Laser Groche Schweißen und Löten.txt

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Author:
BeWater
ID:
265939
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Laser Groche Schweißen und Löten.txt
Updated:
2014-03-11 07:06:12
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TUD
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Karten zu Vorlesung "Laser in der Fertigung" von Prof. Groche TU Darmstadt
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  1. Welche Laser-Schweißverfahren lassen sich unterscheiden?
    • Wärmeleitungsschweißen
    • Tiefschweißen
  2. Zeige anhand einer Skizze wie sich die Schmelze beim Wärmeleitungs- und wie beim Tiefschweißen ausbildet!
  3. Wovon ist die Schweißtiefe beim Tiefschweißen und beim Wärmeleitungsschweißen abhängig?
    • Wärmeleitungsschweißen: abhängig von Wärmeleitung
    • Tiefschweißen: von Form der Plasmakapillare
  4. Erkläre die Vorgänge beim Wärmeleitungsschweißen!
    Wann wird es eingesetzt?
    • Werkstoff über die Schmelztemperatur aufgeheizt, aber nur so weit, dass noch kein merklicher Dampfdruck auftritt
    • beim Fügen dünner Werkstücke wie Folien oder Drähte eingesetzt
  5. Erkläre die Vorgänge bei Tiefschweißen!
    • Strahlungsintensität über die für die Verdampfung erforderliche Schwellenintensität erhöht => Dampfkapillare (Keyhole)
    • Absorption der Laserstrahlung im Metalldampf => teilweise Ionisation des Metalldampfes => Metalldampfplasma entstehen
    • Energieeinkopplung deutlich besser => stark zunehmende Schweißtiefe (Tiefschweißeffekt)
    • große Nahttiefen- zu Nahtbreitenverhältnisse von 10:1 und mehr aus
    • eigentliche Schweißprozess durch relative Bewegung des Lasers und damit der Dampfkapillare zumWerkstück
    • an Vorderfront der Kapillare wird Material vollständig aufgeschmolzen
    • Ein Teil umfließt die Kapillare als Schmelze, anderer Teil wird verdampft, kondensiert anschließend und erstarrt an Rückseite der Kapillare zur Schweißnaht
  6. Wovon hängt Keyhole-Geometrie ab?
    Laserstrahl- und Prozessparameter
  7. Was ist Plasma?
    Plasma ist ein ionisiertes Gas (Gasgemisch). Führt man Gasen kontinuierlich Energie (z.B. in Form von elektrischen Strom) zu, so gehen sie in einen Zustand über, in dem neutrale Gasmoleküle angeregt und bei weiterer Energiezufuhr häufig positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen entstehen. Dieses Gemisch aus neutralen, positiv und negativ geladenen Partikeln bezeichnet man als Plasma.
  8. Trage für einen CO2-Laser die Schweißtiefe über der Laserintensität auf und erkläre den Verlauf!
    Ordne den Bereichen auch Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen zu!
    • unter 10^6 W/cm^2 ist der Bereich des Wärmeleitungsschweißens, da die Schweißtiefe nur von der Wärmeleitung abhängig
    • Überschreitet Laserintensität einen bestimmten Schwellenwert, so steigt Schweißtiefe stark an. Bei dieser Laserintensität - der sogenannten Plasmaschwelle -beginnt das Material zu verdampfen und die Plasma- oder Dampfkapillare bildet sich im Werkstück aus. Dies ist der Bereich des Tiefschweißens.
  9. Nenne 5 Charakteristika des Wärmeleitschweißens!
    • vergleichsweise geringe Vorschubgeschwindigkeit
    • hohe Streckenenergie
    • halbkreisförmiger Nahtquerschnitt mit Nahtbreite ≈ 2 x Nahttiefe
    • Nahtoberraupe und Wurzel sehr gleichmäßig
    • Verbindungsschweißen nur für Werkstoffe mit niedrigschmelzender Oxidhaut möglich
  10. Nenne die Teilprozesse des Tiefschweißens (5)!
    • Absorption der Laserstrahlung
    • Wärmeleitung im Werkstück
    • Hydrodynamik in der Schmelze
    • Verdampfung von der Kapillaroberfläche
    • Gasdynamik in der Kapillare
  11. Nenne 4 Charakteristika des Tiefschweißens!
    • hohe Vorschubgeschwindigkeit
    • geringe Streckenenergie => geringer Bauteilverzug
    • großes Nahttiefe-zu-Nahtbreite-Verhältnis
    • Nahtoberraupe und -wurzel sehr gleichmäßig
  12. Was sind die Funktionen der Kapillare (4)?
    • Hohe Absorption durch Mehrfachreflexion
    • Gleichmäßige Erwährmung der Naht über gesamte Blechdicke
    • Entlüftungskanal für Abgase, Vermeidung/ Verminderung der Porenbildung
    • Wechselwirkungsprozesse liefern Signale zur Prozessüberwachung
  13. Wodurch kann die Eindringtiefe der Laserstrahlung beim Tiefschweißen in erster Näherung abgeschätzt werden?
    Rayleigh-Länge
  14. Was muss für die Plasmabildung vorhanden sein?
    Ausreichend hohe Metalldampfdichte
  15. Wodurch erfolgt Abgabe der im Plasma gespeicherten Energie?
    Abgabe der im ionisierten Metalldampf absorbierten Energie erfolgt durch Rekombination von Ionen an der Kapillarwand
  16. Trage in einem Intensitäts-Leistungs-Diagramm die kritische Intensität IB der Plasmabildung auf!
    Wie kommt es zu diesem Verlauf?
    • Mit abnehmender Laserleistung sind höhere Intensitäten erforderlich, um photon-induziertes Plasma zu erzeugen, da Wärmeleitungsverluste im Werkstoff und in der Umgebungsatmosphäre mit abnehmendem Fokusradius ansteigen
  17. Was kann man durch eine Intensitätserhöhung der Laserstrahlung erreichen und was ist dabei zu beachten?
    • Erhöhung der Schweißtiefe
    • ABER:
    • mit zunehmender Laserintensität wird Plasma oberhalb des Werkstückes so stark aufgeheizt, dass es beginnt, das Werkstück gegen einfallende Laserstrahlung abzuschirmen
    • => Plasmaabschirmung
  18. Trage die Schweißtiefe über der Laserintensität auf und erkläre den Verlauf!
    • Wärmeleitungsschweißens (W<106 W/cm2)
    • Tiefschweißen in schmalem Fenster zwischen zwei Grenzintensitäten (Plasmabildung und Plasmaabschirmung)
    • Zunahme der Einschweißtiefe mit Laserintensität

  19. Nenne die 5 Hauptgruppen der Parameter, die Einfluss auf das Laserstrahlschweißen nehmen!
    • Laserstrahlparameter
    • Prozessmedium
    • Umgebung
    • Werkstückparameter
    • Handhabungsparameter
  20. Was wird durch die Parameter beim Laserschweißen alles bestimmt?
    • Art der Schweißung (Wärmeleitungs- und Tiefschweißen)
    • Ausbildung der Dampfkapillare
    • Schweißtiefe
    • mechanisch-technologische Eigenschaften (Zugfestigkeit, Härte u.a.) der Schweißnaht
  21. Stelle den Verläufe der Schweißtiefe über der Intensität von einem CO2-Laser und einem Nd:YAG-Laser gegenüber!
    Worin unterscheiden sie sich?
    • CO2
    • Nd:YAG
    • Intensitätsschwelle zur Bildung der Dampfkapillare liegt wegen der geringeren Absorption für CO2-Laserstrahlung etwa um den Faktor 2 bis 3 über den Werten für Nd:YAG Laserstrahlung.
  22. Was ist der Humping-Effekt?
    Beschreibe auch Skizze!
    • Aufwerfen der Nahtraupe in Form von Tropfen
    • sowohl an Nahtoberraupe als auch an Nahtunterraupe in Form von Nahtdurchhängen
    • stellt die Abkoppelung einer Schmelzanhäufung am Schmelzbadende dar
    • Ausbildung der Humping-Tropfen erfolgt nahezu periodisch
  23. Nenne Ursachen für den Humping-Effekt (4)!
    • Instabilitäten der Strahlkapillare und deren Auswirkungen auf die kapillarnahe Schmelzbaddynamik
    • hohe Schmelzströmungsgeschwindigkeiten aufgrund lokaler Einschnürungen der Schmelzströmung im Bereich der Strahlkapillare
    • ausgeprägte Aufwärtsströmungen der Schmelze
    • Druckstörungen in Schmelzströmung durch geringfügige Veränderungen der Schmelzberandung, die sich aufgrund des flachen Schmelznachlaufs hinter der Strahlkapillare verstärkt fortpflanzen und zu Instabilitäten des Schmelzbades führen
  24. Trage die Laserleistung über der Schweißgeschwindigkeit auf und markiere in diesem Diagramm Bereiche mit bestimmten Fehlerbildern!
  25. Nenne 6 unterschiedliche Nahttypen!
    • Bördelnaht
    • I-Naht
    • Kehlnaht
    • Überlappnaht
    • Axialrundnaht
    • Radialrundnaht
  26. Welche Strahlquellen kommen für welche Aufgaben zum Einsatz?
    • Hauptsächlich CO2-Laser und Nd:YAG-Laser
    • Diodenläser nur Wärmeleitschweißen
  27. Nenne Vor- (2) und Nachteile (2) eines Nd:YAG-Lasers gegenüber eines CO2-Laser!
    • Vorteile eines Nd:YAG-Lasers:
    • kürzere Wellenlänge => bessere Energie-Einkopplung in Werkstoff
    • Strahlführung über Lichtleiter möglich
    • Nachteile eines Nd:YAG-Lasers:
    • geringere Laserleistung als CO2-Laser
    • höhere Anschaffungskosten
  28. Beschreibe eine Prinzipskizze des Laserstrahlschweißens dünnwandiger Rohre!
  29. Hier sieht man Versagensmuster von geglühten und ungeglühten laserstrahlgeschweißen Rohre. Wie kommt unterschiedliches Versagensmuster zustande?
    ungeglüht ist Schweißnaht so hart, dass sie sich nicht dehnt => Riss rechts und links der Naht
  30. Was muss beim Überlappschweißen von zinkbeschichteten Blechen beachtet werden?
    Auch Skizze!
    • Spalt zw. beiden Blechen, damit schlagartig verdampfendes Zink abfließen kann
    • Zink würde sonst Schweißbad zerstören
  31. Was sind Tailored Blanks?
    • durch Laserstrahlschweißen aus mehreren Einzelblechen zusammengefügt
    • Diese einzelnen Bleche können unterschiedliche Stahlsorten, Oberflächenbeschichtungen und Dicken aufweise
    • Tailored Blanks bieten dem Konstrukteur neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Bauteilen.
  32. Was ist Hybridschweißen?
    Auch Skizze!
    Warum das Ganze?
    • zwei Schweißverfahren, z. B. Laserstrahlschweißen und Lichtbogenschweißen, in einer Prozesszone kombiniert
    • Kombination kann Überbrückung von Spalten ermöglichen, da WEZ von anderen nicht-Laser-Verfahren größer ist
    • bessere Nahtoberflächenstruktur
    • beanspruchungsgerechte Metallurgie des Schweißgutes erreicht
  33. Was ist Stanz-Laser-Paketieren?
    • Stanzen und gleichzeitiges Verschweißen von Einzelblechen zu Paketen im Stanzautomat innerhalb der Stanzfolge eines Werkzeuges
    • bei einer definierten Winkelstellung ein pulsförmiges Signal an Laser-Einrichtung weitergeleitet und dadurch ein pulsförmiger Laserstrahl ausgelöst
  34. Mit welchen wichtigen Stoffen ist Eisen nur bedingt bzw. schlecht verschweißbar?
    • Kupfer bedingt
    • Aluminium schlecht
  35. Welches Problem gibt es bzgl. harter Zonen im Werkstoff?
    Durch welchen Faktor wird dieses Problem abgeschätzt und was muss unternommen werden?
    • Problem: Sehr harte Bereiche können in WEZ beim Schweißen von Stählen mit hohen C-Gehälten und hohen Legierungselementanteilen entstehen
    • Lösung: Vorwärmen des Bereiches neben Schweißnaht
    • Faktor: Kohlenstoffäquivalent Ce =x%C + x%Mn + ... => wenn über 0.2% => vorwärmen
  36. Welche Problematik besteht beim Verschweißen von Stahl und Kupfer?
    Wie wird das umgangen?
    • Kupfer hochreflektiv
    • Laserstrahl auf Stahlkomponente gerichter und Wärme über Wärmeleitung in Kupfer
  37. Welche Stoffe werden mit Diodenlaser geschweißt?
    Inwiefern wird Stoff darauf verbereitet?
    • Kunststoff
    • Pigmentierung der Kunststoffe ist dabei sogewählt, dass die Laserstrahlung das Material z.B. eines Tastenfeldes nahezu ungehindert durchdringt, und erst im Material des darunterliegenden Gehäuses absorbiert wird
  38. Welche beiden Lötarten werden unterschieden?
    Quantifiziere den entsprechenden Parameter je nach Art!
    • Weichlöten: T<230°
    • Hartlöten: T>800°
  39. Welche Probleme gibt es beim Löten mit den konventionellen Verfahren (4)?
    • Überhitzung benachbarter Teile
    • Mechanische Spannungen
    • Rissgefahr durch zu hohe Temperaturen
    • hohe Toleranzen wegen mechanisch hoher Toleranzen
  40. Welche Vorteile bietet das Laserstrahllöten gegenüber den konventionellen Verfahren (3)?
    • Wärmezufuhr an Bedarf einzelner Lötstellen anpassbar
    • hohe Lötqualität
    • temperaturempfindliche Bauteile können gelötet werden
  41. Nenne die Phasen des Laserstrahllötens!
    • Laserstrahl erwärmt Lötstelle
    • Laserstrahl erwärmt zugeführtes Lot mit Flussmittel
    • Fertig ausgebildete Lötstelle
  42. Wie kann man die beim Laserstrahllöten reflektierte Strahlung nutzen?
    als Messsignale zur Prozessüberwachung während des Laserstrahlprozesses genutzt
  43. Was sollte man beim Löten neben der Reflektion noch messen?
    Temperatur als wichtigster zu messender Parameter
  44. Woraus setzt sich das Lötzinn zusammen?
    • Zinn/ Blei
    • Flussmittel
    • Oberflächenreiniger
  45. Beschreibe Prinzipskizze des Laserstrahllötens mit Peripheriegeräten!
  46. Nenne die Hauptgruppen der den Laserlötprozess beeinflussenden Parameter (4)!
    • Laser-Parameter
    • Thermophysikalische Eigenschaften
    • Prozessparameter
    • Äußere Einflüsse
  47. Nenne thermophysikalische Eigenschaften (5)!
    • Absorption
    • Leitfähigkeit
    • Wärmekapazität
    • Dichte
    • Schmelztemperatur
  48. Nenne Prozessparameter beim Laserstrahllöten (6)!
    • Flussmittel
    • Fokussierung
    • Atmosphäre
    • Kontaktbereich
    • Kontaktkraft
    • Strahlbewegung
  49. Nenne wichtige äußere Einflüsse (2)!
    • Oberflächenrauhigkeit
    • Kontamination der Oberflächen
  50. Nenne einen wesenstlichen Vorteil des Laserstrahllötens gegenüber dem Löten mittels Kolben!
    kleinkörnigeres Gefüge, da WEZ kleiner => besseres Abfließen der Wärme

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