Laserpulsformung zum Verbinden unterschiedlicher Materialien

Das Laserschweißen unterschiedlicher Materialien ist ein dynamischer Prozess und seine Zeit ist gekommen.

Wo ein solches Schweißen erforderlich ist – in der Elektronik, medizinischen Geräten, Konsumgütern, Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen – erweist sich das Faserlaserschweißen als überlegenes Verfahren. Es reduziert die Herstellungskosten und bietet gleichzeitig Designflexibilität.

Theoretisch kann ein Laser jedes Material verschweißen, das sich mit herkömmlichen Verfahren verbinden lässt. Aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften – wie Schmelz- und Siedepunkt, Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Ausdehnungskoeffizient – ​​können beim Schweißen unterschiedlicher Materialien jedoch Probleme auftreten, die die resultierende Verbindung inakzeptabel machen.

In Tabelle 1 ist die Schweißbarkeit von Metallpaaren dargestellt. Beim Schweißen unterschiedlicher Metalle ist eine gute Feststofflöslichkeit für einwandfreie Schweißeigenschaften unerlässlich. Dies wird nur mit Metallen erreicht, die kompatible Schmelztemperaturbereiche haben. Wenn die Schmelztemperatur eines Materials nahe der Verdampfungstemperatur des anderen liegt, kommt es zu einer schlechten Schweißbarkeit und häufig zur Bildung spröder intermetallischer Strukturen.

In der Vergangenheit wurden die meisten unterschiedlichen Schweißprojekte mit Nd:YAG-Lasern mit gepulsten Lampen durchgeführt. Lampengepumpte Laser sind in der Lage, lange Impulse von mehreren Millisekunden mit Spitzenleistungen zu erzeugen, die um ein Vielfaches über der durchschnittlichen Nennleistung des Lasers liegen, sofern der Arbeitszyklus ausreichend niedrig ist. Gepulste, lampengepumpte Nd:YAG-Laser mit hoher Spitzenleistung und Impulsformungsfähigkeiten machen diese Laser ideal zum Schweißen unterschiedlicher Materialien. Zu große Schweißtiefen, die zu fehlerhaften Verbindungen und auch unzureichenden Schweißtiefen führen können, können vermieden werden, indem die Startleistung und die richtige Endleistung an die Verbindungsgeometrie und die Materialeigenschaften angepasst werden (Abbildung 1).

Bei Prima Power Laserdyne haben Schweißexperten eine Reihe von Impulsformen entwickelt, um die Schweißqualität durch Reduzierung von Schweißrissen und Porosität zu verbessern. Ihr Schwerpunkt lag auf der Bereitstellung von Lösungen zum Schweißen unterschiedlicher Materialien in Produktanwendungen, die anfällig für Schweißfehler wie Risse, Porosität oder eine Kombination aus beidem sind. Zu den am häufigsten betroffenen Branchen gehören die Automobil-, Medizin-, Elektronik- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Mit dem neuen LASERDYNE 811-System mit einem S94P-Controller, der eine Reihe von Hardware- und Softwarefunktionen für die Impulsformung umfasst, wurden verschiedene Impulsformen erzeugt. Diese Projekte wurden sowohl mit kontinuierlichen (CW) als auch mit quasi-kontinuierlichen (QCW) Faserlasern durchgeführt.

Im Folgenden finden Sie zwei Beispiele, bei denen die Impulsformung zur Verbesserung der Schweißqualität beim Laserschweißen unterschiedlicher Materialien eingesetzt wurde.

Grauguss wird in der Automobilindustrie häufig verwendet. Eine wesentliche Einschränkung ist die Schweißbarkeit eines anderen Materials auf Gusseisen aufgrund von Heißrissen und der Bildung von Porosität aufgrund der mangelnden Duktilität des Graphits und des Gussprozesses. Im ersten Beispiel musste ein Teil einer Automobilkomponente in einer teilweise überlappenden Schweißkonfiguration mit Edelstahl 304 und Grauguss verbunden werden. Im vorherigen Prozess wurde das Teil mit Elektronenstrahlschweißen (EBW) geschweißt, um die Bildung übermäßiger Porosität zu reduzieren und Grenzflächenrisse zu verhindern. Der Endverbraucher wollte das EBW durch Laserstrahlschweißen (LBW) ersetzen, um die Kosten pro Schweißnaht und Schweißvorbereitung zu senken. Der größte Unterschied besteht darin, dass das EBW im Vakuum durchgeführt wird, während das Laserschweißen in einer Umgebungsluftdruckumgebung durchgeführt wird und die Gefahr von Röntgenstrahlen aus dem Prozess ausgeschlossen ist. Es wurden Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um Laserparameter zu entwerfen, die im Vergleich zu EBW Schweißnähte mit gleicher oder besserer Qualität erzeugen können, d. h. keine Porosität oder Grenzflächenrisse. Die Arbeiten zur Entwicklung der Laserparameter einschließlich der Pulsform wurden mit dem CW-Faserlaser durchgeführt.

Mikroskopische Untersuchungen des Schweißguts, das mit einem Standard-CW-Laser erzeugt wurde, zeigten starke Porosität im Gusseisenteil der Schweißnaht (Abbildung 2). Es gab keine Anzeichen von Mikrorissen an der Verbindungsstelle. Die mit dem LASERDYNE S94P-Controller und der Impulsformung hergestellte Schweißnaht erzeugte porositätsfreie Schweißnähte (Abbildung 3).

Das zweite Beispiel konzentriert sich auf die Luft- und Raumfahrtindustrie. Schweiß- und Verbindungstechniken spielen in der Luft- und Raumfahrt eine wichtige Rolle, sowohl bei der Herstellung neuer Teile als auch bei Reparaturen von Luft- und Raumfahrtstrukturen und -komponenten. Ein Großteil der Komponenten von Flugzeugtriebwerken besteht aus Superlegierungen auf Nickelbasis. Die meisten dieser Flugzeugtriebwerksmaterialien sind beim Laserschweißen anfällig für Porosität, Rissbildung oder beides. Die Gefahr von Schweißrissen und Porositätsbildung hängt von den Schweißbedingungen ab. Durch eine Änderung des Schweißprozesses, also eine Optimierung der Laser- und Bearbeitungsparameter, können diese Schweißfehler weitgehend vermieden werden.

Eine Luft- und Raumfahrtkomponente erforderte das Laserschweißen von Haynes 230 (lösungsbehandelte Nickel-Chrom-Wolfram-Molybdän-Legierung) mit Waspaloy (aushärtbare Nickel-Chrom-Kobalt-Superlegierung) in einer Überlappungsschweißkonfiguration. Die Anforderungen an die Schweißqualität bestanden darin, dass es in der Schmelzzone keine Risse oder Porosität geben darf, wenn man bedenkt, dass beide Legierungen beim Einzelschweißen anfällig für Risse sind.

Abbildung 4 zeigt eine unterschiedliche Schweißverbindung zwischen zwei Nickelbasislegierungen, die mit CW-Leistung geschweißt wurden. Die Schweißung wurde mit zwei verschiedenen Schutzgasen durchgeführt, nämlich Stickstoff und Argon. Das Laserschweißen mit Stickstoff-Schutzgas führte zu Mikrorissen an der Grenzfläche, jedoch zu keiner Porosität, während mit Argon-Schutzgas hergestellte Schweißnähte keine Risse, aber übermäßige Porosität aufwiesen. Die verringerte Porosität mit Stickstoff-Schutzgas war auf die verringerte Oberflächenspannung des Schmelzbades zurückzuführen, wodurch die Blasen leichter aus dem Schweißbad entweichen konnten.

Weitere Versuche wurden mit Pulsformung durchgeführt, um die Schweißqualität zu verbessern. Diese Vorgänge wurden ausschließlich mit Stickstoff-Schutzgas durchgeführt. Die in Abbildung 5a und Abbildung 5b gezeigten Ergebnisse zeigen, dass es keine Anzeichen von Mikrorissen an der Verbindungsschnittstelle gab. Die Schweißnahtdurchdringung und die Schnittstellenbreite unterscheiden sich geringfügig im Vergleich zu Schweißnähten, die mit der CW-Ausgabe hergestellt wurden. Die Schweißform kann jedoch durch Anpassen der Durchschnittsleistung und Schweißgeschwindigkeit gesteuert werden, ohne die Impulsformkonfiguration zu ändern.

Die Entwicklungsarbeit von Prima Power Laserdyne mit Laserimpulsformung hat zu qualitativ hochwertigen Schweißnähten unterschiedlicher Materialien geführt. Diese neuen Prozesse und die Fähigkeiten der LASERDYNE SP94-Steuerung verbessern die Schweißqualität, indem sie Mikrorisse und die Bildung von Mikro- und Makroporosität beseitigen. Das Unternehmen hat zusätzliche Pulsformverfahren entwickelt, um viele andere Anwendungen des Faserlaserschweißens zu bewerten und zu verbessern.

Für weitere Informationen rufen Sie 763-433-3700 an oder besuchen Sie www.primapowerlaserdyne.com.

Verbinde dich mit uns