Funktionsprinzip
Der Laserstrahl, der in der Strahlquelle erzeugt wird, wird je nach Lasertyp mit Spiegelsystemen oder Lichtleitfasern zum Werkstück geleitet und dann auf das Werkstück fokussiert. An der Werkstückoberfläche wird das Laserlicht absorbiert und in Wärme umgesetzt. Bei Relativbewegung zwischen fokussiertem Laserstrahl und Werkstück schmilzt dieses durch dessen Energie auf und erzeugt dabei eine Schweissnaht.
Nicht jede Schweissnahtanordnung ist für das Laserstrahlschweissen geeignet. Es gibt vier Standardtypen:
- Stumpfstoss (I-Naht)
- Überlappstoss (Kehlnaht)
- Überlappstoss (I-Naht)
- Stirnflächennaht
Besonders wichtig beim Laserstrahlschweissen ist das richtige und möglichst spaltfreie Spannen und Ausrichten der Fügepartner zueinander. Wird der Spalt grösser als ca. 10% der Blechdicke, kann der Laserstrahl keine Energie mehr übertragen und strahlt einfach durch die Naht hindurch. Schweissfehler sind die Folge. Ebenso wichtig ist eine geeignete Oberflächenstruktur. Reflektiert die Werkstückoberfläche zu stark, kann die Laserenergie nicht vom Werkstück absorbiert werden und es schmilzt daher nicht auf. Dieser Effekt kann z.B. bei blankem Aluminium auftreten.
Prozessvarianten
Es gibt im Wesentlichen zwei verschiedene Arten, mit dem Laserstrahl zu schweissen:
- Wärmeleitungsschweissen: Durch Wärmeleitung fliesst die an der Oberfläche eingebrachte Energie in das Werkstück ab.
- Tiefschweissen: Durch Bildung einer Dampfkapillare dringt der Laserstrahl tief in den Werkstoff ein.
Das Wärmeleitungsschweissen ist typisch für das Schweissen mit geringerer Laserstrahlleistung (<500 W), hier reicht die Intensität nicht aus, eine Dampfkapillare auszubilden. Die Schweissnaht ist relativ breit und flach ausgebildet.
Tiefschweissen ist zu beobachten, wenn die Strahlintensität mindestens 105 W/mm2 beträgt, also regelmässig bei der Anwendung von Hochleistungslasern. Der Werkstoff wird dabei geschmolzen und teilweise verdampft. Der Dampfdruck verdrängt die Schmelze, sodass sich eine Dampfkapillare (engl. Keyhole) ausbilden kann. Die Absorptionsrate für die Laserstrahlung ist in der Dampfkapillare besonders hoch, da die Laserstrahlung an den Wandungen mehrfach reflektiert wird, wobei jedes Mal Energie an den Werkstoff übergeht. Damit können tiefe, schlanke Schweissnähte von bis zu 20 mm Tiefe und mehr erzeugt werden.
Während des Tiefschweissens liegen in der Dampfkapillare teilweise Bedingungen vor, die in der Physik mit dem Begriff „Plasma“ bezeichnet werden, z.B. ionisierter Metalldampf und hohe Temperaturen von deutlich über 10.000 K. Das Plasma absorbiert die Laserstrahlung sehr gut und trägt dazu bei, die Laserstrahlenergie in den Werkstoff zu übertragen.
Der entstehende hohe Druck in der Dampfkapillare drückt Metalldampf/Plasma nach oben heraus und bildet eine Plasmafackel bzw. Plasmawolke. Hierin wird die Laserstrahlung je nach Ausdehnung dieser Fackel bzw. Wolke ebenso absorbiert, defokussiert und aufgeweitet, wobei sich die Brennfleckgrösse, Fokusposition und Intensität ändern. Es ergibt sich eine verringerte Einschweisstiefe und ein T-förmiger Nahtquerschnitt auf Grund der höheren Wärmeeinbringung durch die Plasmawolke an der Werkstückoberseite. Ist die Absorption durch die Plasmawolke zu stark, bricht der Schweissprozess sogar vollständig zusammen.
Die Plasmawolke zeichnet sich durch intensives blaues Leuchten aus und besteht aus Metallatomen, -ionen und -elektronen sowie Bestandteilen der umgebenden Gasatmosphäre. Ein Plasma lässt sich auch in reiner Gasatmosphäre erzeugen, insbesondere wenn Argon beteiligt ist.
Die kürzere Wellenlänge von Nd:YAG-Laserstrahlung gegenüber CO2-Laserstrahlung zeigt weniger Wechselwirkung mit der Plasmawolke über der Dampfkapillare oberhalb des Werkstücks. Daher treten hier Probleme dieser Art deutlich weniger auf.
