Laser Groche Schweißen und Löten

• Wärmeleitungsschweißen
• Tiefschweißen

• Wärmeleitungsschweißen: abhängig von Wärmeleitung
• Tiefschweißen: von Form der Plasmakapillare

• Werkstoff über die Schmelztemperatur aufgeheizt, aber nur so weit, dass noch kein merklicher Dampfdruck auftritt
• beim Fügen dünner Werkstücke wie Folien oder Drähte eingesetzt

• Strahlungsintensität über die für die Verdampfung erforderliche Schwellenintensität erhöht => Dampfkapillare (Keyhole)
• Absorption der Laserstrahlung im Metalldampf => teilweise Ionisation des Metalldampfes => Metalldampfplasma entstehen
• Energieeinkopplung deutlich besser => stark zunehmende Schweißtiefe (Tiefschweißeffekt)
• große Nahttiefen- zu Nahtbreitenverhältnisse von 10:1 und mehr aus
• eigentliche Schweißprozess durch relative Bewegung des Lasers und damit der Dampfkapillare zumWerkstück
• an Vorderfront der Kapillare wird Material vollständig aufgeschmolzen
• Ein Teil umfließt die Kapillare als Schmelze, anderer Teil wird verdampft, kondensiert anschließend und erstarrt an Rückseite der Kapillare zur Schweißnaht

Laserstrahl- und Prozessparameter

Plasma ist ein ionisiertes Gas (Gasgemisch). Führt man Gasen kontinuierlich Energie (z.B. in Form von elektrischen Strom) zu, so gehen sie in einen Zustand über, in dem neutrale Gasmoleküle angeregt und bei weiterer Energiezufuhr häufig positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen entstehen. Dieses Gemisch aus neutralen, positiv und negativ geladenen Partikeln bezeichnet man als Plasma.

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• unter 10^6 W/cm^2 ist der Bereich des Wärmeleitungsschweißens, da die Schweißtiefe nur von der Wärmeleitung abhängig
• Überschreitet Laserintensität einen bestimmten Schwellenwert, so steigt Schweißtiefe stark an. Bei dieser Laserintensität - der sogenannten Plasmaschwelle -beginnt das Material zu verdampfen und die Plasma- oder Dampfkapillare bildet sich im Werkstück aus. Dies ist der Bereich des Tiefschweißens.

• vergleichsweise geringe Vorschubgeschwindigkeit
• hohe Streckenenergie
• halbkreisförmiger Nahtquerschnitt mit Nahtbreite ≈ 2 x Nahttiefe
• Nahtoberraupe und Wurzel sehr gleichmäßig
• Verbindungsschweißen nur für Werkstoffe mit niedrigschmelzender Oxidhaut möglich

• Absorption der Laserstrahlung
• Wärmeleitung im Werkstück
• Hydrodynamik in der Schmelze
• Verdampfung von der Kapillaroberfläche
• Gasdynamik in der Kapillare

• hohe Vorschubgeschwindigkeit
• geringe Streckenenergie => geringer Bauteilverzug
• großes Nahttiefe-zu-Nahtbreite-Verhältnis
• Nahtoberraupe und -wurzel sehr gleichmäßig

• Hohe Absorption durch Mehrfachreflexion
• Gleichmäßige Erwährmung der Naht über gesamte Blechdicke
• Entlüftungskanal für Abgase, Vermeidung/ Verminderung der Porenbildung
• Wechselwirkungsprozesse liefern Signale zur Prozessüberwachung

Rayleigh-Länge

Ausreichend hohe Metalldampfdichte

Abgabe der im ionisierten Metalldampf absorbierten Energie erfolgt durch Rekombination von Ionen an der Kapillarwand

• Mit abnehmender Laserleistung sind höhere Intensitäten erforderlich, um photon-induziertes Plasma zu erzeugen, da Wärmeleitungsverluste im Werkstoff und in der Umgebungsatmosphäre mit abnehmendem Fokusradius ansteigen
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• Erhöhung der Schweißtiefe
• ABER:
• mit zunehmender Laserintensität wird Plasma oberhalb des Werkstückes so stark aufgeheizt, dass es beginnt, das Werkstück gegen einfallende Laserstrahlung abzuschirmen
• => Plasmaabschirmung

• Wärmeleitungsschweißens (W<10⁶ W/cm2)
• Tiefschweißen in schmalem Fenster zwischen zwei Grenzintensitäten (Plasmabildung und Plasmaabschirmung)
• Zunahme der Einschweißtiefe mit Laserintensität

• Laserstrahlparameter
• Prozessmedium
• Umgebung
• Werkstückparameter
• Handhabungsparameter

• Art der Schweißung (Wärmeleitungs- und Tiefschweißen)
• Ausbildung der Dampfkapillare
• Schweißtiefe
• mechanisch-technologische Eigenschaften (Zugfestigkeit, Härte u.a.) der Schweißnaht

• CO₂
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• Nd:YAG
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• Intensitätsschwelle zur Bildung der Dampfkapillare liegt wegen der geringeren Absorption für CO₂-Laserstrahlung etwa um den Faktor 2 bis 3 über den Werten für Nd:YAG Laserstrahlung.

• Aufwerfen der Nahtraupe in Form von Tropfen
• sowohl an Nahtoberraupe als auch an Nahtunterraupe in Form von Nahtdurchhängen
• stellt die Abkoppelung einer Schmelzanhäufung am Schmelzbadende dar
• Ausbildung der Humping-Tropfen erfolgt nahezu periodisch
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• Instabilitäten der Strahlkapillare und deren Auswirkungen auf die kapillarnahe Schmelzbaddynamik
• hohe Schmelzströmungsgeschwindigkeiten aufgrund lokaler Einschnürungen der Schmelzströmung im Bereich der Strahlkapillare
• ausgeprägte Aufwärtsströmungen der Schmelze
• Druckstörungen in Schmelzströmung durch geringfügige Veränderungen der Schmelzberandung, die sich aufgrund des flachen Schmelznachlaufs hinter der Strahlkapillare verstärkt fortpflanzen und zu Instabilitäten des Schmelzbades führen

• Bördelnaht
• I-Naht
• Kehlnaht
• Überlappnaht
• Axialrundnaht
• Radialrundnaht

• Hauptsächlich CO₂-Laser und Nd:YAG-Laser
• Diodenläser nur Wärmeleitschweißen

• Vorteile eines Nd:YAG-Lasers:
• kürzere Wellenlänge => bessere Energie-Einkopplung in Werkstoff
• Strahlführung über Lichtleiter möglich
• Nachteile eines Nd:YAG-Lasers:
• geringere Laserleistung als CO₂-Laser
• höhere Anschaffungskosten

ungeglüht ist Schweißnaht so hart, dass sie sich nicht dehnt => Riss rechts und links der Naht

• Spalt zw. beiden Blechen, damit schlagartig verdampfendes Zink abfließen kann
• Zink würde sonst Schweißbad zerstören
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• durch Laserstrahlschweißen aus mehreren Einzelblechen zusammengefügt
• Diese einzelnen Bleche können unterschiedliche Stahlsorten, Oberflächenbeschichtungen und Dicken aufweise
• Tailored Blanks bieten dem Konstrukteur neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Bauteilen.

• zwei Schweißverfahren, z. B. Laserstrahlschweißen und Lichtbogenschweißen, in einer Prozesszone kombiniert
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• Kombination kann Überbrückung von Spalten ermöglichen, da WEZ von anderen nicht-Laser-Verfahren größer ist
• bessere Nahtoberflächenstruktur
• beanspruchungsgerechte Metallurgie des Schweißgutes erreicht

• Stanzen und gleichzeitiges Verschweißen von Einzelblechen zu Paketen im Stanzautomat innerhalb der Stanzfolge eines Werkzeuges
• bei einer definierten Winkelstellung ein pulsförmiges Signal an Laser-Einrichtung weitergeleitet und dadurch ein pulsförmiger Laserstrahl ausgelöst

• Kupfer bedingt
• Aluminium schlecht

• Problem: Sehr harte Bereiche können in WEZ beim Schweißen von Stählen mit hohen C-Gehälten und hohen Legierungselementanteilen entstehen
• Lösung: Vorwärmen des Bereiches neben Schweißnaht
• Faktor: Kohlenstoffäquivalent Ce =x%C + x%Mn + ... => wenn über 0.2% => vorwärmen

• Kupfer hochreflektiv
• Laserstrahl auf Stahlkomponente gerichter und Wärme über Wärmeleitung in Kupfer

• Kunststoff
• Pigmentierung der Kunststoffe ist dabei sogewählt, dass die Laserstrahlung das Material z.B. eines Tastenfeldes nahezu ungehindert durchdringt, und erst im Material des darunterliegenden Gehäuses absorbiert wird

• Weichlöten: T<230°
• Hartlöten: T>800°

• Überhitzung benachbarter Teile
• Mechanische Spannungen
• Rissgefahr durch zu hohe Temperaturen
• hohe Toleranzen wegen mechanisch hoher Toleranzen

• Wärmezufuhr an Bedarf einzelner Lötstellen anpassbar
• hohe Lötqualität
• temperaturempfindliche Bauteile können gelötet werden

• Laserstrahl erwärmt Lötstelle
• Laserstrahl erwärmt zugeführtes Lot mit Flussmittel
• Fertig ausgebildete Lötstelle

als Messsignale zur Prozessüberwachung während des Laserstrahlprozesses genutzt

Temperatur als wichtigster zu messender Parameter

• Zinn/ Blei
• Flussmittel
• Oberflächenreiniger

• Laser-Parameter
• Thermophysikalische Eigenschaften
• Prozessparameter
• Äußere Einflüsse

• Absorption
• Leitfähigkeit
• Wärmekapazität
• Dichte
• Schmelztemperatur

• Flussmittel
• Fokussierung
• Atmosphäre
• Kontaktbereich
• Kontaktkraft
• Strahlbewegung

• Oberflächenrauhigkeit
• Kontamination der Oberflächen

kleinkörnigeres Gefüge, da WEZ kleiner => besseres Abfließen der Wärme