterförmiges Schlüsselloch erreicht werden kann. Das Schlüsselloch ist größer und stabiler, was die Schweißqualität effektiv verbessern kann. In tatsächlichen Anwendungen können unterschiedliche Kombinationen der beiden Strahlen je nach unterschiedlichen Schweißbedingungen angepasst werden, um unterschiedliche Schweißprozesse zu erzielen.

2.Implementierungsmethode des Zweistrahl-Laserschweißens

Doppelstrahlen können durch die Kombination zweier unterschiedlicher Laserstrahlen oder durch die Verwendung eines optischen Strahlteilersystems zum Aufteilen eines Laserstrahls in zwei zum Schweißen erzeugt werden. Um einen Strahl in zwei unterschiedliche Leistungen aufzuteilen, können parallele Laser, ein Strahlteilerspiegel oder spezielle optische Systeme verwendet werden. Das Bild zeigt zwei Arten von Strahlteilerprinzipien unter Verwendung einer Fokussierlinse als Strahlteiler.

Darüber hinaus kann ein Reflektor als Strahlteilerspiegel verwendet werden, wobei der letzte Reflektor im optischen Pfad als Strahlteiler dient. Dieser Reflektortyp wird auch als Gratreflektor bezeichnet. Seine reflektierende Oberfläche ist keine einzelne Ebene, sondern besteht aus zwei Ebenen. Die Schnittlinie der beiden reflektierenden Oberflächen befindet sich in der Mitte des Spiegels und ähnelt einem Grat, wie in der Abbildung gezeigt. Ein paralleler Lichtstrahl wird auf den Strahlteiler projiziert und von zwei Ebenen in unterschiedlichen Winkeln in zwei Strahlen reflektiert. Diese Strahlen beleuchten unterschiedliche Positionen auf der Fokussierungslinse, und nach der Fokussierung werden auf der Oberfläche des Werkstücks zwei Strahlen mit einem bestimmten Abstand erhalten. Durch Ändern des Winkels zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen und der Position des Grats können strahlteilende Lichtstrahlen mit unterschiedlichem Brennweitenabstand und unterschiedlichen Anordnungsmethoden erhalten werden.

Wenn zwei verschiedene Laserstrahltypen zur Bildung eines Doppelstrahls verwendet werden, gibt es verschiedene Kombinationsmethoden. Für primäre Schweißarbeiten kann ein hochwertiger CO2-Laser mit einer gaußschen Energieverteilung verwendet werden, unterstützt von einem Halbleiterlaser mit einer rechteckigen Energieverteilung für Wärmebehandlungsarbeiten. Diese Kombinationsmethode ist einerseits wirtschaftlich und andererseits kann die Leistung der beiden Strahlen unabhängig voneinander eingestellt werden. Für verschiedene Verbindungsformen kann durch Einstellen der Überlappungsposition von Laser und Halbleiterlaser ein einstellbares Temperaturfeld erhalten werden, das sich sehr gut für die Steuerung des Schweißprozesses eignet. Darüber hinaus können YAG-Laser und CO2-Laser zum Schweißen zu einem Doppelstrahl kombiniert werden, kontinuierlicher Laser und gepulster Laser können zum Schweißen kombiniert werden und fokussierter Strahl und defokussierter Strahl können zum Schweißen kombiniert werden.

3.Zweistrahl-Laserschweißprinzip

3.1 Zweistrahl-Laserschweißen von verzinktem Blech

Verzinktes Stahlblech ist das am häufigsten verwendete Material in der Automobilindustrie. Der Schmelzpunkt von Stahl liegt bei etwa 1500 °C, während der Siedepunkt von Zink nur 906 °C beträgt. Daher entsteht bei der Verwendung des Schweißverfahrens in der Regel eine große Menge Zinkdampf, was zu einer Instabilität des Schweißprozesses und zur Bildung von Luftlöchern in der Schweißnaht führt. Bei Überlappungsverbindungen tritt die Verflüchtigung der verzinkten Schicht nicht nur auf der Ober- und Unterseite auf unteren Flächen, sondern auch an der Gelenkschnittstelle. Während des Schweißvorgangs spritzt in einigen Bereichen schnell Zinkdampf aus der Oberfläche des Schmelzbads, während es in anderen Bereichen für Zinkdampf schwierig ist, von der Oberfläche des Schmelzbads zu entweichen, was zu einer sehr instabilen Schweißqualität führt.

Das Zweistrahl-Laserschweißen kann die durch Zinkdampf verursachten Probleme mit der Schweißqualität lösen. Eine Methode besteht darin, die Existenzzeit und Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Pools zu steuern, indem die Energie der beiden Strahlen angemessen angepasst wird, was sich positiv auf das Entweichen von Zinkdampf auswirkt. Eine andere Methode besteht darin, Zinkdampf durch Vorbohren oder Nutenbehandlung freizusetzen. Wie in der Abbildung unten gezeigt, werden CO2-Laser zum Schweißen verwendet, wobei YAG-Laser auf der Vorderseite des CO2-Lasers zum Bohren oder Schneiden von Nuten verwendet werden. Die vorgefertigten Löcher oder Schlitze bieten einen Entweichweg für den beim anschließenden Schweißen entstehenden Zinkdampf und verhindern so, dass dieser im Schmelzbad verbleibt und Fehler bildet.

3.2 Zweistrahl-Laserschweißen von Aluminiumlegierungen

Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Aluminiumlegierungsmaterialien treten beim Laserschweißen folgende Schwierigkeiten auf: Die Absorptionsrate des Lasers durch Aluminiumlegierungen ist gering, wobei die anfängliche Reflexionsrate an der Oberfläche des CO2-Laserstrahls über 90 % liegt; Beim Schweißen neigen Laserschweißnähte aus Aluminiumlegierungen zu Porosität und Rissen. Beim Schweißvorgang kommt es zum Verlust von Legierungselementen. Beim Einzellaserschweißen ist es schwierig, Schlüssellöcher herzustellen, und es ist nicht einfach, die Stabilität aufrechtzuerhalten. Beim Doppelstrahl-Laserschweißen kann die Größe des Schlüssellochs vergrößert werden, was das Schließen des Schlüssellochs erschwert und die Gaszufuhr erleichtert Auspuff. Gleichzeitig kann die Abkühlgeschwindigkeit reduziert werden, wodurch das Auftreten von Poren und Schweißrissen verringert wird. Da der Schweißprozess stabiler ist und die Spritzermenge reduziert wird, ist auch die Oberflächenformung der Schweißnaht beim Zweistrahlschweißen von Aluminiumlegierungen deutlich besser als beim Einstrahlschweißen. Die folgende Abbildung zeigt das Aussehen von Stoßverbindungen von 3 mm dicken Aluminiumlegierungen, die mit einem einzelnen CO2-Laserstrahl und zwei Laserstrahlen geschweißt wurden.

Untersuchungen zeigen, dass beim Schweißen einer 2 mm dicken Aluminiumlegierung der 5000er-Serie der Prozess relativ stabil ist, wenn der Abstand zwischen den beiden Strahlen 0.6 bis 1.0 mm beträgt. Die resultierende Schlüssellochöffnung ist größer, was das Verdampfen und Entweichen von Magnesiumelementen während des Schweißvorgangs erleichtert. Wenn der Abstand zwischen den beiden Strahlen zu gering ist, ähnelt der Prozess dem Einzelstrahlschweißen und ist nicht leicht stabil; wenn der Abstand zu groß ist, beeinträchtigt dies die Schweißeindringtiefe, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Darüber hinaus hat auch das Energieverhältnis der beiden Strahlen einen erheblichen Einfluss auf die Schweißqualität. Wenn zwei Strahlen zum Schweißen in einem Abstand von 0.9 mm hintereinander angeordnet sind, ist es vorteilhaft, die Energie des vorherigen Strahls entsprechend zu erhöhen, sodass das Energieverhältnis der beiden Strahlen größer als 1:1 ist. Dies trägt dazu bei, die Qualität der Schweißnaht zu verbessern, den Schmelzbereich zu vergrößern und auch bei höheren Schweißgeschwindigkeiten glatte und ästhetisch ansprechende Schweißnähte zu erzielen.

3.3 Doppelstrahlschweißen von Blechen unterschiedlicher Dicke

In der industriellen Produktion ist es oft notwendig, zwei oder mehr Bleche unterschiedlicher Dicke und Form zu einem Blechverbund zusammenzuschweißen. Insbesondere im Automobilbau wird der Einsatz von Blechverbunden immer häufiger.
Durch das Zusammenschweißen von Blechen mit unterschiedlichen Spezifikationen, Oberflächenbeschichtungen oder Leistungen kann die Festigkeit erhöht, der Verbrauch gesenkt und das Gewicht reduziert werden. Beim Verbindungsblechschweißen kommt üblicherweise das Laserschweißen unterschiedlich dicker Bleche zum Einsatz. Ein wesentliches Problem ist die Notwendigkeit, die zu verschweißenden Werkstücke mit hochpräzisen Kanten vorzufertigen und eine hochpräzise Montage sicherzustellen. Durch den Einsatz des Doppelstrahlschweißens für Bleche unterschiedlicher Dicke kann eine Anpassung an unterschiedliche Spalte, Andockteile, relative Dicken und Materialien erfolgen Unterschiede der Blätter. Es kann Bleche mit größeren Kanten- und Spalttoleranzen schweißen und so die Schweißgeschwindigkeit und Schweißqualität verbessern.

Die wichtigsten Prozessparameter des Doppelstrahlschweißens für Bleche unterschiedlicher Dicke können in Schweißparameter und Blechparameter unterteilt werden, wie in der Abbildung dargestellt. Zu den Schweißparametern gehören die Leistung der beiden Laser, die Schweißgeschwindigkeit, die Fokuspunktposition, der Schweißkopfwinkel, der Strahldrehwinkel der Doppelstrahlen an der Stoßverbindung und die Schweißabweichung. Zu den Plattenparametern gehören Materialabmessungen, Leistung, Kantenbeschnitt und Plattenspalt. Die Leistung der beiden Laser kann je nach Schweißzweck separat eingestellt werden.
Im Allgemeinen kann ein stabiler und effizienter Schweißprozess erreicht werden, wenn der Brennpunkt auf der Oberfläche des dünnen Blechs liegt. Der Schweißkopfwinkel wird normalerweise auf etwa 6 Grad gewählt. Wenn die Dicke der beiden Bleche recht groß ist, kann ein positiver Schweißkopfwinkel gewählt werden, d. h. der Laser wird wie in der Abbildung gezeigt in Richtung des dünnen Blechs geneigt. Wenn die Blechdicke relativ gering ist, kann ein negativer Schweißkopfwinkel verwendet werden. Der Schweißabstand wird als Abstand zwischen dem Laserbrennpunkt und der Kante des dicken Blechs definiert. Durch Anpassen des Schweißabstands kann die Schweißkonkavität verringert werden, um einen guten Schweißquerschnitt zu erzielen.

Beim Schweißen von Platten mit großen Lücken kann der effektive Strahlheizdurchmesser durch Drehen des Doppelstrahlwinkels erhöht werden, um eine gute Lückenfüllfähigkeit zu erreichen. Die Breite der Oberseite der Schweißnaht wird durch den effektiven Strahldurchmesser der beiden Laser bestimmt, d. h. durch den Strahldrehwinkel. Je größer der Drehwinkel, desto breiter der Doppelstrahlheizbereich und desto breiter die obere Breite der Schweißnaht. Die beiden Laser spielen während des Schweißvorgangs unterschiedliche Rollen; einer wird hauptsächlich zum Durchdringen der Verbindung verwendet, und der andere wird hauptsächlich zum Schmelzen von dickem Plattenmaterial verwendet, um die Lücke zu füllen. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, trifft bei einem positiven Strahldrehwinkel (der vordere Strahl wirkt auf die dicke Platte, der hintere Strahl auf die Naht) der vordere Strahl auf die dicke Platte, erhitzt und schmilzt das Material, und der folgende Laserstrahl erzeugt ein Eindringen. Der erste Laserstrahl an der Vorderseite kann die dicke Platte nur teilweise schmelzen, leistet jedoch einen erheblichen Beitrag zum Schweißprozess, da er nicht nur die Seite der dicken Platte schmilzt, um den Spalt besser zu füllen, sondern auch das Verbindungsmaterial vorverbindet, sodass der folgende Strahl leichter in die Verbindung eindringen kann, wodurch die Schweißgeschwindigkeit verbessert wird. Beim Doppelstrahlschweißen mit negativem Drehwinkel (der vordere Strahl wirkt auf die Schweißnaht, der hintere Strahl auf die dicke Platte) sind die Rollen der beiden Strahlen genau entgegengesetzt. Der vordere Strahl dringt in die Verbindung ein, und der hintere Strahl schmilzt die dicke Platte, um den Spalt zu füllen.

In diesem Fall muss der vordere Strahl die Kaltplatte durchdringen, die Schweißgeschwindigkeit ist geringer als bei einem positiven Strahldrehwinkel. Und aufgrund der Vorheizwirkung des vorderen Strahls schmilzt der nachfolgende Strahl bei gleicher Leistung mehr dickes Plattenmaterial. In diesem Fall sollte die Leistung des zweiten Laserstrahls entsprechend reduziert werden. Im Vergleich dazu kann die Verwendung eines positiven Strahldrehwinkels die Schweißgeschwindigkeit entsprechend erhöhen, während die Verwendung eines negativen Strahldrehwinkels eine bessere Spaltfüllung erreichen kann. Das folgende Bild zeigt die Auswirkungen unterschiedlicher Strahldrehwinkel auf den Querschnitt der Schweißnaht.

3.4 Zweistrahl-Laserschweißen von dicken Blechen

Mit der Verbesserung der Laserleistung und der Strahlqualität ist es zur Realität geworden, das Laserschweißen für dicke Bleche einzusetzen. Aufgrund der hohen Kosten von Hochleistungslasern und der allgemeinen Notwendigkeit einer Metallfüllung beim Schweißen dicker Bleche gibt es jedoch gewisse Einschränkungen in der tatsächlichen Produktion. Durch den Einsatz der Zweistrahl-Laserschweißtechnologie wird die Laserleistung nicht nur verbessert, sondern auch erhöht Der effektive Durchmesser der Strahlerwärmung verbessert die Fähigkeit, den Zusatzdraht zu schmelzen, und stabilisiert das Laser-Schlüsselloch, wodurch die Schweißstabilität und damit die Schweißqualität verbessert werden.