8 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen

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1 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen Was wirkt auf den Laserschweißprozess ein? 0 0/ Das Ergebnis beim Laserstrahlschweißen hängt von einer Vielzahl von Parametern ab. Einteilen lassen sich die Parameter wie in der folgenden Übersicht dargestellt. Abb. 17: Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen Neben der Laserstrahlquelle beeinflussen die Maschine, das Werkstück und der Werkstoff das Schweißergebnis. 8.1 Laserparameter 0 Lasersysteme stellen die Energie auf unterschiedliche Weise zur Verfügung. Neben einer kontinuierlichen Strahlung auf das Werkstück können gepulste Systeme ihre Energie über einen sehr kurzen Zeitraum hinweg bereitstellen. Gepulste Laser 0 Viel Leistung über 8 kurze Zeit 0 0/ Gepulste Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen Systeme geben ihre Leistung innerhalb weniger Millisekunden ab. Die abgegebenen Pulse können Spitzenleistungen von mehreren Kilowatt erreichen. Die mittlere Leistung beträgt

2 0/ 44 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 in der Regel einige Hundert Watt. Neben der Leistung der Systeme ist entscheidend, wie viel Pulsenergie in den Schweißprozess eingebracht wird. Insbesondere das Nahtbild wird hiervon maßgeblich bestimmt. Zu hohe Leistungen und Energien verursachen besonders bei dünnen Bauteilen schnell eine fehlerhafte Naht, da übermäßig viel Material verdampft und somit Fehlstellen in der Schweißnaht auftreten. Abhängig von der eingestellten Pulsspitzenleistung und der zur Verfügung stehenden mittleren Leistung ergibt sich eine Pulswiederholfrequenz, die die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit bestimmt. 0 Der gesamte Puls setzt sich zusammen aus dem Puls selbst und aus einer Pause bis zum nächsten Puls. Höhere mittlere Leistungen lassen selbst bei hohen Pulsspitzenleistungen eine hohe Pulswiederholfrequenz zu. In vielen Fällen wird der sogenannte Rechteckpuls verwendet. Er stellt über die gesamte Pulslänge die gleiche Pulsleistung zur Verfügung. Demgegenüber können modulierte Pulse die Leistung über die Länge des Pulses variieren und so Einfluss auf das Schmelzbad oder die Werkstoffoberfläche nehmen. Durch eine Leistungsüberhöhung zu Beginn des Pulses lässt sich eine vorhandene Oxidschicht oder Verunreinigung aufbrechen oder entfernen, um optimale Einkoppelbedingungen für den eigentlichen Schweißpuls zu gewährleisten. Eine abfallende Leistung gegen Ende des Schweißpulses ermöglicht ein langsames Abkühlen des Schmelzbads und somit eine kontrollierte Erstarrung mit einer geringen Spritzerbildung. Insbesondere Werkstoffe, die eine Oxidschicht mit einem deutlich höheren Schmelzpunkt als der Grundwerkstoff haben, lassen sich durch einen solchen Puls besser schweißen. Beispiele für den Rechteckpuls und einen angepassten Puls sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

3 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 45 Abb. 18: Rechteckpuls (links) und angepasster Puls (rechts) CW-Laser (Dauerstrichlaser) 0 Im Gegensatz zu gepulsten Lasern geben CW-Laser ihre Energie auch über einen längeren Zeitraum kontinuierlich ab. In gewissen Grenzen können auch diese Systeme Pulse abgeben. Dies erfolgt jedoch durch Ein- und Ausschalten der Strahlquelle. Die einstellbaren Parameter beschränken sich bei diesen Systemen deshalb vornehmlich auf die einzustellende Leistung. Sie bestimmt vornehmlich die Einschweißtiefe. Strahlqualität 0 Die Strahlqualität bildet die Grundlage für die Fokussierbarkeit des Laserstrahls. Sie berechnet sich aus: Strahlqualität (K) = 1 / Beugungsmaßzahl (M 2 ) Für einen idealen Strahl nimmt K den Wert 1 an. Reale Strahlen erreichen diesen Wert jedoch nicht, sondern nähern sich ihm immer nur an (K < 1). Die Beugungsmaßzahl ergibt sich aus dem Strahlparameterprodukt (SPP) und der Wellenlänge der Strahlquelle und nimmt immer einen Wert größer als 1 an. Singlemodelaser, die derzeit die höchste Strahlqualität aufweisen, erreichen Werte von 1,1.

4 0/ 46 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 Es wird entweder M 2 oder SPP von den Herstellern der Strahlquellen angegeben. In sie geht auch der Divergenzwinkel ein. Er beschreibt die Ausbreitung des Laserstrahls quer zur Richtung des Strahls. Somit lässt sich die Strahlqualität mit K = 1 / M 2 = λ / (π SPP) bestimmen, wobei λ die Wellenlänge der Strahlquelle darstellt. 0 Hohe Strahlqualitäten erlauben kleine Fokusdurchmesser mit hohen Intensitäten. Auf diese Weise lassen sich hohe Einschweißtiefen mit sehr schmalen Schweißnähten erreichen. Damit einher geht eine geringe thermische Belastung der gefügten Werkstücke. Die Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahls zeichnet verantwortlich für die Ausprägung des Schmelzbads. Ist die Intensität der Strahlung im Mittelpunkt des Fokus am höchsten und sind Nebenmaxima nicht vorhanden, ergeben sich schlanke Nähte. Eine schematische Darstellung verdeutlicht die Auswirkung von Nebenmaxima auf die Schmelzbadform. Abb. 19: Leistungsverteilung eines Gaußprofils (links) und Leistungsverteilung mit Nebenmaxima (rechts) Mit einer Gaußverteilung der Leistung im Laserstrahl, wie sie links auf der Abbildung zu sehen ist, bildet sich ein schlankes Schmelzbad mit einer breiteren Ausprägung an der Oberfläche des Werkstücks. Verteilt sich die Leistung des Strahls neben dem Zentrum auch auf Randbereiche des Strahls, so ergibt sich eine verringerte Einschweißtiefe mit einer deutlich breiteren Nahtgeometrie. Moderne Strahlquellen weisen im Fokus ein sogenanntes Top-Hat-Profil auf. Die Intensität des Strahls ist hier über die Querschnittsfläche des Strahls gleichmäßig verteilt und fällt am Rand steil ab. Dieses Profil erlaubt Nähte, die keine ausgeprägte Erweiterung der Nahtbreite an der Oberflä-

5 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 47 che der Schweißnaht aufweisen. Wird der Laserstrahl defokussiert, verliert er dieses Profil wieder und weist eine Gaußverteilung auf. Abb. 20: Leistungsverteilung mit Top-Hat-Profil Polarisation 0 Industrielle Laserstrahlquellen sind meist zirkular polarisiert. Das heißt, dass sich die Wellen der Laserstrahlung sowohl in X- als auch in Y-Richtung gleichermaßen ausbreiten. Insbesondere für Schneidanwendungen wird linear polarisierte Laserstrahlung verwendet. Auf diese Weise ist eine sehr schmale Trennzone erreichbar. Nachteil einer linearen Polarisation ist allerdings ihre richtungsabhängige Wirkung auf das Werkstück. Treten Kurven in der Schweißbahn auf, müsste der Strahl mit seiner Polarisation immer an der Schweißkante ausgerichtet werden. Ist der Strahl zirkular polarisiert, kann ohne Rücksicht auf die Ausrichtung des Laserstrahls sowohl in X- als auch in Y-Richtung geschweißt werden, ohne dass sich das Schweißergebnis verändert.

6 0/ 48 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 Wellenlänge 0 Industriell relevante Laser lassen sich in zwei große Gruppen einteilen. Eine Gruppe stellen die CO 2 -Laser dar. Eine weitere Gruppe bilden die Festkörperlaser. Diese unterscheiden sich in ihrer Wellenlänge. Aufgrund des laseraktiven Mediums emittieren die CO 2 -Laser mit einer Wellenlänge von 1600 nm. Die Festkörperlaser weisen eine deutlich geringere Wellenlänge auf. Sie beginnen als Faserlaser bei nm, gehen weiter über nm als klassischer Stablaser zu nm, die Scheibenlaser aufweisen. Darunter liegen Diodenlaser. Sie haben, bauartbedingt, eine höhere Bandbreite der Wellenlänge und liegen üblicherweise zwischen 900 und nm. Durch abgestimmte Dioden können jedoch auch geringere Wellenlängen eingestellt werden. 0 Generell kann gesagt werden, dass kürzere Wellenlängen auf Metallen eine höhere Absorption der Teil der Laserleistung, die vom Werkstück aufgenommen wird aufweisen als längere. So wird beim Schweißen mit Festkörperlasern weniger Leistung benötigt als beim Einsatz von CO 2 -Lasern. Die Ursache liegt in dem im Allgemeinen höheren Absorptionsvermögen von Metallen bei niedrigeren Wellenlängen. So weist Eisen eine Absorption von ca. 5 % für CO 2 -Laser auf. Für Festkörperlaser erhöht sich der Wert jedoch bereits auf ca. 30 %. Dieser Wert steigt bei der Verwendung von Diodenlasern sogar noch an. 8.2 Maschinenparameter 0 Neben der Laserstrahlquelle und deren Einfluss entscheiden die Maschinenparameter mit über das Schweißergebnis. Sie wirken direkt auf den Bereich der Fügezone. Strahlführung 0 In Abhängigkeit von der Wellenlänge werden Laser unterschiedlich von der Quelle bis zum Bearbeitungskopf geführt. CO 2 -Laser treten mit Glas, aus dem Lichtleitkabel bestehen, in Wechselwirkung und werden aus diesem Grund üblicherweise über ein wassergekühltes Spiegelsystem bis zum Werkstück geführt. Festkörperlaser und Diodenlaser können mithilfe der Lichtleitkabel flexibel von der Quelle bis zum Werkstück geführt werden. Dies qualifiziert sie in besonderem Maße für Anwendungen im dreidimensionalen Raum, bei denen Roboter eingesetzt werden, um den Bearbeitungskopf zu führen. Moderne Strahlquellen erlauben die Verwendung von Glasfasern

7 0/ Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 49 von 50 µm und kleiner. Aus ihnen resultieren sehr kleine Fokusdurchmesser mit entsprechend hohen Intensitäten und schlanken Schweißnähten. Besonders wärmeempfindliche Bauteile lassen sich mit diesen Systemen gut bearbeiten. Fokussierung 0 Die Fokussierung entscheidet maßgeblich über das Schweißergebnis. Als ein Parameter des Laserstrahlschweißens hängt von ihr ab, welche Eindringtiefe und welche Schmelzbadform erreicht werden. Zur Fokussierung des Laserstrahls werden Linsen oder Spiegel eingesetzt. Je nach Zusammenstellung bestimmen sie das Abbildungsverhältnis und somit die Intensität der Laserstrahlung im Brennfleck. 0 Für fasergeführte Lasersysteme ergibt sich das Abbildungsverhältnis aus den Formeln: Abbildungsverhältnis = Fokussierbrennweite / Kollimierbrennweite und Fokusdurchmesser = Faserdurchmesser Abbildungsverhältnis Für den Fall, dass das Verhältnis zwischen den Brennweiten der Kollimierlinse und der Fokussierlinse 1 zu 1 beträgt, entspricht der minimale Fokusdurchmesser dem Durchmesser der am Schweißkopf angeschlossenen Lichtleitfaser.

8 50 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 Abb. 21: Fokusgröße bei einer 1:1-Abbildung des Durchmessers der Lichtleitfaser Wird nun ein Fokusdurchmesser mit höherer Intensität benötigt, kann die Brennweite der Fokussierlinse reduziert werden. Eine Brennweite der Fokussierlinse, die kleiner ist als die der Kollimierlinse, verkleinert den Durchmesser des Fokus auf dem Werkstück entsprechend dem Verhältnis der Brennweiten der Linsen.

9 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 51 Abb. 22: Fokusgröße bei einer 2:1,5-Abbildung des Durchmessers der Lichtleitfaser Rayleigh-Länge und Schärfentiefe 0 0/ Entscheidend von der Fokussierbrennweite beeinflusst wird die Rayleigh-Länge. Sie gibt an, in welcher Entfernung zum Fokus der Brennfleck seine Querschnittsfläche verdoppelt hat. Diesen Abstand zu beiden Seiten des Fokuspunkts nennt man Schärfentiefe. Sie gibt den Bereich des Laserstrahls an, der für das Schweißen geeignet ist. Berechnen lässt sich die Rayleigh- Länge mit der Formel: Z = (f 2 λ) / (2 r 2 π K) Hierbei ist die Rayleigh-Länge durch Z dargestellt. f ist die Brennweite der Fokussierlinse und λ die Wellenlänge der Laserstrahlung. Deren Produkt muss durch das Produkt des Fokusdurchmessers r und der Strahlqualität K multipliziert mit 2 π dividiert werden. Es wird deutlich, dass die Brennweite der Fokussierlinse die Rayleigh-Länge bestimmt. Je kürzer die Brennweite ist, umso kleiner wird zwar der Fokuspunkt und die Intensität nimmt zu, aber gleichzeitig ist die Rayleigh-Länge sehr kurz und der Schweißprozess ist empfindlich gegenüber Veränderungen des Abstands zwischen Fokussierlinse und Werkstück.

10 52 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 Abb. 23: Lage der Schärfentiefe im Laserstrahl Prozessgas 0 Vergleichbar mit anderen Schweißprozessen zeigt das eingesetzte Schutzgas erheblichen Einfluss auf die erreichbare Einschweißtiefe und die Ausprägung der Schmelzbadform. Je nach Bauteilform bzw. der Schweißposition sollten Gase eingesetzt werden, die schwerer oder leichter als die umgebende Luft sind. So verdrängt Argon die Umgebungsluft, wenn in Wannenlage geschweißt wird. Soll jedoch z.b. ein Wurzelschutz hergestellt werden, kann vorteilhafterweise Helium benutzt werden. Diese Gase stellen auch die gebräuchlichsten Schutzgase für das Laserschweißen dar. Zusätzlich wird auch Stickstoff aus Kostengründen eingesetzt. In einigen Fällen, bei denen eine reduzierende oder oxidierende Wirkung des Schutzgases benötigt wird, werden von Gasherstellern auch Gemische mit Anteilen von Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid angeboten. Der Einsatz der Gase hängt stark von den zu bearbeitenden Materialien ab. Reines Helium kann für alle Werkstoffe eingesetzt werden, ebenso Argon. Beschichtete Bleche oder Tailored Blanks und CrNi-Stähle werden mit einem Gemisch aus Helium, Stickstoff und Sauerstoff verschweißt. Ähnliche Gemische, wobei Helium durch Argon ersetzt wird, können ebenfalls für diese Stähle eingesetzt werden. Vorteile von Helium 0 0/ Vorteile bietet Helium gegenüber Argon beim Schweißen mit hohen Laserleistungen. Besonders Argon neigt beim Laserstrahlschweißen zu einem verstärkten Bilden von laserinduziertem Plasma oberhalb des Werkstücks. Aufgrund des Aufbaus seiner Atomschalen zeigt Helium dieses Verhalten nicht. Deshalb bietet sich ein Schutzgas mit Anteilen von Helium beim Schweißen mit hohen Laser-

11 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 53 leistungen, bei denen eine große Plasmafackel zu erwarten ist, an. Durch die zehnmal längere Wellenlänge des CO 2 -Lasers gegenüber den Festkörperlasern koppelt dieser etwa 100-mal besser in das Plasma oberhalb des Schmelzbads beim Tiefschweißen ein. Dies begrenzt die erreichbare Einschweißtiefe, da die Laserstrahlung hierdurch nicht bis zum Werkstück gelangen und seine Energie an das Werkstück abgeben kann. Beispiele sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Links ist das entstehende Plasma bei der Verwendung von Argon dargestellt, während es rechts durch Helium ersetzt wurde. Die übrigen Schweißparameter wurden nicht verändert. Abb. 24: Einfluss des Prozessgases auf das gebildete Plasma Gut zu erkennen ist die erfolgte Durchschweißung, die mithilfe des Heliums erreicht wurde. Bei begrenzter Laserleistung kann somit durch den Wechsel des Schutzgases eine höhere Einschweißtiefe erreicht werden.

12 54 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 Vorschubgeschwindigkeit 0 Die konzentrierte Einbringung der Energie durch den Laserstrahl bietet den Vorteil einer hohen Vorschubgeschwindigkeit gegenüber anderen Schweißverfahren. Die eingestellte Vorschubgeschwindigkeit bestimmt neben der Nahtbreite auch die Einschweißtiefe. Ein Beispiel für die erreichbare Einschweißtiefe unter Verwendung von Argon als Schutzgas ist im folgenden Diagramm dargestellt. Abb. 25: Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit auf die Eindringtiefe Die Einschweißtiefe verhält sich nicht gänzlich linear zur eingestellten Vorschubgeschwindigkeit. Eine gewisse Einwirkzeit ist notwendig, um die Wärme des erzeugten Schmelzbads in die Tiefe des Werkstücks zu leiten. Einstrahlwinkel 0 Bedingt durch den Winkel zwischen der Strahlachse und der Werkstückoberfläche verändert der Brennfleck seine Form und wird bei einem runden Brennfleck oval. Auf diese Weise nimmt

13 0/ Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 55 die Brennfleckgröße zu und die Intensität auf dem Werkstück ab. Die höchste Intensität wird nur bei einer Einstrahlung unter 90 erreicht. Geringe Abweichungen werden häufig bei hochreflektiven Werkstoffen eingesetzt. Ein Einstrahlen unter ca. 80 verhindert wirkungsvoll, dass reflektierte Strahlung vom Prozess zurück in den Bearbeitungskopf gelangt und dort optische Bauteile beschädigt. Je nach eingestelltem Winkel bildet sich das Schmelzbad entlang der Achse des Laserstrahls im Werkstück aus. So kann ein Schmelzbad entstehen, das sich nicht senkrecht von der Werkstückoberfläche ausprägt. 0 Vorteilhaft wird dies beim Verschweißen von Bauteilen im T- Stoß genutzt, wobei das Schmelzbad beide Stoßkanten aufschmilzt, indem die Flanke des kegelförmigen Schmelzbads entlang der Stoßkanten ausgerichtet wird. Auf diese Weise können auch Stoßkanten miteinander verschmolzen werden, die z.b. Phasen mit beliebigen Winkeln aufweisen. Bearbeitungsgasdüse 0 Besonders beim Schweißen von hochlegierten oder oxidationsanfälligen Werkstoffen wird Inertgas zum Schutz des Schmelzbads und der Naht eingesetzt. Um das Schutzgas zum Prozess zu führen, werden verschiedenste Arten von Schutzgasdüsen verwendet. Wichtigste Funktion des Gases ist das Verdrängen von Sauerstoff. Hierzu ist in der Regel eine Mindestmenge des Schutzgases erforderlich. In aller Regel dürfen beim Schweißen die Schutzgasdüsen keinen zu geringen Durchmesser aufweisen. Neben der hohen Strömungsgeschwindigkeit, die für eine ausreichende Schutzgasversorgung notwendig ist, ist auch der durch das Schutzgas abgedeckte Bereich zu klein, um das Schmelzbad gegen die Umgebungsluft abzuschirmen. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten können das flüssige Schmelzbad austreiben und so eher ein Trennen als ein Fügen des Bauteils bewirken. Anordnung der Schutzgasdüse in stechender oder schleppender Position 0 0/ Die Anordnung der Schutzgasdüse ist meist in stechender oder schleppender Position. Die stechende Position sieht eine Schutzgasdüse vor, die in Bewegungsrichtung hinter dem Schweißprozess angeordnet ist und in Vorschubrichtung bläst. Diese Anordnung wird für Schweißaufgaben verwendet, wenn die Werkstücke verschmutzt sind und das Schutzgas zusätzlich eine Reinigungsfunktion übernehmen soll. Besonders bei Metallen, die nicht nur in flüssigem Zustand, sondern auch bei höheren Werkstücktemperaturen zum Oxidieren neigen, wird die Schutzgasdüse in einer schleppenden Position verwendet. Das Schutzgas strömt dabei über die noch heiße Nahtoberflä-

14 0/ 56 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 che und schützt diese über einen gewissen Zeitraum vor der Umgebungsluft. Besonders bei kleinen Schmelzbädern werden die Schutzgasdüsen derart angepasst, dass sie es quasi umschließen. Hierzu werden Röhrchen häufig schräg abgesägt, damit sie parallel zum Werkstück enden. Zusätzlich wird die Düse geschlitzt oder angebohrt, um durch die Düse auf das Werkstück zu treffen. 0 Die Entfernung des Düsenendes zum Schmelzbad darf nicht zu groß werden. Mit steigendem Abstand steigt die Gefahr, dass Umgebungsluft mit in das Schutzgas gesaugt wird und so eine ausreichende Abschirmung des Schmelzbads nicht mehr gewährleistet ist. Des Weiteren darf der Winkel zwischen Gasdüse und Werkstückoberfläche nicht zu klein gewählt werden. Andernfalls wird an der Werkstückoberfläche Umgebungsluft mit in den Schutzgasstrom gerissen und verhindert somit eine vollständige Abschirmung des Schweißprozesses gegen die Umgebungsluft. Sollte eine Durchschweißung erzielt werden und die Wurzel der Umgebungsluft ausgesetzt sein, muss auch diese mithilfe von Schutzgas geschützt werden. Da diese Seite häufig nicht mit einer mitgeführten Schutzgasdüse erreicht wird, kann eine Schutzgaskassette eingesetzt werden, die den gesamten Bereich der Schweißnahtwurzel kontinuierlich mit Schutzgas abdeckt. 8.3 Werkstückparameter 0 Durch das Werkstück werden die Randbedingungen für das Schweißen gesetzt. Wie bei anderen Schweißverfahren auch stellt die Wechselwirkung zwischen der Energiequelle, in diesem Fall dem Laser, und dem Werkstück ein entscheidendes Kriterium für das Schweißergebnis dar. Nahtanordnung 0 Prinzipiell sind beim Laserstrahlschweißen alle Stoßarten möglich. Die geringe Schmelzbadgröße bedingt optimalerweise einen Kontakt der beiden Fügepartner über die gesamte Anbindungbreite. Vorteil des Laserstrahlschweißens ist seine hohe Eindringtiefe, wodurch auch Stoßanordnungen möglich sind, die nur eine einseitige Zugänglichkeit zur Fügezone bieten. Beispielhaft ist hier der T-Stoß als I-Naht zu nennen. Durch das Deckblech hindurch wird in den Steg eingeschweißt. Auf diese Weise können auch Profile geschlossen werden, bei denen zwei

15 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 57 Deckbleche auf einen Steg geschweißt werden und eine Kehlnaht nur beim Verschweißen des Stegs mit dem ersten Deckblech möglich ist. Ungünstig ist jedoch eine Anordnung als Kehlnaht im Eckstoß. Hierbei bietet das Werkstück zu wenig Material, um eine ausreichende Verbindung zwischen den Fügepartnern zu gewährleisten. In diesem Fall müsste mit Zusatzwerkstoff gearbeitet werden, um einen genügenden Anbindungsquerschnitt zwischen den beiden Werkstücken herzustellen. Abb. 26: Nahtanordungen beim Laserstrahlschweißen Werkstückdicke 0 Entsprechend der Werkstückdicke müssen die Vorschubgeschwindigkeit und die Laserleistung eingestellt werden. Ebenso stellen auch die Fokuslage und die Brennweite Parameter dar, die an die Werkstückdicke angepasst werden müssen.

16 0/ 58 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 Werkstücke mit hohen Wandstärken, bei denen eventuell nicht durchgeschweißt werden muss, leiten die eingebrachte Wärme des Lasers sowohl zur Seite als auch in die Tiefe des Bauteils ab. Bleche, die durchgeschweißt werden, leiten die Wärme nur zur Seite hin ab, jedoch strahlt ein Teil der Laserleistung durch das Werkstück, ohne zum Schweißprozess beizutragen. In diesem Fall ist eine Vorrichtung zum Auffangen des Strahls auf der Werkstückrückseite vorzusehen, damit der Laserstrahl nicht frei im Raum expandieren kann oder unbeabsichtigt Teile der Schweißanlage übermäßig erhitzt. Dicke Bauteile bedingen eine hohe Laserleistung, eine hohe Leistungsintensität oder eine geringe Vorgeschwindigkeit. Zusammengefasst stellen diese Parameter die Streckenenergie dar, die bei geringen Einschweißtiefen und schlanken Nähten kleiner ist als hohe Einschweißtiefen oder breite Schmelzbäder. 0 Die Fokuslage wird bei dünnen Blechen in der Regel auf die Werkstückoberfläche gelegt, um mit hoher Intensität einen Tiefschweißprozess zu starten. Bei sehr dünnen Blechen wird ein Wärmeleitungsschweißen durch einen Fokuspunkt oberhalb des Werkstücks bewirkt. Sind die Wandstärken der Fügepartner allerdings hoch und eine hohe Einschweißtiefe ist erforderlich, wird der Fokuspunkt eher in das Werkstück gelegt, um auch in der Tiefe des Bauteils eine hohe Intensität und somit eine hohe Einschweißtiefe zu erhalten. Position 0 Analog zu anderen Schweißverfahren bestimmt auch die Lage der Fügekanten die Schweißparameter. In Abhängigkeit vom Material müssen die Leistung und die Vorschubrichtung angepasst werden. Besonders bei Materialien wie Aluminium muss berücksichtigt werden, dass die Schmelze sehr dünnflüssig ist. In Wannenlage stellt dies bei kleinen Schmelzbädern kein Problem dar. Wird jedoch horizontal oder auch steigend oder fallend geschweißt, folgt die flüssige Schmelze der Gravitation und tropft im Extremfall aus. Kleine Schmelzbäder eignen sich für diese Anwendungen besser. Besonders gepulste Lasersysteme spielen dabei ihren Vorteil aus. Die einzelnen Schweißpunkte sind nicht so anfällig in Zwangspositionen wie Nähte, die mit CW-Lasern hergestellt werden. Oberflächenbeschaffenheit 0 Der Laser als optisches Werkzeug tritt mit dem Werkstück über seine Oberfläche in Interaktion. Aus diesem Grund sind

17 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 59 die Oberflächeneigenschaften entscheidend für die erreichbaren Schweißergebnisse. Je nach Rauigkeitswert des Bauteils kann der Laser mit einer vergrößerten Oberfläche in Wechselwirkung treten. Er fängt sich sozusagen in den Unebenheiten des Werkstücks und kann seine Energie mehrfach an das Werkstück abgeben. Bei jedem Auftreffen des Lasers wird er zu einem gewissen Anteil reflektiert. Die zurückgeworfene Strahlung trifft wieder auf das Werkstück und kann erneut einen Teil ihrer Energie an das Werkstück abgeben. Nahtvorbereitung 0 Der Vorteil des Laserstrahls, seine konzentrierte Einbringung von Energie, stellt gleichzeitig hohe Anforderungen an die Vorbereitung der Fügezone. Strahldurchmesser von wenigen Zehntel Millimetern bedürfen sehr geringer Toleranzen der Werkstücke, um mit ihnen in Wechselwirkung zu treten. So können mit Lichtbogenverfahren größere Spalte zwischen den Fügepartnern überbrückt werden. Der Laserstrahl kann durch seine geringen Ausmaße ohne Zuhilfenahme von Zusatzwerkstoff, z.b. in Form von Draht, zwischen beiden Fügepartnern hindurchdringen, ohne mit ihnen zu interagieren. Kommt es doch zu einem Aufschmelzen der Fügepartner, setzt das geringe Schmelzbadvolumen der Spaltüberbrückbarkeit Grenzen. Die vorhandene Lücke muss durch das aufgeschmolzene Werkstück gefüllt werden. Der Einfluss des Spalts auf das Schweißergebnis eines Überlappstoßes ist im Folgenden dargestellt.

18 0/ 60 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 Abb. 27: Auswirkungen eines Spalts auf die Nahtausprägung beim Schweißen im Überlappstoß Der Spalt kann sowohl durch eine Fügekante mit hoher Welligkeit, verursacht durch eine schlechte Schnittqualität, oder durch eine mangelhafte Einspannung und somit Positionierung der Bauteile zueinander hervorgerufen werden. 0 Die Spaltüberbrückbarkeit ohne Werkstoffzugabe orientiert sich an der vorhandenen Blechdicke und kann für Bleche bis 10 mm Dicke in zwei Bereiche unterteilt werden. Der erste Bereich erstreckt sich von 0,5 bis 3 mm, der zweite Bereich von 3 bis 10 mm. Auch kann nur ein gewisser Versatz der Bauteile zueinander toleriert werden. Einen Überblick geben die folgende Tabelle und die Darstellungen der darin aufgeführten Variablen. Zu beachten ist bei diesen Richtwerten die Größe des Laserstrahlbrennflecks.

19 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 61 Abb. 28: Überbrückbare Spalte beim Laserstrahlschweißen ohne Zusatzmaterial Die Kanten der Werkstücke müssen für das Laserstrahlschweißen bei sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten gereinigt werden. Rückstände von Ölen verdampfen während der Bearbeitung mit dem Laserstrahl und verdrängen dabei die flüssige Schmelze, woraus Poren oder Schweißspritzer entstehen können. Bei niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten kann die vorlaufende Wärme des Schweißprozesses diesen Vorgang in ausreichender Entfernung zum Schweißprozess durchführen und somit das Blech quasi prozessintegriert reinigen. Sollte dies nicht möglich sein, bieten sich Reinigungsprozesse mittels fettlösender Mittel an. Beschichtung 0 Besonders beim Verschweißen von Blechen im Überlappstoß werden im Automobilbau häufig Werkstücke mit Beschichtungen bearbeitet. Vorzugsweise ist hier als Korrosionsschutzschicht Zink auf der Oberfläche vorhanden. Dieses weist einen deutlich niedrigeren Schmelz- und Verdampfungspunkt auf als

20 0/ 62 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 Eisen. Dies verursacht während der Bearbeitung eine Zinkdampffackel, die erheblich die Entstehung von Prozessporen bis hin zu Schweißspritzern und Schmelzbadauswürfen begünstigt. Abb. 29: Problematik beim Laserstrahlschweißen von verzinkten Blechen 0 Bei der Verarbeitung dieser Beschichtungen muss auf eine ausreichende Ausgasungsmöglichkeit geachtet werden. Als ausreichend hat sich hier ein Spalt von ca. 0,1 mm erwiesen. An dieser Stelle muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen der Spaltüberbrückbarkeit und der Entgasung des verdampfenden Zinks. Gleichzeitig wird beim Schweißen von verzinkten Blechen auf den Einsatz von Schutzgasen verzichtet. Das verdampfende Zink verdrängt in diesem Fall die Umgebungsluft und schirmt das Schmelzbad auf diese Weise vor ihr ab. Unter Umständen können aufgebrachte Schichten genutzt werden, um das Auftreten von Rissen in der Schweißnaht zu vermeiden. So können Beschichtungen aus Chrom und Nickel wirkungsvoll eingesetzt werden, um Risse in der Schweißnaht durch ein Auflegieren der Schweißnaht zu verhindern.

21 0/ Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen Werkstoffparameter 0 Werkstoffeigenschaft bestimmt Ergebnis 0 0/ Eine weitere Komponente, die auf das Ergebnis beim Laserstrahlschweißen einwirkt, ist der Werkstoff. Er bestimmt über seine Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Dichte, Strahlabsorption und weitere Eigenschaften, in welchem Maße der Laser seine Energie an das Werkstück abgeben kann und wie sie sich im Werkstück verteilt. Werkstoffart 0 Geschweißt werden kann eine Vielzahl an Metallen. Auch Kunststoffe und Gläser lassen sich mit dem Laserstrahl fügen. Insbesondere bei den Metallen bestimmen aber die Legierungselemente die Qualität der Schweißung. Sie können die Ursache für Poren und Risse sein. So sind typische Legierungselemente von Aluminium Silizium, Kupfer und Magnesium. Diese erhöhen bei bestimmten Gehalten in der Legierung die Rissempfindlichkeit der Naht. 0 Für Silizium ist der kritische Gehalt 0,75 %, für Magnesium 1,2 % und für Kupfer 3 %. Diese Werte gelten für Zweistoffsysteme. Liegt jedoch eine Legierung aus AlMgSi vor, verschieben sich die kritischen Werte. Für diese Legierung betragen sie: 0,5 % Silizium und 0,3 % Magnesium. Gerade in der Kombination stellen diese Elemente jedoch eine erhöhte Rissempfindlichkeit dar. Es ergibt sich ein Fenster für die höchste Rissempfindlichkeit bei Werten von 0,5 bis 0,8 % für Silizium bei gleichzeitigem Magnesiumgehalt von 0,2 bis 1,2 %. Mindestwerte von 2 % für Silizium, 3,5 % für Magnesium und 5 % für Kupfer erhöhen die Schweißbarkeit von Aluminium. Um Stähle hinsichtlich ihrer Schweißbarkeit mit dem Laser beurteilen zu können, bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Zwei hiervon sind das Schaeffler-Diagramm, aus dem eine Rissempfindlichkeit für hochlegierte Werkstoffe bestimmt werden kann, und die Beurteilung über die Abkühlzeit von 800 auf 500 C für legierte und unlegierte Baustähle. Besonders die Abkühlzeit beim Laserstrahlschweißen liegt üblicherweise an der unteren Grenze, die einzuhalten ist, um keine unzulässigen mechanischen Eigenschaften der Naht zu erhalten. Gefügezustand 0 Der Gefügezustand des Werkstücks beeinflusst sekundär die erreichbare Schweißnahtqualität. Während die direkte Interaktion mit dem Laser nicht beeinflusst wird, können Spannungen

22 64 Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 im Material Risse in der Schweißnaht verursachen. Ebenso entstehen bei gehärteten Oberflächen Bereiche, in denen durch die Wärmeeinflusszone diese Eigenschaften wieder verloren gehen. Dies trifft in gleichem Maße auf Werkstoffe zu, die entweder durch eine Wärmebehandlung oder durch Auslagerungsvorgänge ihre mechanischen Eigenschaften erhalten haben. Spezifisches Gewicht 0 Metalle weisen stark unterschiedliche spezifische Gewichte auf. Diese spielen vor allem eine Rolle bei der Verbindung von artfremden Werkstoffen oder bei hochlegierten Werkstoffen. Im Schmelzbad dieser Materialien kann eine Entmischung auftreten, bei der sich Konzentrationsgefälle innerhalb des Schmelzbads ergeben. In Abhängigkeit von der lokalen Zusammensetzung stellen sich Eigenschaften innerhalb der Schweißnaht ein, die ein frühzeitiges Versagen der Naht verursachen können oder einen Korrosionsangriff erlauben. Spezifische Wärmekapazität 0 Die spezifische Wärmekapazität bestimmt vornehmlich die Fähigkeit, Wärme weiterzuleiten. Sie geht als linearer Faktor in die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit ein und ist von Werkstoff zu Werkstoff verschieden. Wärmeleitfähigkeit 0 Die Wärmeleitfähigkeit ist grundlegend verantwortlich für die Ausprägung des Schmelzbads. Beim Laserstrahlschweißen ist das Verhältnis der Grenzfläche zwischen Schmelze und restlichem Bauteil ungünstig. Durch das schmale Schmelzbad kann bei der Verarbeitung von gut wärmeleitenden Materialien die Energie schnell aus der Fügezone abtransportiert werden. Das Erzeugen eines großen Schmelzbads zur guten Spaltüberbrückung gelingt bei diesen Werkstoffen nur durch einen hohen Energieeinsatz. Strahlabsorption 0 Metallische Werkstoffe zeigen unterschiedlich starke Wechselwirkungen mit dem Laserstrahl. Aufgrund ihres Absorptionsverhaltens wird der Laserstrahl entweder zu einem großen Teil reflektiert oder kann seine Energie an das Werkstück abgeben. Das Absorptionsvermögen von Metallen ist stark von der Wellenlänge abhängig. Kürzere Wellenlängen werden in aller Regel stärker absorbiert als längere. Dies ist der Grund, weshalb der

23 0/ Einflussparameter auf das Laserstrahlschweißen 8 65 CO 2 -Laser (1600 µm) generell höhere Leistungswerte zum Verschweißen gleich dicker Bauteile benötigt als der Festkörperlaser (z.b. Nd:YAG µm). Insbesondere bei Metallen wie Kupfer und Aluminium wird der Vorteil des Festkörperlasers ersichtlich. Aber auch Stahl oder Reineisen zeigen diesen Trend. Abb. 30: Qualitative Absorptionskurven verschiedener Werkstoffe 0 Während Eisen für den CO 2 -Laser lediglich eine Absorption von ca. 5 % aufweist, steigt sie für den Festkörperlaser auf rund 30 %. Entsprechend dem höheren Anteil eingebrachter Energie kann natürlich auch ein größeres Schmelzbad erzielt werden. Werkstoffe wie z.b. Kupfer oder Silber lassen sich mit dem CO 2 -Laser gar nicht oder nur unbefriedigend bearbeiten. Auch Aluminium zeigt eine nur geringe Absorption gegenüber der Wellenlänge von 1600 µm. Gläser sind dagegen für die Wellenlänge von Festkörperlasern nahezu transparent. Diese Werkstoffe werden in der Regel mit dem CO 2 -Laser bearbeitet.