Laserschweißen

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Laserschweißen (auch Laserstrahlschweißen) ist ein Schweißverfahren, bei dem das Bauteil lokal über Laserlicht erwärmt und geschmolzen wird. Laserschweißen wird in der metallverarbeitenden Industrie vielfältig eingesetzt, in der Automobilproduktion beispielsweise zum Löten von Dach und Heckklappe oder zum Schweißen von „Tailored Blanks“ vor dem Pressen. Die Qualität der Nähte ist dabei so hoch, dass das Verfahren im Sichtbereich von Bauteilen eingesetzt wird. Eine Nacharbeit ist nicht oder nur minimal notwendig. Das Schweißen mit Laser findet auch in der Bearbeitung von Edelstahl oder Aluminium statt. Die geringe und konzentrierte Wärmeeinbringung minimiert den typischen Verzug von Schweißbauteilen und die hohe Schweißgeschwindigkeit sorgt für die besondere Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Teilweise wird mit Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/min und mehr geschweißt.

Laserschweißen mit Roboter

Komponenten

Eine Laserschweißanlage besteht im Allgemeinen aus einer Laserquelle, einer Bewegungseinheit und einem optischen System zur Führung des Laserstrahles, an dessen Ende die Bearbeitungs- und Fokussier-Optik sitzt.

Laserquelle

Laserstrahlquellen lassen sich in zwei Gruppen zusammenfassen:

  • Gaslaser (CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm)
  • Festkörperlaser (Faserlaser, YAG-Scheibenlaser, mit einer Wellenlänge von etwa 1 µm; Diodenlaser, mit einem Wellenlängen-Mix von 880 bis 1040 nm)

Doch Laser ist nicht gleich Laser. Wellenlänge, Leistung und Strahlkaustik definieren bzw. begrenzen den Anwendungsbereich eines jeden Lasersystems.

Eigenschaften Laserlicht

  • gerichtet
  • monochromatisch
  • kohärent

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

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


Verfahren

Beim Laserschweißen dient ein Laser als Energiequelle. Ein Laser ist im Grunde ein hochkonzentrierter Lichtstrahl einer definierten Wellenlänge. Dies macht ihn zu einem sehr effektiven Werkzeug für Aufgaben wie Schneiden, Schweißen, Löten, 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. So entsteht an dieser Stelle eine sehr hohe Energiedichte und der Schmelzpunkt wird schnell erreicht. Der Werkstoff schmilzt oder verdampft. Zum Schutz der Schweißstelle vor Oxidation kann diese mit Schutzgas (z.B. Argon) umspült werden.


Varianten

Wärmeleitschweißen

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

Tiefschweißen

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 das Laserlicht. Die Energie des Laserstrahls 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
  • Löten
  • 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 sehr 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 Laserschweißen mit Zusatzwerkstoffen wird das Zusatzmaterial der Schweißzone in der Regel in Drahtform zugeführt. Das Ergebnis sind gute Schweißnähte, da über das Zusatzmaterial eine Legierung ergänzt wird.

Eine Variante des Laserschweißens mit Zusatzmaterial ist das sogenannte Hybridschweißen, d. h. die Kombination von Laserschweißen und MSG-Schweißen. Es verbindet die Vorteile des Laserstrahls mit denen des MSG-Schweißens.

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.

Löten

Das Laserstrahllöten erzeugt eine kontinuierliche Verbindung von zwei Dünnblechen mit einer dünnen Naht, bei der durchaus eine Spaltengröße von 0,5mm sicher überbrückt werden kann. Die Naht weist nur minimal thermisch beanspruchte Zonen auf. Sie erfüllt höchste Gestaltungs- und Festigkeitsansprüche und es gibt keinen Verzug der gelöteten Materialien. Darum wird dieser Prozess im Sichtbereich von Bauteilen eingesetzt. Beispiele dafür sind die Kofferraumhauben und Dächer bei Automobilen. Das Laserstrahllöten kann Technologien wie Kleben, Nieten usw. ersetzen.

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. Insofern eignet sich das Verfahren auch zur Wartung und Reparatur von beschädigten Komponenten.

Laserauftragsschweißen vermeidet Spannungen und Verformungen und vermindert die thermische Beeinflussung des Grundwerkstoffes. Typischer Einsatzbereich des Auftragsschweißen ist zum Beispiel die Reparatur von Antriebswellen und Pressewerkzeugen.


Vorteile des Laserschweißens

Laserschweißen ist bis zu 8x schneller als herkömmliches TIG Schweißen. 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 auch bei Materialien mit einer Dicke von bis zu 25 mm erzeugt werden. Zudem kann der Laserstrahl auch lokal schwer erreichbare Stellen schweißen, die mit anderen Schweißverfahren nicht zugänglich wären.


Entwicklungstrends

Immer häufiger werden Roboter zum Laserschweißen eingesetzt. Das beeinflusst auch die Wahl der Laserstrahlquelle. Da sich Laserlicht sehr 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 Strahlqualität geht der Trend daher zum Faserlaser oder Diodenlaser (mittlere Strahlenqualität).

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