Wenn die moderne Industrie höhere Anforderungen an die Verbindungstechnologie stellt,Die Laserschweißtechnologie entstand, wie die Times es verlangte, und wurde zum Synonym für hochpräzise und hochfeste Verbindungen.Das Material wurde zunächst hauptsächlich für dünnwandige Materialien und schnelles Schweißen verwendet.Nach jahrzehntelanger Entwicklung, hat sich das Laserschweißen vom Labor zu breiten industriellen Anwendungen bewegt und zeigt außergewöhnliche Fähigkeiten in Bereichen wie Automobilherstellung, Luft- und Raumfahrt und Elektronik..In diesem Artikel werden die technischen Grundsätze des Laserschweißens eingehend untersucht und durch Vergleichsdaten die wesentlichen Vorteile des Laserschweißens hinsichtlich der Festigkeit aufgezeigt.
Technisches Prinzip: Der grundlegende Unterschied in der Energiedichte
Der wesentliche Unterschied zwischen dem Laserschweißen und dem gewöhnlichen Schweißen liegt im Energieübertragungsmechanismus, der unmittelbar die endgültige Festigkeitsleistung des geschweißten Gelenks bestimmt.Das Laserschweißen verwendet einen hochenergetischen Laserstrahl als WärmequelleDurch präzise Fokussierung erzeugt er eine Leistungsdichte von bis zu 106-108 W/cm2 in einer winzigen Fläche mit einem Durchmesser von nur 0,2-1,0 mm.Diese hohe Energiedichte ermöglicht es metallischen Materialien, ihren Schmelzpunkt innerhalb von Millisekunden zu erreichenDas Laserschweißen kann je nach Leistungsdichte in zwei grundlegende Arten eingeteilt werden:
Wärmeleitungsschweißen: Die Leistungsdichte liegt im Bereich von 104-105 W/cm2, mit geringer Durchdringungsspiegelung und langsamer Schweißgeschwindigkeit.
Tiefdurchdringendes Schweißen: Die Leistungsdichte kann bis zu 105-107 W/cm2 erreichen.mit einer Breite von mehr als 10 mm,Die Schweißgeschwindigkeit ist schnell.
Im Gegensatz dazu beruht das herkömmliche Bogenschweißen (wie MIG/MAG) auf der Wärmeleitung des Bogen, wobei die Wärmequelle verteilt ist.und die Energiedichte ist nur ein Bruchteil von der des LaserschweißensDieser grundlegende Unterschied in der Energiedichte führt unmittelbar zu erheblichen Unterschieden zwischen den beiden Schweißmethoden in der Schweißmorphologie, der Wärmezonengröße und der Mikrostruktur.
2- Festigkeitsleistung: Unterschiede in der Strukturintegrität
Der Festigkeitsvorteil des Laserschweißens spiegelt sich nicht nur theoretisch wider, sondern ist auch in einer Vielzahl von Industriepraktiken nachgewiesen worden.die Zugfestigkeit von lasergeschweißten Dächern kann über 90% des Grundmaterials erreichenDiese Steigerung der Steifigkeit ist auf die Kombination mehrerer Faktoren zurückzuführen:
Kontinuierliche Dichte Schweißnecke: Das Laserschweißen bildet eine kontinuierliche gerade Schweißnecke, während das Punktschweißen nur diskrete Schweißpunkte verbindet.Kontinuierliche Schweißungen beseitigen das Problem der Spannungskonzentration im PunktschweißbereichBei dynamischen Lastprüfungen weisen lasergeschweißte Verbindungen eine höhere Müdigkeitshaltbarkeit auf und eignen sich besonders für Komponenten, die Vibrationsbelastungen ausgesetzt sind.
Feinkörnerstärkungseffekt: Der schnelle Abkühl- und Verfestigungsprozess des Laserschweißens (mit einer Abkühlgeschwindigkeit von bis zu 1000°C/s) verbessert die Körnergröße des Schweißmetalls erheblich.Die Materialwissenschaft hat bestätigt, daß feinkörnige Strukturen nicht nur die Festigkeit erhöhen, sondern auch die Zähigkeit und Rissbeständigkeit verbessernDie Kühlgeschwindigkeit des gewöhnlichen Schweißes ist jedoch relativ langsam, und die Grobung der Körner ist besonders in der hitzebelasteten Zone, wo brüchige Phasen vorkommen, offensichtlich.
Metallurgische Reinheit: Das Laserschweißen erfolgt unter Inertgasschutz, wodurch die Luft effektiv isoliert und Oxidationseinschlüsse reduziert werden.Der "Schlüsselloch-Effekt" beim Tiefschweißen fördert das Entweichen von Gasen und Verunreinigungen.Experimentelle Daten zeigen, daß die Porosität des Laserschweißens nur etwa ein Drittel der des gewöhnlichen Schweißens beträgt.
3Schweißqualität: Ein wesentlicher Vorteil der präzisen Steuerung
Das Laserschweißen hat einen revolutionären Durchbruch in der Schweißqualität erzielt, die unmittelbar die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Verbindungsteile bestimmt.Seine Qualitätsvorteile spiegeln sich in fünf wichtigen Dimensionen wider::
Geometrische Genauigkeit: Der Laserstrahl wird durch das optische System präzise geleitet und fokussiert. Die Schweißbreite kann innerhalb von 2 mm gesteuert werden, und die Oberflächenflächigkeit kann ± 0,1 mm erreichen,mit einer Breite von mehr als 20 mm,Die Schweißbreite des gewöhnlichen Bogenschweißens übersteigt in der Regel 6 mm, wobei eine unebene Oberfläche zusätzliche Veredelungsverfahren erfordert.Dieser Präzisionsvorteil macht das Laserschweißen zu einer idealen Wahl für die Präzisionsfertigung von mikroelektronischen Bauteilen, Medizinprodukte usw.
Die thermische Verformungskontrolle: Die Wärmezufuhr beim Laserschweißen beträgt nur ein Drittel der Wärmezufuhr beim gewöhnlichen Punktschweißen.und die Breite der hitzebelasteten Zone wird im Bereich von 0 kontrolliert.1 bis 1.0 mm. Die Hitzezone des gewöhnlichen Schweißes kann 2-5 mm erreichen, was zu schweren thermischen Verformungen führt.Die Daten aus der Automobilindustrie zeigen, daß die Abweichung der Abmessungen von lasergeschweißten Dächen 70% geringer ist als die der Punktgeschweißten, was die Montagegenauigkeit der Fahrzeugkarosserien erheblich verbessert.
Fehlerbekämpfung: Der schnelle Schmelz- und Verfestigungsprozess des Laserschweißens verringert Fehler wie Poren und Risse erheblich.Durch präzise Steuerung der Pulswellenform und -parameterBei normalen Schweißvorgängen ist die Fehlerrate im Gegensatz dazu in der Regel zwei- bis dreimal so hoch, daß eine strengere Prüfung und Nachbearbeitung erforderlich ist.
Versiegelungsleistung: Die kontinuierliche Laserschweißnaht bildet eine perfekte luftdichte Barriere.die viel niedriger war als die über 20 ml/min des PunktschweißprozessesDiese Eigenschaft macht das Laserschweißen zum bevorzugten Verfahren für Bauteile mit hohen Dichtungsanforderungen wie Panorama-Sonnendecken und Kraftstofftanks.
Erscheinungsqualität: Die Laserschweißnecke ist glatt und flach, ohne die Einbohrungsprobleme des herkömmlichen Punktschweißens (Tiefe 0,1-0,3 mm), was eine bessere Beschichtungsgrundfläche für die Fahrzeugkarosserie bietet.Im Bereich der hochwertigen Haushaltsgeräte und der Dekorationsindustrie erhöht dieser Vorteil unmittelbar den ästhetischen Wert und die Oberflächenqualität der Produkte.
4Materialkompatibilität: Ein Durchbruch bei heterogenen Verbindungen
Das Laserschweißen zeigt eine außergewöhnliche Flexibilität bei der Anpassungsfähigkeit der Materialien und löst das Problem der Verbindung unterschiedlicher Materialien, das beim herkömmlichen Schweißen schwer zu überwinden ist.Seine einzigartigen Vorteile liegen darin,:
Materialverarbeitung mit hohem Schmelzpunkt: Die hohe Energiedichte von Lasern kann Feuerfestmetalle schmelzen, die mit herkömmlichen Wärmequellen nur schwer zu handhaben sind.Laser wurden erfolgreich auf die Verbindung von hochfesten Materialien wie Titanlegierungen und Molybdänlegierungen angewendet., die im Luft- und Raumfahrtbereich einen erheblichen Wert hat.
Unähnliche Metallverbindungen: Das Laserschweißen kann die Verbindung unterschiedlicher Materialien wie Kupfer-Aluminium und Stahl-Aluminium erreichen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer hergestellt werden können.Durch präzise Steuerung der Wärmezufuhr und der Morphologie des geschmolzenen PoolsBei der Herstellung von Batterien für neue Energiefahrzeuge wird die Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen unterdrückt.Das Laserschweißen hat das Problem der Verbindung von Kupfer- und Aluminiumplatten erfolgreich gelöst..
Spezielle Materialverarbeitung: Das Laserschweißen ist bei der Verbindung von Pulvermetallurgikmaterialien außergewöhnlich gut.Bei herkömmlichen Schweißverfahren ist es schwierig, mit Pulvermetallurgischen Materialien umzugehen, während Laserstrahlen die Wärmezufuhr präzise steuern und ein übermäßiges Kornwachstum im gesinterten Körper verhindern können.Das Laserschweißen wird auch häufig für die präzise Verbindung von nichtmetallischen Materialien wie Quarz und Keramik verwendet.
Schweißen von Beschichtungsmaterialien:Die geringe Wärmezufuhr, die beim Laserschweißen charakteristisch ist, ermöglicht es, die Korrosionsschutzbeschichtungen wie galvanisierte und aluminiumisierte Beschichtungen auf der Oberfläche des Werkstücks so weit wie möglich zu halten., während das gewöhnliche Punktschweißen die Beschichtung beschädigt und zu einer Abnahme der Korrosionsbeständigkeit führt.Versuche in der Automobilindustrie haben gezeigt, daß die Korrosionsbeständigkeit von lasergeschweißten Verzinkungsblechen mehr als fünfmal höher ist als die von punktgeschweißten.
Allerdings hat das Laserschweißen für hochreflektierende Materialien wie reine Kupfer- und Aluminiumlegierungen bestimmte Einschränkungen.Diese Materialien haben eine Laserreflektivität von bis zu 95% im festen Zustand und erfordern eine spezielle ProzesskontrolleAußerdem werden für Materialien mit nahe geschmolzenen und kochenden Punkten (z. B. Chrom und Tantal)Das Schweißparameterfenster ist schmal und muss genau gesteuert werden, um Verdampfung und Perforation zu verhindern.
Der technologische Fortschritt kennt keine Grenzen: Laserschweiß und herkömmliche Schweißverfahren werden in der künftigen verarbeitenden Industrie nebeneinander bestehen und sich ergänzen.Aber es besteht kein Zweifel, dass auf dem Weg zu Produktionsupgrades im Streben nach höherer FestigkeitDas Laserschweißen ist zu einer der Schlüsseltechnologien geworden, die die Zukunft erleuchten werden.