Laserschweißen

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Das Laserstrahlschweißen (EN ISO 4063: Prozess 52) ist ein Schweißverfahren. Die Energiezuführung erfolgt über einen Laser. Es wird vor allem zum Verschweißen von Bauteilen eingesetzt, die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug gefügt werden müssen. Das häufig auch Laserschweißen genannte Verfahren wird in der Regel ohne einen Zusatzwerkstoff ausgeführt.

Verfahrensbeschreibung[Bearbeiten]

Die Laserstrahlung wird mittels einer Optik fokussiert. Die Werkstückoberfläche der Stoßkante, also der Fügestoß der zu verschweißenden Bauteile, befindet sich in der unmittelbaren Nähe des Fokus der Optik (im Brennfleck). Die Lage des Fokus relativ zur Werkstückoberfläche (oberhalb oder unterhalb) ist ein wichtiger Schweißparameter und legt auch die Einschweißtiefe fest. Der Brennfleck besitzt typische Durchmesser von einigen Zehntel Millimetern, wodurch sehr hohe Energiekonzentrationen entstehen, wenn der eingesetzte Laser die typischen Leistungen von einigen Kilowatt Laserleistung besitzt. Durch Absorption der Laserleistung erfolgt auf der Werkstückoberfläche ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über die Schmelztemperatur von Metall hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht wird diese je nach Werkstoff sehr hart und verliert in der Regel an Zähigkeit.[1] Um die Schweißstelle vor Oxidation zu schützen, wird sie ständig mit hochreinem Argon umspült (1 l/min), welches schwerer als Luft ist und somit Sauerstoff verdrängt. Die Reinheit des Argon Gas sollte mind. „4.6“ (99,996 %) betragen.

Lasertiefschweißen[Bearbeiten]

Lasertiefschweißprozess

Bei hohen Strahlintensitäten im Fokus (wie bei Stahlwerkstoffen ca. 4 MW/cm² abhängig von der Verfahrgeschwindigkeit; bei einer Geschwindigkeit von 1 m/min reichen unter Umständen auch etwa 2 MW/cm²) bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare (mit Metalldampf oder teilionisiertem Metalldampf gefüllter, schlauchförmiger Hohlraum, auch keyhole genannt) in der Tiefe des Werkstückes aus. Der Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, die Schmelzzone kann tiefer als breit sein. Die Dampfkapillare erhöht aufgrund von Mehrfachreflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material, wodurch ein gegenüber dem Wärmeleitungsschweißen vergrößertes Schmelzvolumen erzeugt werden kann. Über entsprechende Optiken kann die Qualität der Schweißung online durch Begutachtung des Keyholes bestimmt werden.

Wärmeleitungsschweißen[Bearbeiten]

Werden Strahlungsintensitäten bis 100 kW/cm² verwendet, liegt in der Regel Wärmeleitschweißen vor. Da Metalle für Laserstrahlen, abhängig von der eingestrahlten Wellenlänge, eine Reflektivität von bis zu 95 % besitzen können, reicht die Intensität nicht aus, um eine Dampfkapillare (keyhole) zu erzeugen. Die Strahlung dringt nicht ein, die Wärme und somit das Schmelzbad dringen weniger tief ein, daher werden hiermit hauptsächlich geringe Materialdicken geschweißt.

Ersatz für das Widerstandspunktschweißen[Bearbeiten]

Eine neue Methode des Laserschweißens kann das Widerstandspunktschweißen teilweise ersetzten. Dabei wird keine durchgängige Bahn geschweißt, sondern nur einzelne klammerförmige Schweißlinien. Diese können der Belastung des Bauteils angepasst werden und sind stabiler als herkömmliche widerstandgeschweißte Punkte.

Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißen[Bearbeiten]

Der Laserstrahl-MSG-Hybrid-Prozess ist die Kombination eines Laserstrahls mit einem MSG-Schweißprozess in einer gemeinsamen Prozesszone. Dabei werden die Vorteile beider Verfahren genutzt. Es werden enorm tiefe Einbrände mit einer guten Flankenbindung erzielt. Dabei bildet sich eine sehr schmale Wärmeeinflusszone mit weniger Verzug und das ausströmende Metallplasma stabilisiert den MSG-Lichtbogen zusätzlich. Der Prozess erlaubt sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten, was zu geringerer Streckenenergie führt. Der Hauptgrund für hohe Wirtschaftlichkeit liegt in der Reduzierung in der Schweißnahtvorbereitung. Es können ganze Arbeitsschritte entfallen. Auch die Anzahl der Schweißraupen kann reduziert werden. Durch die Kombination der beiden Prozesse sind eine Vielzahl zusätzlicher Parameter einstellbar und so der Prozess ideal an die Aufgabe anpassbar.[2]

Laserdurchstrahlschweißen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Laserdurchstrahlschweißen

Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen findet meist im Überlappverfahren statt. Dabei werden zwei unterschiedliche Schweißpartner verwendet. Der obere ist für die verwendete Laserwellenlänge transparent. Durch diesen strahlt der Laser nahezu ungehindert hindurch. Aufgrund der Transparenz erhitzt er sich kaum. Der untere Schweißpartner muss die Strahlung absorbieren. Dazu kann zum Beispiel eine Beigabe von absorbierenden Partikeln (ca. 0,3 Gew.-% Ruß) beitragen. Dieser Stoff nimmt die Energie auf, beginnt zu schmelzen und gibt dabei die entstandene Wärme durch Wärmeleitung auch an den oberen Partner weiter. Damit der Energieübergang und ein Materialkontakt stattfindet, müssen beide Partner oft zusammengepresst werden, zumindest jedoch passgenau zueinander sein. Durch das Zusammenfließen der beiden Stoffe kann so eine Schweißnaht hergestellt werden. Die Schweißenergie ist so zu wählen, dass der Laser das Werkstück nur zu etwa 60 % durchdringt. Wird dann von beiden Seiten gelasert, ist eine völlige Durchschweißung gewährleistet. Zu hohe Leistungen sollten vermieden werden, da sie zu Schädigungen des Metalls führen können.

Häufig werden hierfür effiziente Diodenlaser eingesetzt, diese weisen bei den erforderlichen kleinen Leistungen (5–150 Watt) eine für dieses Schweißverfahren ausreichende Strahlqualität auf.

Laserschweißen von Kunststoffen[Bearbeiten]

Laserkunststoffschweißprozeß

Beim Laserschweißen von Kunststoffen können ausschließlich Thermoplaste verwendet werden – nur diese können eine Schmelze bilden.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

Ein großer Vorteil lasergeschweißter Bauteile ist der durch den im Vergleich zu anderen Schweißverfahren geringere, konzentrierte Energieeintrag in das Werkstück. Die Folge ist unter anderem ein geringerer thermisch bedingter Verzug. Daher wird dieses Schweißverfahren oftmals zum Fügen von Komponenten zu Fertigbauteilen eingesetzt (z. B. Gangrad und Synchronkörper → Getrieberad).

Damit wird oft auch der Nachteil der geringen Strahlungs-Absorption beim Wärmeleitschweißen von Metallen aufgewogen.

Ein weiterer Vorteil ist die große Arbeitsentfernung (Schweißen bis etwa 500 mm Abstand oder an schwer zugänglichen Stellen) und die freie Wahl der Umgebungsatmosphäre.

Besonderheit des Laserschweißens ist, dass sämtliche Nahtgeometrien hergestellt werden können (Stumpfnähte, Überlappnähte oder Kehlnähte). Große Spaltbreiten können jedoch nicht überbrückt werden, dann kommen eventuell Zusatzwerkstoffe zum Einsatz. Nachteil sind die hohen Anlagenkosten.

Ausrüstung[Bearbeiten]

Ein Industrieroboter für das Laserstrahlschweißen in Aktion

Eine Laserschweißanlage besteht in der Regel aus dem Laser, einer Bewegungseinheit und einem optischen System zur Führung des Laserstrahles, an dessen Ende die Bearbeitungs- und Fokussier-Optik sitzt. Das Bewegungssystem bewegt entweder den Laserstrahl über das Werkstück oder das Werkstück unter dem Laserstrahl. Seltener sind Bauformen, wo sowohl das Werkstück als auch der Laserstrahl bewegt werden. Der Laserstrahl kann auch nach der Fokussierung mit einem Spiegelscanner über das Werkstück bewegt werden. Scannersysteme bestehen aus einer Kombination von rotierenden Facettenspiegeln oder verkippbaren Ablenkspiegeln (siehe Galvanometer), die den Laserstrahl über die einstellbaren Winkel der Spiegel an unterschiedliche Orte reflektieren können. Der Vorteil liegt hauptsächlich in der sehr hohen möglichen Geschwindigkeit der Positionierung des Laserstrahles. Diese Technik setzt voraus, dass der Laser einen Laserstrahl sehr hoher Strahlqualität bei vergleichsweise hoher Laserleistung liefert (Faserlaser, Scheibenlaser, CO2-Slab-Laser o. ä.). Diese Art des Laserschweißens wird auch als Remote-Schweißen bezeichnet.

Beim Remote-Schweißen können grundsätzlich zwei unterschiedliche Lösungsansätze unterschieden werden: Die Remote-Köpfe (auch Scan-Köpfe genannt) und die Großraum-Remote-Anlagen. Während die Großraum-Anlagen ortsfest montiert werden und sehr große Arbeitsräume (> 4 m²) bearbeiten können, werden die Scanner-Köpfe i. d. R. an einer beweglichen Mechanik (Linearachse oder Roboter) montiert. Scan-Köpfe weisen nur einen kleinen Arbeitsraum (i. d. R. < 0,5 m²) auf. Durch Versetzen des Scan-Kopfes an verschiedene Positionen kann jedoch auch ein größerer Arbeitsraum erreicht werden. Finden die Bewegungen zur Positionierung und Schweißung nacheinander statt, spricht man vom Step-by-step-Schweißen, finden beide Bewegungen parallel statt, vom „Schweißen on the fly“.

Häufig verwendete Strahlquellen beim Laserschweißen von Metallen sind der Nd:YAG-Laser (Wellenlänge 1,06 µm) und der Kohlendioxidlaser (Wellenlänge ca. 10,6 µm). Neuerdings werden immer häufiger auch Diodenlaser eingesetzt, da inzwischen Halbleiterlaser im Hochleistungsbereich (einige 1000 W) hergestellt werden können. Vorteilhaft ist deren gegenüber Nd:YAG- und Kohlendioxidlasern wesentlich höherer Wirkungsgrad. Der Strahl des Nd:YAG-Lasers und des Diodenlasers ist fasergängig, d. h., er kann über einen Lichtwellenleiter oder ein Glasfaserkabel in die Laserschweißoptik geführt werden. Diese besteht aus Glaslinsen. Der CO2-Strahl hingegen kann nur durch Luft geführt werden und muss über Spiegel zur Bearbeitungsoptik geleitet werden. Diese besteht bei CO2-Lasern aus Linsen aus einkristallinem Zinkselenid oder oft auch aus einem Fokussierspiegel (meist aus Kupfer).

Literatur[Bearbeiten]

  • U. Dilthey (Hrsg.): Laserstrahlschweißen – Prozesse, Werkstoffe, Fertigung, Prüfung. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-906-7.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Laserschweißen. technolix.net, 8. Juli 2007, archiviert vom Original am 15. Januar 2008, abgerufen am 8. Juli 2007.
  2. Simon Olschok: Laserstrahl-Lichtbogen Hybridschweißen von Stahl im Dickblechbereich. In: U. Dilthey (Hrsg.): Aachener Berichte Fügetechnik. Shaker Verlag, 2008, S. 20 f.