VERFAHRENSBESCHREIBUNG

Laserstrahlschweißen im Vakuum


Das Laserstrahlschweißen im Vakuum ist eine Verfahrenskombination der etablierten Fügetechniken Laserschweißen und Elektronenstrahlschweißen. Beim Elektronenstrahlschweißen ist verfahrensbedingt ein Hochvakuum notwenig. Eine Kollision der Elektronen mit den Luftmolekülen führt zu einer Aufweitung des Strahls und damit zum Absinken der Intensität am Werkstück.

Das Laserschweißen findet gewöhnlich bei Atmosphärendruck statt.

Wärmeleitungschweißen und Tiefschweißen

Wie auch bei den etablierten Verfahren wird beim Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa), je nach Intensität zwischen dem Wärmeleitschweißen und dem Tiefschweißen unterschieden. Bei ausreichender Intensität wird am Auftreffpunkt die Schmelztemperatur (TS) erreicht und es bildet sich ein kleines Schmelzbad aus. Wird die Intensität, die der Quotient aus Strahlleistung und Spotdurchmesser am Werkstück ist, über eine werkstoffabhängige Schwellenintensität gesteigert, wird am Auftreffpunkt die Siedetemperatur (TD) überschritten und das Material verdampft. Der Dampfdruck formt das Schmelzbad wodurch sich in die Tiefe eine Dampfkapillare (auch Keyhole genannt) ausbildet. Der Durchmesser der Kapillare entspricht dabei ist erster Näherung dem Spotdurchmesser. Durch eine Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstück entsteht die Schweißnaht.

Druckabhängigkeit der Siedetemperatur

Während beim Wärmeleitschweißen im Vakuum die Besonderheit (nur) auf dem Schutz vor Oxidation beruht, ergeben sich beim Tiefschweißen eine Vielzahl weiterer Vorteile, wie die Einschweißtiefensteigerung oder die Vermeidung von Poren und Spritzern. Diese sind maßgeblich auf die Druckabhängigkeit der Verdampfungstemperatur zurückzuführen.

Während sich die Schmelztemperatur von Metallen bei einem Druckunterschied von 1000 mbar gerade mal um wenige Grad Kelvin verändert, ist der Temperaturunterschied vom Siedepunkt über 1000 K.

Abhängigkeit Druck und Siedetemperatur beim Laserschweißen
Abhängigkeit Druck und Siedetemperatur beim Laserschweißen nach Honig und Kramer RCA Review, 1969

Was bedeutet das für das Laserstrahlschweißen im Vakuum?

Durch die Reduzierung der Siedetemperatur ist weniger Energie notwendig um das Metall zu verdampfen. Während die Größe der Dampfkapillare maßgeblich vom Strahldurchmesser bestimmt wird, führt eine Temperaturverringerung in der Dampfkapillare auch zu einer Verkleinerung des umgebenden Schmelzbades. Es entsteht (wie in dem Video gezeigt) ein stabiles Keyholeverhalten, was die Spritzer- und Porenneigung deutlich reduziert. Neben der Qualitätssteigerung der Laserschweißnaht führt die LaVa-Technik weiter zu einem mindestens um die Hälfte reduzierten Wärmeeintrag, bei gleicher Einschweißtiefe. Dieser Effekt ist besonders bei temperatursensiblen Werkstoffen oder wenn besonders verzugsarm geschweißt werden soll von großem Nutzen.

Strahlerzeugung: Laserstrahl vs. Elektronenstrahl

Beim Elektronenstrahl (EB) erfolgt die Strahlerzeugung in der sogenannten Elektronenstrahlkanone durch Erwärmung einer Glühkathode und anlegen einer Beschleunigungsspannung. Die Glühkathode ist bei den gängigen Varianten der Elektronenstrahlerzeuger ein Verschleißteil und muss, je nachdem welcher Werkstoff geschweißt wird, nach wenigen Stunden ausgetauscht werden. Einbaufehler, Verschmutzungen oder sonstige Änderungen dieser filigranen Komponente resultieren sofort in einer Veränderung der Strahleigenschaften und damit der Schweißnahtqualität. Die Strahlformung und -fokussierung erfolgt durch magnetische Spulen.

Als Laserquelle werden beim LaVa-Schweißen Festkörperlaser vom Typ Scheiben- oder Faserlaser verwendet. Die Laserstrahlung kann bei diesen Typen über ein Lichtleitkabel über mehrere Meter transportiert und in die Optik eingekoppelt werden. In der Optik erfolgt die Kollimierung und Fokussierung mit festen Brennweiten. Im Laser oder der Optik befinden sich keine Verschleißteile die sich negativ auf die Strahlqualität ausüben. Unser Schutzsystem, welches ohne Druckluft funktioniert, verlängert die Lebensdauer der Schutzgläser um mehr als 100%.

Schematische Darstellung Elektronenstrahlschweißen und Laserschweißen
Schematische Darstellung Elektronenstrahlschweißen und Laserschweißen
Vakuumqualität: Unterdruck vs. Hochvakuum

Während beim Elektronenstrahlschweißen verfahrensbedingt ein Hochvakuum werkstoffabhängig von 10-2 - 10-5 mbar in der Arbeitskammer und sogar mindestens 10-6 mbar im Strahlerzeuger notwendig ist, reicht beim Laserstrahlschweißen im Vakuum, je nach Werkstoff, ein Druck von 10-100 mbar aus, um die gleichen Prozessvorteile wie beim Elektronenstrahlschweißen zu erzielen. Dadurch reduzieren sich die Anforderungen an den Pumpstand, da keine Turbomolekular- und Diffusionspumpen notwendig sind, auf einstufige Vorpumpen. Die Evakuierungszeiten bei unseren Anlagen betragen je nach Anwendung 1-6 Sekunden.

Arbeitskammer: Aluminium vs. Verbleiter Stahl

Beim Elektronenstrahlschweißen entsteht Röntgenstrahlung.

Bedingt dadurch ist es notwendig die Arbeitskammern aus 20-30 mm dicken Stahlplatten zu schweißen. Bei höheren Beschleunigungsspannungen >60 kV müssen die Kammern zusätzlich mit Blei ummantelt werden. Jede Durchführung oder Ausbruch muss um Labyrinthe ergänzt werden, um einen Strahlungsaustritt vermeiden zu können. Dies resultiert in einer aufwendigen Konstruktion und Fertigung.

Beim Laserstrahlschweißen im Vakuum bestehen unsere Arbeitskammern aus Aluminium. Die aus dem Vollen gefrästen Kammern sind 100% vakuumdicht und verfügen über eine sehr hohe Maßhaltigkeit wie man sie bei der CNC Fertigung gewohnt ist. Nach dem Eloxieren können die weiteren Komponenten, wie Schweißoptik und Manipulation ohne weitere Nacharbeit montiert werden.

Prozess: Laserstrahlschweißen im Vakuum vs. Elektronenstrahlschweißen

So unterschiedlich die Absorption der Strahlung zwischen den Verfahren auch ist, entstehen bei beiden Verfahren die gleichen hochwertigen Schweißnähte. In zwei Punkten kann aber auch hier der Laserstrahl seine Vorteile nutzen. Bei höheren Strahlleistungen stoßen sich die Elektronen im Strahl gegenseitig ab, was unweigerlich zu größeren Strahldurchmesser und zu einer Verschiebung der Fokuslage, dem sogenannten Fokusshift führt.

Bei den modernen Laserquellen sind auch bei mehreren Kilowatt Leistung Strahldurchmesser kleiner 100 µm möglich.

Der zweite Punkt betrifft die Beeinflussung des Elektronenstrahls durch magnetische Felder. Dabei reichen kleinste Felder im Stahl aus, die eventuell durch einen Magnetgreifer induziert wurden, um den Strahl abzulenken und einen Bindefehler zu erzeugen. Der Laserstrahl hingegen wird nicht durch Magnetfelder beeinflusst was auch die Nutzung von magnetischer Spanntechnik ermöglicht.