CW-Laser und QCW-Laser beim Schweißen

Energieverteilungseigenschaften

Ein bemerkenswertes Merkmal von CW-Lasern ist ihre gaußförmige Energieverteilung. Dabei nimmt die Energieverteilung des Laserstrahlquerschnitts von der Mitte nach außen in einem gaußförmigen (normalverteilten) Muster ab. Diese Verteilungseigenschaft ermöglicht CW-Lasern eine extrem hohe Fokussierpräzision und Verarbeitungseffizienz, insbesondere bei Anwendungen, die eine konzentrierte Energieabgabe erfordern.

Diagramm zur Energieverteilung von CW-Lasern

Vorteile des Dauerstrich-Laserschweißens

Mikrostrukturelle Perspektive

Die Untersuchung der Mikrostruktur von Metallen zeigt deutliche Vorteile des Dauerstrich-Laserschweißens (CW) gegenüber dem Quasi-Dauerstrich-Pulsschweißen (QCW). Das QCW-Pulsschweißen ist durch seine Frequenzbegrenzung, typischerweise bei etwa 500 Hz, eingeschränkt und steht vor einem Kompromiss zwischen Überlappungsgrad und Eindringtiefe. Ein geringer Überlappungsgrad führt zu unzureichender Tiefe, während ein hoher Überlappungsgrad die Schweißgeschwindigkeit einschränkt und so die Effizienz mindert. Im Gegensatz dazu ermöglicht das CW-Laserschweißen durch die Wahl geeigneter Laserkerndurchmesser und Schweißköpfe effizientes und kontinuierliches Schweißen. Dieses Verfahren erweist sich besonders bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Dichtheit als zuverlässig.

Berücksichtigung der thermischen Auswirkungen

Aus thermischer Sicht ist das QCW-Pulslaserschweißen mit Überlappungen behaftet, die zu einer wiederholten Erwärmung der Schweißnaht führen. Dies kann zu Inkonsistenzen zwischen der Mikrostruktur des Metalls und dem Grundwerkstoff führen, einschließlich Abweichungen in der Versetzungsgröße und Abkühlgeschwindigkeit, was das Rissrisiko erhöht. CW-Laserschweißen hingegen vermeidet dieses Problem durch einen gleichmäßigeren und kontinuierlicheren Erwärmungsprozess.

Einfache Anpassung

In Bezug auf Bedienung und Einstellung erfordert das QCW-Laserschweißen eine sorgfältige Abstimmung verschiedener Parameter, darunter Pulswiederholfrequenz, Spitzenleistung, Pulsbreite, Tastverhältnis und mehr. CW-Laserschweißen vereinfacht den Einstellungsprozess, da der Fokus hauptsächlich auf Wellenform, Geschwindigkeit, Leistung und Defokussierung liegt, was den Bedienungsaufwand deutlich reduziert.

Technologischer Fortschritt beim CW-Laserschweißen

Während QCW-Laserschweißen für seine hohe Spitzenleistung und geringe Wärmeeinbringung bekannt ist, was sich beim Schweißen wärmeempfindlicher Komponenten und extrem dünnwandiger Materialien positiv auswirkt, haben Fortschritte in der CW-Laserschweißtechnologie, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen (typischerweise über 500 Watt) und beim Tiefschweißen auf Basis des Keyhole-Effekts, den Anwendungsbereich und die Effizienz deutlich erweitert. Dieser Lasertyp eignet sich besonders für Materialien mit einer Dicke von über 1 mm und erreicht trotz relativ hoher Wärmeeinbringung hohe Aspektverhältnisse (über 8:1).

Quasi-Kontinuierliche Welle (QCW) Laserschweißen

Fokussierte Energieverteilung

QCW steht für „Quasi-Continuous Wave“ und bezeichnet eine Lasertechnologie, bei der der Laser Licht diskontinuierlich emittiert, wie in Abbildung a dargestellt. Im Gegensatz zur gleichmäßigen Energieverteilung von Singlemode-Dauerlichtlasern konzentrieren QCW-Laser ihre Energie dichter. Diese Eigenschaft verleiht QCW-Lasern eine höhere Energiedichte und damit ein stärkeres Eindringvermögen. Der resultierende metallurgische Effekt ähnelt einer „Nagel“-Form mit einem signifikanten Tiefen-Breiten-Verhältnis. Dadurch eignen sich QCW-Laser hervorragend für Anwendungen mit hochreflektierenden Legierungen, wärmeempfindlichen Materialien und Präzisions-Mikroschweißen.

Verbesserte Stabilität und reduzierte Störungen durch die Abgasfahne

Einer der entscheidenden Vorteile des QCW-Laserschweißens liegt in der Fähigkeit, die Auswirkungen der Metallfahne auf die Absorptionsrate des Materials zu mildern und so einen stabileren Prozess zu gewährleisten. Bei der Laser-Material-Interaktion kann durch intensive Verdampfung ein Gemisch aus Metalldampf und Plasma über dem Schmelzbad entstehen, das als Metallfahne bezeichnet wird. Diese Fahne kann die Materialoberfläche vom Laser abschirmen und so zu einer instabilen Leistungsabgabe und Defekten wie Spritzern, Explosionspunkten und Löchern führen. Die intermittierende Emission von QCW-Lasern (z. B. ein 5-ms-Burst gefolgt von einer 10-ms-Pause) stellt jedoch sicher, dass jeder Laserpuls die Materialoberfläche unbeeinflusst von der Metallfahne erreicht. Dies führt zu einem besonders stabilen Schweißprozess, der insbesondere beim Dünnblechschweißen von Vorteil ist.

Stabile Schmelzbaddynamik

Die Dynamik des Schmelzbades, insbesondere im Hinblick auf die auf das Schlüsselloch wirkenden Kräfte, ist entscheidend für die Qualität der Schweißnaht. Kontinuierliche Laserschweißen neigen aufgrund ihrer längeren Einwirkungszeit und der größeren Wärmeeinflusszonen dazu, größere, mit flüssigem Metall gefüllte Schmelzbäder zu erzeugen. Dies kann zu Defekten führen, die mit großen Schmelzbädern einhergehen, wie z. B. dem Einsturz des Schlüssellochs. Im Gegensatz dazu konzentrieren die fokussierte Energie und die kürzere Interaktionszeit des QCW-Laserschweißens das Schmelzbad um das Schlüsselloch herum. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Kraftverteilung und einem geringeren Auftreten von Porosität, Rissbildung und Spritzern.