Laserschweißen

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Laserschweißen ist ein präzises Verfahren, das Laserstrahlen nutzt, um Materialien gezielt zu erhitzen und zu verschmelzen. Es minimiert Materialverzug und liefert hohe Nahtqualität, ideal für die Metallverarbeitung, besonders in der Automobilindustrie für strukturelle und sichtbare Verbindungen ohne wesentliche Nacharbeit. Die Technik ermöglicht schnelle, feste Verbindungen und ist effektiv bei verschiedenen Materialien wie Edelstahl und Aluminium. Ihre Effizienz wird durch hohe Schweißgeschwindigkeiten unterstrichen, was die Wirtschaftlichkeit erhöht.
Synonym(e): Laserstrahlschweißen, Laserdurchstrahlschweißen



Laserschweißen mit Roboter
Laserschweißen mit Roboter

Die Komponenten einer Laserschweißanlage bzw. einer Laserschweißmaschine sind:

Laserquelle (Laserleistung)
Laserstrahlquellen lassen sich in zwei Gruppen zusammenfassen:


Bewegungseinheit
Das Bewegungssystem bewegt entweder den Laserstrahl über das Werkstück oder das Werkstück unter dem Laserstrahl.
Führungssystem
Zur Führung des Laserstrahls wird zumeist ein optisches System eingesetzt. Bei Festkörperlasern wird das Laserlicht über ein Lichtleitkabel (LLK) von der Laserquelle bis zur Fokussieroptik transportiert.

Gaslaser, etwa ein CO2-Laser, werden mit Spiegelsystemen, z. B. rotierenden Facettenspiegeln oder kippbaren Ablenkspiegeln, über das Werkstück bewegt.

Fokussieroptik
Zur Bündelung den Laserstrahl in einem Fokus und erzeugt so die für den Bearbeitungsprozess erforderliche Spotgröße und Intensität.

Verfahren

Wie funktioniert das Laserschweißen?

Beim Laserschweißen dient ein Laser als Energiequelle. Ein Laser ist im Grunde ein hoch konzentrierter Lichtstrahl einer definierten Wellenlänge. Dies macht ihn zu einem sehr effektiven Werkzeug für Aufgaben wie Schneiden, Schweißen, Oberflächenbehandlung, Ablation (Abtragen der Oberflächenschicht) usw.

Laserstrahlen werden mithilfe von Gasen oder Kristallen erzeugt und durch eine Fokussieroptik (Linsensystem) auf den Brennfleck gebündelt. Das heißt, sie werden wie mit einem Brennglas auf eine Fläche mit einem Durchmesser < 1 mm auf der Werkstoffoberfläche fokussiert.

Die konzentrierte Energie führt zu einem Dampfkanal, der die Schmelze in der Schweißzone vorantreibt und Plasmabildung initiiert, während Schutzgas die Bauteile vor Oxidation schützt. Diese Energieerzeugung bildet eine Dampfkapillare, die tief in die Bauteile eindringt, die Schmelze effektiv umformt und so eine beträchtliche Einschweißtiefe erreicht. Durch das Zusammenspiel von Schmelze, Schutzgas und präziser Energieanwendung beim Laserschweißen wird die Bildung der Dampfkapillare optimiert, was die Integrität und Qualität der Schweißverbindungen zwischen den Bauteilen verbessert.

Varianten

Das Wärmeleitschweißen wird im Dünnblechbereich eingesetzt. Es erfolgt kein Durchschweißen des Werkstoffes. Die Einschweißung ist flach.

Mit dem Tiefschweißverfahren lassen sich sehr schlanke, jedoch tief ausgebildete Nähte erzeugen. Der Werkstoff wird an der Schweißstelle aufgeschmolzen, ein Teil davon verdampft. Durch die Erwärmung und Schmelzung des Werkstücks erhöht sich der Absorptionsgrad für den Laser. Die Energie des Laserstrahles kann nun vollständig eingebracht werden und kann fast vollumfänglich für den Schweißprozess genutzt werden.

Anwendungsbereiche

Die Lasertechnologie eignet sich für

  • Schweißen ohne Zusatzwerkstoff
  • Schweißen mit Zusatzwerkstoff
  • Remote-Schweißen
  • Auftragsschweißen

Schweißen ohne Zusatzwerkstoff

Beim Stumpfstoßschweißen werden die zu schweißenden Stücke mit Druck aneinandergepresst. Der Laserstrahl schmilzt die Materialkanten auf und bildet die Naht.

Bei einer Überlappverbindung liegen die Fügeteile übereinander und der Laserstrahl schmilzt beide Materialien, wobei er diese miteinander verbindet. Dabei können bei kleinen Aufschmelzzonen und geringem Energieeintrag Schweißnahtfestigkeiten in der Größenordnung der Grundmaterialfestigkeit erreicht werden.

Diese Methode wird vorwiegend bei Dünnblechen benutzt, hauptsächlich in der Automobilindustrie, findet aber auch bei Kunststoffen Anwendung.

Schweißen mit Zusatzwerkstoff

Beim Schweißen mit Zusatzwerkstoffen wird das Material in der Regel als Draht in die Schweißzone eingebracht. Dies führt zu qualitativ hochwertigen Nähten, indem durch das Zusatzmaterial eine Legierung hinzugefügt wird. Eine spezielle Variante, das sogenannte Hybridschweißen, kombiniert die Vorteile des Laserschweißens mit denen des MSG-Schweißens, indem es die Effizienz des Laserstrahls mit der des MSG-Verfahrens verbindet.

Remote-Schweißen

Der Schweißkopf kann den Werkstoff in einer Entfernung von 30 cm bis 2,5 m schweißen. Der Kopf schweißt alle Schweißnähte in seiner Reichweite, dann wird er an eine neue Stelle versetzt. Durch die Bewegung von Scannern (bewegte Spiegel) schweißt die Laseroptik alle Schweißnähte in ihrem Arbeitsbereich.

Diese Methode ist schneller und universeller als die Benutzung der Schweißzange mit Armen und Elektroden, die nur für das konkrete Schweißstück bestimmt sind, und daher eine ansprechende Alternative für das Punktschweißen. Auch der geringe Elektrodenverbrauch und der Wegfall der Arm- und Zangenwartung sprechen für das Remote-Schweißen mit Laser.

Auftragsschweißen

Durch das Laserauftragsschweißen lassen sich die Oberflächeneigenschaften von Materialien verändern. Es kann weniger standfestes Grundmaterial genutzt werden, der auftragsgeschweißte Teil ist fester, härter und widerstandsfähiger.

Laserauftragsschweißen vermeidet Spannungen und Verformungen und vermindert die thermische Beeinflussung des Grundwerkstoffes. Typischer Einsatzbereich ist etwa die Reparatur von Antriebswelle und Pressewerkzeugen. Einsatz findet das Verfahren auch bei 3D Druckern.

Vorteile

Laserschweißen ist bis zu 8x schneller als herkömmliches WIG-Schweißen ( Schutzgasschweißen). Durch den geringen Energieeintrag in das Werkstück tritt kein oder nur ein geringer thermischer Verzug auf.

Durch die hohe Leistungsdichte wird die Wärme in einer sehr kurzen Zeit ins Material abgegeben, was zu einer hohen Schweißgeschwindigkeit und einer geringen Wärmeausbreitung im Material führt. Damit ist das Verfahren auch in der Nähe von thermoempfindlichem Material (Glas, Kunststoffe etc.) einsetzbar.

Tiefschweißnähte können an Werkstoffen bis zu einer Dicke von 25 mm hergestellt werden. Es können örtlich schwer zugängliche Stellen geschweißt werden, die mit anderen Schweißverfahren nicht erreichbar sind.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen der Vorschubgeschwindigkeit und der Schweißgeschwindigkeit beim Laserschweißen?

Entwicklungstrends

Immer häufiger werden Roboter zum Laserschweißen eingesetzt. Das beeinflusst auch die Wahl der Laserstrahlquelle. Da sich der Laser einfach über ein Lichtleitkabel (LLK) zum Prozessort transportieren lässt, werden immer mehr Festkörperlaser in Verbindung mit einer Roboterapplikation eingesetzt. Aufgrund der hohen Energieeffizienz und der sehr hohen Strahlenqualität geht der Trend daher zum Faserlaser oder Diodenlaser (mittlere Strahlenqualität).

Angrenzende Themen: Schweißnaht, Dampfkanal

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