CW-Laser und QCW-Laser beim Schweißen

Eigenschaften der Energieverteilung

Ein bemerkenswertes Merkmal von CW-Lasern ist ihre Gaußsche Energieverteilung, bei der die Energieverteilung des Querschnitts eines Laserstrahls von der Mitte nach außen in einem Gaußschen Muster (Normalverteilung) abnimmt. Diese Verteilungscharakteristik ermöglicht es CW-Lasern, eine extrem hohe Fokussierungspräzision und Verarbeitungseffizienz zu erreichen, insbesondere bei Anwendungen, die einen konzentrierten Energieeinsatz erfordern.

CW-Laser-Energieverteilungsdiagramm

Vorteile des Dauerstrich-Laserschweißens (CW).

Mikrostrukturelle Perspektive

Die Untersuchung der Mikrostruktur von Metallen zeigt deutliche Vorteile des Dauerstrich-Laserschweißens (CW) gegenüber dem Quasi-Dauerstrich-Impulsschweißen (QCW). Das QCW-Impulsschweißen ist durch seine Frequenzgrenze, typischerweise etwa 500 Hz, eingeschränkt und steht vor einem Kompromiss zwischen Überlappungsrate und Eindringtiefe. Eine niedrige Überlappungsrate führt zu einer unzureichenden Tiefe, wohingegen eine hohe Überlappungsrate die Schweißgeschwindigkeit einschränkt und die Effizienz verringert. Im Gegensatz dazu wird beim CW-Laserschweißen durch die Auswahl geeigneter Laserkerndurchmesser und Schweißköpfe ein effizientes und kontinuierliches Schweißen erreicht. Besonders zuverlässig erweist sich diese Methode bei Anwendungen, die eine hohe Dichtungsintegrität erfordern.

Berücksichtigung thermischer Auswirkungen

Unter dem Gesichtspunkt der thermischen Einwirkung besteht beim QCW-Pulslaserschweißen das Problem der Überlappung, was zu einer wiederholten Erwärmung der Schweißnaht führt. Dies kann zu Inkonsistenzen zwischen der Mikrostruktur des Metalls und dem Grundmaterial führen, einschließlich Variationen in der Versetzungsgröße und Abkühlgeschwindigkeit, wodurch sich das Risiko von Rissen erhöht. Das CW-Laserschweißen hingegen vermeidet dieses Problem, indem es einen gleichmäßigeren und kontinuierlicheren Erwärmungsprozess ermöglicht.

Einfache Anpassung

In Bezug auf Betrieb und Einstellung erfordert das QCW-Laserschweißen eine sorgfältige Abstimmung mehrerer Parameter, einschließlich Impulswiederholungsfrequenz, Spitzenleistung, Impulsbreite, Arbeitszyklus und mehr. Das CW-Laserschweißen vereinfacht den Anpassungsprozess, indem es sich hauptsächlich auf die Wellenform, die Geschwindigkeit, die Leistung und das Ausmaß der Defokussierung konzentriert, wodurch die Bedienungsschwierigkeiten erheblich verringert werden.

Technologischer Fortschritt beim CW-Laserschweißen

Während QCW-Laserschweißen für seine hohe Spitzenleistung und geringen Wärmeeintrag bekannt ist, was für das Schweißen wärmeempfindlicher Komponenten und extrem dünnwandiger Materialien von Vorteil ist, gibt es Fortschritte in der CW-Laserschweißtechnologie, insbesondere für Hochleistungsanwendungen (typischerweise über 500 Watt). Das Tiefschweißen auf Basis des Schlüssellocheffekts hat seinen Anwendungsbereich und seine Effizienz deutlich erweitert. Dieser Lasertyp eignet sich besonders für Materialien mit einer Dicke von mehr als 1 mm und erreicht trotz relativ hohem Wärmeeintrag hohe Aspektverhältnisse (über 8:1).

Quasi-kontinuierliche Welle (QCW) Laserschweißen

Fokussierte Energieverteilung

QCW steht für „Quasi-Continuous Wave“ und steht für eine Lasertechnologie, bei der der Laser Licht diskontinuierlich emittiert, wie in Abbildung a dargestellt. Im Gegensatz zur gleichmäßigen Energieverteilung von Single-Mode-Dauerlasern konzentrieren QCW-Laser ihre Energie dichter. Diese Eigenschaft verleiht QCW-Lasern eine überlegene Energiedichte, was zu einer stärkeren Durchdringungsfähigkeit führt. Der resultierende metallurgische Effekt ähnelt einer „Nagel“-Form mit einem signifikanten Verhältnis von Tiefe zu Breite, wodurch QCW-Laser bei Anwendungen mit hochreflektierenden Legierungen, wärmeempfindlichen Materialien und Präzisionsmikroschweißen hervorragende Leistungen erbringen.

Erhöhte Stabilität und reduzierte Plume-Interferenz

Einer der entscheidenden Vorteile des QCW-Laserschweißens ist seine Fähigkeit, die Auswirkungen von Metallwolken auf die Absorptionsrate des Materials abzuschwächen, was zu einem stabileren Prozess führt. Bei der Wechselwirkung zwischen Laser und Material kann durch intensive Verdampfung über dem Schmelzbad eine Mischung aus Metalldampf und Plasma entstehen, die üblicherweise als Metallfahne bezeichnet wird. Diese Wolke kann die Materialoberfläche vor dem Laser schützen, was zu einer instabilen Leistungsabgabe und Defekten wie Spritzern, Explosionsstellen und Löchern führt. Die intermittierende Emission von QCW-Lasern (z. B. ein 5-ms-Burst gefolgt von einer 10-ms-Pause) stellt jedoch sicher, dass jeder Laserimpuls die Materialoberfläche unbeeinträchtigt von Metallfahnen erreicht, was zu einem besonders stabilen Schweißprozess führt, der besonders 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 Laser neigen aufgrund ihrer längeren Einwirkung und der größeren Wärmeeinflusszonen dazu, größere, mit flüssigem Metall gefüllte Schmelzbecken zu erzeugen. Dies kann zu Defekten führen, die mit großen Schmelzbädern einhergehen, wie z. B. einem Schlüssellochkollaps. Im Gegensatz dazu konzentrieren die fokussierte Energie und die kürzere Wechselwirkungszeit beim QCW-Laserschweißen das Schmelzbad um das Schlüsselloch herum, was zu einer gleichmäßigeren Kraftverteilung und einem geringeren Auftreten von Porosität, Rissen und Spritzern führt.