Laserschweißen

Einführung

Die Lasertechnik ist bislang vor allem in der Metallbearbeitung etabliert. Bei der Bearbeitung von Kunststoffen beschränkten sich die Einsatzgebiete des Lasers auf das Beschriften, Schneiden, Bohren und Rapid Prototyping. Erst in jüngster Zeit werden für diese Materialien Laser-Fügeverfahren entwickelt. Auf dem Gebiet des Schweißens von thermoplastischen Halbzeugen mit Hilfe von Laser­strahlung sind zwei Verfahren entwickelt worden, auf die sich die Forschungsarbeiten konzentrieren: Das Laserstumpfschweißen, welches dem kontaktlosen Heizelementschweißen vom Verfahrensablauf her gleich ist, und das Laser-Durchstrahlschweißen, bei dem Halbzeuge mit unterschiedlichen strahlungsoptischen Eigenschaften geschweißt werden.

Beide Schweißverfahren setzen unter anderem gezielt die Strahlung des Nd:YAG-Festkörperlasers ein. Die kurzwellige Strahlung (Wellenlänge ? = 1064 nm) dringt in nahezu alle Kunststoffe ohne Zusatzstoffe bis in den Millimeterbereich ein. Spezielle Absorptionseigenschaften der Kunststoffe können durch die Verwendung von Füllstoffen, Verstärkungs­stoffen oder Farbpigmenten eingestellt werden.

Neben den allgemeinen Vorteilen der Lasertechnologie in der Schweißtechnik, wie hohe Flexibilität und kurze Umrüstzeiten, bietet die Verwendung von Festkörperlasern die Möglichkeit des Einsatzes von Lichtwellenleitern. Dieses ergibt neben der räumlichen Flexibilität die Möglichkeit, die Strahlung eines Lasers im time-sharing-Prinzip nacheinander in mehreren Schweißmaschinen zu verwenden, wodurch die Investitionskosten gesenkt werden. Vorteile dieser Schweißverfahren gegenüber anderen, z. B. Heizelement- und Heizstrahlerschweißen, sind hauptsächlich in einer präzisen, kontaktlosen Wärmeeinbringung sowie der Realisierbarkeit hoher Schweiß­temperaturen zu sehen. Damit bieten Laserschweißverfahren optimale Anwendungsmöglichkeiten bei niedrig­viskosen sowie hochtemperaturbeständigen Kunststoffen.

Verfahrensablauf des Laser-Durchstrahlschweißens von Thermoplasten

Die Abbildung zeigt das Prinzip des Laser-Durchstrahlschweißverfahrens, auf das im Folgenden näher eingegangen werden soll. Zur Anwendung des Verfahrens ist es erforderlich, daß ein Halbzeug für den Laserstrahl transparent ist und das andere Halbzeugmaterial eine hohe Absorptionskonstante aufweist. Da die Nd:YAG-Laserstrahlung in die meisten Kunststoffe (amorphe und teilkristalline) ohne Zusatzstoffe tief eindringt, kann die Bedingung an die Halb­zeuge durch unterschiedliche Pigmentierung des Materials, z. B. mit Gasruß, erfüllt werden.

Bild 1: Prinzip des Durchstrahlschweißens

Ein für das menschliche Auge farbiger Kunststoff kann für die Strahlung des Nd:YAG-Lasers durchaus transparent sein. Aufgrund dieser Materialkombination transmittiert der Laserstrahl fast ungehindert durch das erste Halbzeug hindurch und wird in oberflächennahen Schichten des zweiten Halbzeugs (hohe Absorptionskonstante) vollständig absorbiert.

Bild 2: Energetische Verhältnisse

Die dadurch entstehende Wärme wird durch Wärmeleitung sowohl in tiefere Schichten des absorbierenden Halbzeugs als auch in das für den Laserstrahl transparente Halbzeug transportiert. Durch die Absorption kommt es zu einer Temperaturerhöhung in der Fügezone. Die entstehende Schmelze verbessert den Wärmekontakt zwischen den Fügepartnern und bewirkt durch Volumenausdehnung einen inneren Fügedruck, sofern der Kontakt der Fügeteile zu Beginn des Schweißvorganges drucklos vorlag. Wie beim Schweißen von Folien erfolgen bei diesem Laserschweißverfahren Erwärmungs- und Fügephase zeitgleich. Eine ausgeprägte Quetschströmung, wie etwa beim Heizelementschweißen, findet daher nicht statt. In der folgenden Abbildung ist die Dünnschnittaufnahme der Schweißnaht einer laserdurchstrahlgeschweißten Probe aus PP dar­gestellt, bei der das absorbierende Fügeteil durch einen Rußgehalt von 0,05 Gew.-% gekennzeichnet ist (Laser­leistung: 45 W; Scangeschwindigkeit: 6 mm/s; Fügedruck: 0,3 N/mm²; Scanzahl: 2, ohne Begrenzung des Füge­weges).

Bild 3: Gefügeaufnahme einer Probe aus PP

Hier sind die Schmelzeschichtdicken des teildurchlässigen Fügeteils L0,nat. und des absorbierenden Fügeteils L0,schw. hervorgehoben. Deutlich wird, daß das pigmentierte Fügeteil wesentlich tiefer plastifiziert wurde als das teildurchlässige, bedingt durch die große Eindringtiefe der Laserstrahlung bei einem geringen Rußgehalt von 0,05 Gew.-%. Da die gezeigte Schweißnaht ohne Begrenzung des Fügeweges hergestellt wurde, kam es zu einer unter­schiedlichen Schweißwulstbildung auf beiden Seiten bedingt durch eine Ungenauigkeit bei der Fixierung der Füge­teile zueinander. Der Schweißwulst besteht nahezu ausschließlich aus dem Material des absorbierenden Fügeteils. Infolge der Wärmeübertragung vom Schweißwulst insbesondere in das absorbierende Fügeteil sind die Randbereiche dieses Fügeteils tiefer plastifiziert als die Fügeteilmitte.

Bild 4: Schmelzschichtdickenverhältnis

Oben stehende Grafik zeigt die Schmelzeschichtdicke des transparenten Fügeteils im Verhältnis zur Schmelzeschichtdicke des absorbierenden in Abhängigkeit vom Gasrußgehalt des absorbierenden Fügeteils. Enthält das absorbierende Füge­teil eine geringe Menge an Gasruß, so wird die Strahlungsenergie in einer breiten Materialschicht absorbiert. Es entsteht ein relativ flaches Temperaturprofil mit einer langsam steigenden Kontaktflächentemperatur. Da die Wärmeleitung in das transparente Fügeteil vom Temperaturgradienten abhängt, gelangt nur ein geringer Teil der eingekoppelten Strahlungsenergie in das transparente Fügeteil. Dagegen ist die absorbierende Schicht im Falle eines hohen Gasrußgehaltes sehr dünn und die zugeführte Energie wird unter der Bedingung gleicher Tempe­ra­tur­leitwerte zu gleichen Teilen in beide Fügeteile geleitet.

Festigkeitsuntersuchungen beim Laserdurchstrahlschweißen

Im folgenden Bild sind die Ergebnisse der Festigkeitsuntersuchung zum Material PA 6 mit einem Rußgehalt von 0,3 Gew.-% im absorbierenden Fügeteil dargestellt. Bei diesem Material bestätigten sich die Erkenntnisse aus den Untersuchungen mit PE-HD. Die maximalen Schweißnahtfestigkeiten ergaben sich bei diesem teilkristallinen Material mit höchster Laser­leistung und niedrigster Scangeschwindigkeit im untersuchten Bereich bei zweimaligem Abscannen der Füge­fläche.

Der Verlauf der Festigkeit läßt vermuten, daß bei größerer zugeführter Energiemenge (durch höhere Laserleistung und/oder niedrigere Scangeschwindigkeit) die Festigkeit nicht weiter ansteigt. Vielmehr wird aufgrund thermischer Materialschädigungen in der Fügefläche mit einem Festigkeitsabfall zu rechnen sein.

Im Bereich des Laserdurchstrahlschweißens etablieren sich in letzter Zeit zunehmend Verfahren, mit denen auch Abschmelzwege realisiert und somit Toleranzen ausgeglichen werden können. Zu nennen sind hier das Quasisimultan- und das Simultanverfahren.

Bild 5: Schweißnahtfestigkeit

Verfahrensablauf des Laserstumpfschweißens von Thermoplasten

Das Laserstumpfschweißverfahren ist vom Verfahrensablauf her mit dem des kontaktlosen Heizelementschweißens sowie des Heizstrahlerschweißens identisch. Nachfolgend sind die Weg- und Kraftverläufe des Laserstumpfschweißverfahrens den Verläufen des kon­taktbehafteten Heizelementschweißens gegenübergestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Verfahren liegt in der Erwärmungs­phase, in der die Wärmeübertragung beim Heizelementschweißen in erster Linie durch Wärme­leitung erfolgt. Beim Laserstumpf-schweißverfahren erfolgt die Erwärmung der Fügezonen kontaktlos durch einen Laserstrahl, der mit Hilfe von Scanner- und Umlenkspiegeln mit hoher Frequenz auf den Fügeflächen verfahren wird.

Bild 6: Weg- Kraftverläufe

Die Umlenkspiegel werden zu Beginn der Erwärmungsphase wie das Heizelement zwischen die eingespannten Fügeteile gefahren. Ein Angleichen entfällt beim Laserstumpfschweißen, da bei der Strahlungserwärmung von Anfang an ein optimaler Wärmeübergang besteht.

Bild 7: Verfahrensablauf Laserstumpfschweißen

Durch die hohe Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls auf den Fügeflächen wird eine homogene Erwärmung der Fügezonen durch die punktförmige Wärmequelle des Laserstrahls sichergestellt. Der Durchmesser des Laserstrahls entspricht in erster Nährung den Wand-dicken der Fügeteile. Hierdurch kann auf ein zeilen­förmiges Abscannen der Fügeflächen durch den Laserstrahl verzichtet werden. Nach Erreichen der gewünschten Schmelzeschichtdicke beginnt die Umstellphase.

Bei der Umstellung von Erwärmungs- auf Fügephase werden die Umlenkspiegel aus der Füge­ebene herausgefahren. Ein Zurückfahren der Halbzeuge, wie es beim Heizelementschweißen zur Trennung der Fügeteile von den Heizelementoberflächen erforderlich ist, entfällt beim La­serstumpfschweißverfahren. Die Fügephase beginnt mit der gegenseitigen Berührung der Fü­geflächen und ist vom Ablauf her mit der Fügephase beim Heizelementschweißen identisch

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