Laserschweißen verstehen: Wie ein Laserschweißgerät funktioniert

Ein Laser ist ein gebündelter Lichtenergiestrahl, der bei einer spezifischen Wellenlänge erzeugt wird. In der Natur existiert Licht über ein Spektrum von Wellenlängen, das von sehr kurz (Röntgen- und Gammastrahlung) bis sehr lang (Radiowellen) reicht. Menschen können nur sichtbares oder „weißes Licht“ im Wellenlängenbereich von etwa 430–690 Nanometern (nm) wahrnehmen. Ein Laserstrahl ist eine verstärkte Konzentration von Lichtenergie bei einer spezifischen Wellenlänge. Es handelt sich um kohärentes Licht, das eine Fokussierung auf einen engen Punkt und einen schmalen Strahl über große Entfernungen ermöglicht. Das Wort Laser ist ein Akronym für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung).

Funktionsprinzip eines Laserschweißgeräts

Ein Laserstrahl wird im Inneren eines Rubinkristalls erzeugt. Der Rubinkristall besteht aus Aluminiumoxid, in dem Chrom dispergiert ist, was etwa 1/2000 des Kristalls ausmacht – weniger als bei natürlichem Rubin. Auf beiden Seiten des Kristalls sind silberbeschichtete Spiegel eingebaut. Einer der Spiegel hat ein winziges Loch, durch das der Strahl austritt.

Um den Rubinkristall herum ist eine Blitzlampe angebracht, die mit Xenon-Inertgas gefüllt ist. Der Blitz ist speziell darauf ausgelegt, eine Blitzrate von einigen tausend Blitzen pro Sekunde zu erzeugen.

Die elektrische Energie wird durch die Blitzlampe in Lichtenergie umgewandelt.

Ein Kondensator dient zur Speicherung der elektrischen Energie und liefert die Hochspannung an die Blitzlampe für deren ordnungsgemäßen Betrieb.

Die aus dem Kondensator entladene elektrische Energie und das Xenon wandeln die Hochenergie in weißes Blitzlicht mit einer Rate von 1/1000 pro Sekunde um.

Die Chromatome des Rubinkristalls werden angeregt und in einen hohen Energiezustand gepumpt. Durch die Wärmeentwicklung geht ein Teil dieser Energie verloren. Ein Teil der Lichtenergie wird jedoch Spiegel für Spiegel reflektiert und regt die Chromatome erneut an, bis diese ihre zusätzliche Energie gleichzeitig verlieren und einen schmalen Strahl kohärenten Lichts bilden. Dieser tritt durch das winzige Loch am Ende des Kristallspiegels aus.

Dieser schmale Strahl wird durch eine optische Fokussierlinse gebündelt, um einen kleinen, intensiven Laserstrahl auf dem Werkstück zu erzeugen.

Änderung des Laserstrahls bei der Wechselwirkung mit Material

Die Laserenergieabsorption eines Materials variiert je nach einer Reihe von Faktoren wie Wellenlänge, Materialdicke, Kristallstruktur, Materialzusatzstoffe, Molekularstruktur und mehr. Der Prozess nutzt diese Materialeigenschaften und den Laser, um eine Verbindung zwischen zwei Kunststoffmaterialien herzustellen – eines, das die Laserenergie durchlässt, und eines, das sie absorbiert.

Wenn ein Laserstrahl auf ein Material wie Kunststoff trifft, wird er je nach Wellenlänge und Zusammensetzung des Materials entweder transmittiert, reflektiert oder absorbiert. Die meisten Materialien weisen alle drei Effekte in unterschiedlichen Anteilen auf. Ein Material kann für sichtbares Licht optisch klar und für Infrarotlaser stark absorbierend sein, oder für unsere Augen undurchsichtig, aber für Infrarotlaser transparent.

Mechanik des Laserschweißens

Laserschweißen ist ein Prozess, der die Verschmelzung von Materialien durch die Wärme erzeugt, die durch die Anwendung eines konzentrierten, kohärenten Lichtstrahls auf die zu verbindenden Oberflächen entsteht.

Dies wird in folgenden Phasen erreicht:

1. Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstückmaterial.
2. Wärmeleitung und Temperaturanstieg.
3. Schmelzen, Verdampfen und Verbinden: Beim Schweißen mit dem Laserstrahl trifft die elektromagnetische Strahlung mit einer so hohen Energiedichte auf die Oberfläche des Grundmetalls, dass die Oberflächentemperatur so weit ansteigt, dass das Metall verdampft und das darunter liegende Metall schmilzt.