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Laserschweißen von Keramik

Verfahren

Mit Hilfe der am Laserapplikationszentrum Mittweida entwickelten Laserzweistrahlmethode kann Keramik (Aluminiumoxid) mit hoher Verbundfestigkeit geschweißt werden. Für die zum Schweißen notwendige Vorheizung der Keramik entwickelten Wissenschaftler unter

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Abb.1: Prinzipieller Aufbau

Leitung von Institutsdirektor Herrn Prof. Dr.- Ing. H. Exner ein Verfahren, bei dem die Vorwärmung der Keramik über einen zweiten CO2- Laserstrahl realisiert wird. Dieser wurde anfangs defokussiert, später über zwei Scannerspiegel abgelenkt (Abbildung) und erzeugt auf der Oberfläche des Materials eine Wärmequelle, die über Wärmetransportvorgänge in das Volumen eindringt.

Einige Sekunden später kann der zweite Laserstrahl über die Erzeugung einer Schmelzphase in Kombination mit einer Relativbewegung das Verbinden der Teile bewirken, ohne dass während des Verfahrens oder der Abkühlphase Risse entstehen. Erstmalig kommt hier zum Schweißen ein kontinuierlich strahlender Nd: YAG Festkörperlaser zum Einsatz, dessen Strahlung über eine Lichtleitfaser zum Bearbeitungsort geführt wird. Die Wellenlänge des Nd: YAG- Laserstrahles wird bei den gegebenen Vorheiztemperaturen in einer Tiefe von ca. 0,7 mm absorbiert. Diese Tatsache ist für das Schmelz- und Erstarrungsverhalten der Keramik innerhalb der Schweißzone von großer Bedeutung. Durch dieses Verfahren kann der gesamte Schweißprozeß in Abhängigkeit von der Schweißnahtlänge auf wenige Minuten minimiert werden.

Folgende Vorteile bietet diese direkte Vorheiztechnologie:

  • sie dauert nur wenige Sekunden
  • sie ist räumlich exakt steuerbar
  • sie ist zeitlich exakt steuerbar
  • sie lässt sich jeder Fügegeometrie und Materialgröße anpassen
  • es lassen sich genau definierte Temperaturgradienten einstellen sowie Auf­heiz- und Abkühlzyklen entwickeln, die auch das Schweißen größerer Bauteile energiearm ermöglichen
  • es lassen sich variierende Stoffeigenschaften bei unterschiedlichen Materialkombinationen kompensieren.

Das LaserInstitut Mittelsachsen e.V. befasst sich mit Untersuchungen zum Laserstrahlschweißen von vorrangig Aluminiumoxidkeramik unterschiedlicher Reinheit. Das Verfahren wird an freier Atmosphäre und ohne Zusatzstoffe durchgeführt. Die Verbindungen werden an keramischen Platten im Stumpfstoß erzeugt. Die materialbedingt beschränkte Wärmeleitfähigkeit der Keramik setzt dem Verfahren jedoch Grenzen in der maximal schweißbaren Materialstärke, die bei Al2O3 bei 2mm liegt.

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Erstellt: 07.02.2012 15:48:25 | Letzte Änderung: 25.09.2001 11:23:55 | Autor: Anne-Maria Nagel
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