Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen

1. Definition und Eigenschaften des Laser-Wärmeleitfähigkeitsschweißens

Das Laser-Wärmeleitfähigkeitsschweißen ist eine Methode zur Laserschweißen. Dieser Schweißmodus hat eine geringe Eindringtiefe und ein kleines Verhältnis von Tiefe zu Breite. Wenn die Leistungsdichte weniger als 10^4~10^5 W/cm2 beträgt, wird er als Konduktionsschweißen klassifiziert, das sich durch seine geringe Schmelztiefe auszeichnet und langsamere Schweißgeschwindigkeit.

Beim Wärmeleitungsschweißen wirkt die Laserstrahlungsenergie auf die Oberfläche des Materials und die Laserstrahlungsenergie wird an der Oberfläche in Wärme umgewandelt. Die Oberflächenwärme diffundiert durch Wärmeleitung ins Innere, wodurch das Material schmilzt und ein Schmelzbad bildet im Verbindungsbereich zwischen den beiden Materialien. Das geschmolzene Pool bewegt sich zusammen mit dem Laserstrahl vorwärts, und das geschmolzene Metall im geschmolzenen Pool bewegt sich nicht vorwärts. Während sich der Laserstrahl vorwärts bewegt, verfestigt sich das geschmolzene Metall im geschmolzenen Pool und bildet sich eine Schweißnaht, die die beiden Materialstücke verbindet.

Die Energie der Laserstrahlung wirkt nur auf die Oberfläche des Materials, und das Schmelzen des darunter liegenden Materials erfolgt durch Wärmeleitung. Nachdem die Laserenergie von der dünnen Schicht von 10 bis 100 nm auf der Oberfläche absorbiert und geschmolzen wurde, steigt die Oberflächentemperatur weiter an zu erhöhen, wodurch sich die Isotherme der Schmelztemperatur tief in das Material ausbreitet. Die maximale Oberflächentemperatur kann nur die Verdampfungstemperatur erreichen. Daher ist die mit dieser Methode erreichbare Schmelztiefe durch die Verdampfungstemperatur und die Wärmeleitfähigkeit begrenzt. Es wird hauptsächlich zum Schweißen dünner (ca. 1 mm) und kleiner Teile verwendet.

Die Leistungsdichte des beim Schweißen verwendeten Strahls ist gering. Nachdem das Werkstück den Laser absorbiert hat, muss die Temperatur nur noch den Oberflächenschmelzpunkt erreichen, und dann wird die Wärme durch Wärmeleitung in das Innere des Werkstücks übertragen, um ein Schmelzbad zu bilden, was wirtschaftlich ist. Darüber hinaus ist die Schweißnaht glatt und porenfrei, kann zur Schweißbearbeitung optisch ansprechender Teile verwendet werden.

Typische Anwendungen sind das Schweißen von Edelstahlspülen, das Schweißen von Metallbälgen, das Schweißen von Metallrohrverbindungen usw.

2.Definition und Eigenschaften des Laser-Tiefschweißens

Wenn die Leistungsdichte größer als 10^5~10^7 W/cm2 ist, wird die Metalloberfläche aufgrund der Hitze zu „Löchern“ konkav, wodurch ein Tiefschweißen entsteht, das die Eigenschaften einer schnellen Schweißgeschwindigkeit und eines großen Seitenverhältnisses aufweist.

Der metallurgisch-physikalische Prozess des Laser-Tiefschweißens ist dem des Elektronenstrahlschweißens sehr ähnlich, d Bilden Sie kleine Löcher.Dieses kleine, mit Dampf gefüllte Loch ähnelt einem schwarzen Körper, der fast die gesamte Energie des einfallenden Lichts absorbiert, und die Gleichgewichtstemperatur im Loch erreicht etwa 25,000 Grad.Wärme wird von der Außenwand dieser hohen Temperatur übertragen Hohlraum, wodurch das den Hohlraum umgebende Metall schmilzt. Das kleine Loch ist mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter der Bestrahlung des Strahls entsteht. Die Wände des kleinen Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben, und das flüssige Metall ist von festen Materialien umgeben. Der Flüssigkeitsstrom außerhalb der Lochwand und die Oberflächenspannung der Wandschicht sind in Phase mit dem kontinuierlich erzeugten Dampfdruck im Lochhohlraum und ein dynamisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Der Lichtstrahl dringt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material außerhalb des kleinen Lochs fließt kontinuierlich. Während sich der Lichtstrahl bewegt, befindet sich das kleine Loch immer in einem stabilen Strömungszustand. Das heißt, das kleine Loch und das geschmolzene Metall, das die Lochwand umgibt, bewegen sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Pilotstrahls vorwärts. Das geschmolzene Metall füllt den Spalt, der nach dem Entfernen des kleinen Lochs entsteht, verdichtet sich entsprechend und es entsteht die Schweißnaht. Dies alles geschieht so schnell, dass Schweißgeschwindigkeiten leicht mehrere Meter pro Minute erreichen können.

Das Tiefschweißen von Materialien erfordert eine sehr hohe Laserleistung. Im Gegensatz zum Wärmeleitungsschweißen schmilzt das Tiefschweißen das Metall nicht nur, sondern verdampft es auch. Das geschmolzene Metall wird unter dem Druck des Metalldampfs ausgestoßen und bildet kleine Löcher. Der Laserstrahl beleuchtet weiterhin den unteren Teil des Lochs, wodurch sich das Loch ausdehnt, bis der Dampfdruck im Loch mit der Oberflächenspannung und der Schwerkraft des flüssigen Metalls im Gleichgewicht ist. Nach dem Tiefschweißen entsteht eine schmale und gleichmäßige Schweißnaht , und seine Tiefe ist im Allgemeinen größer als die Breite der Schweißnaht. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine kleine Wärmeeinflusszone aus, sodass die Materialverformung gering ist.

Typische Anwendungen sind das Schweißen dicker Stahlplatten (10–25 mm) und das Schweißen von Aluminiumgehäusen für Leistungsbatterien.

3.Eigenschaften des Laser-Tiefschweißens

Hohes Seitenverhältnis. Da sich geschmolzenes Metall um eine zylindrische Kammer aus Hochtemperaturdampf bildet und sich in Richtung des Werkstücks ausdehnt, wird die Schweißnaht tief und schmal.

Minimaler Wärmeeintrag. Da die Temperatur im Inneren des kleinen Lochs sehr hoch ist, erfolgt der Schmelzvorgang äußerst schnell, der Wärmeeintrag in das Werkstück ist sehr gering und die thermische Verformung und Wärmeeinflusszone sind gering.

Hohe Dichte. Denn die mit Hochtemperaturdampf gefüllten kleinen Löcher begünstigen die Umwälzung des Schweißbades und das Entweichen von Gas, was zu einer porenfreien Durchschweißung führt. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen kann die Schweißstruktur leicht verfeinert werden.

Starke Schweißnähte. Durch die heiße Wärmequelle und die vollständige Absorption nichtmetallischer Bestandteile wird der Verunreinigungsgehalt reduziert, die Einschlussgröße und deren Verteilung im Schmelzbad verändert. Der Schweißprozess erfordert keine Elektroden oder Zusatzdrähte und die Schmelzzone ist weniger verunreinigt, wodurch die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht mindestens der des Grundmetalls entspricht oder diese sogar übertrifft.

Präzise Kontrolle. Da der fokussierte Lichtfleck klein ist, kann die Schweißnaht mit hoher Präzision positioniert werden. Die Laserleistung hat keine „Trägheit“ und kann bei hohen Geschwindigkeiten gestoppt und wieder gestartet werden. Mit der CNC-Strahlbewegungstechnik können komplexe Werkstücke geschweißt werden.

Berührungsloses atmosphärisches Schweißverfahren.Da die Energie vom Photonenstrahl stammt und kein physischer Kontakt mit dem Werkstück besteht, wird keine äußere Kraft auf das Werkstück ausgeübt. Darüber hinaus haben Magnetismus und Luft keinen Einfluss auf das Laserlicht.

Vorteile des Laser-Tiefschweißens:

1）Da der fokussierte Laser eine viel höhere Leistungsdichte als herkömmliche Methoden aufweist, führt er zu einer hohen Schweißgeschwindigkeit, einer kleinen Wärmeeinflusszone und einer geringen Verformung und kann auch schwer schweißbare Materialien wie Titan schweißen.
2）Da der Strahl leicht zu übertragen und zu steuern ist, müssen Schweißpistolen und -düsen nicht häufig ausgetauscht werden, und für das Elektronenstrahlschweißen ist kein Vakuum erforderlich, was Ausfall- und Nebenzeiten erheblich reduziert und somit den Auslastungsfaktor und die Produktionseffizienz erhöht sind hoch.
3）Aufgrund des Reinigungseffekts und der hohen Abkühlrate weist die Schweißnaht eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Gesamtleistung auf.
4）Aufgrund des geringen durchschnittlichen Wärmeeintrags und der hohen Verarbeitungsgenauigkeit können die Wiederaufbereitungskosten gesenkt werden; Darüber hinaus sind die Betriebskosten beim Laserschweißen niedrig, was die Bearbeitungskosten des Werkstücks senken kann.
5）Es kann die Strahlintensität und Feinpositionierung effektiv steuern und es ist einfach, einen automatischen Betrieb zu realisieren.

Nachteile des Lasertiefschweißens:

1）Die Schweißtiefe ist begrenzt.

2）Die Werkstückmontage erfordert hohe Anforderungen.

3）Die einmalige Investition in das Lasersystem ist relativ hoch