Laserschweißen: Präzision, Effizienz und Innovation freisetzen

Jüngste Fortschritte bei erschwinglicheren und leistungsfähigeren Lasertechnologien werden mit leistungsstarken Industrierobotern kombiniert und bieten Herstellern größere Präzision und Flexibilität (über traditionelle, doch zuverlässige robotergestützte Schweißprozesse) für noch höhere Produktivität auf dem Shopfloor. Zudem werden Materialien, die einst im Industriesektor als nicht schweißbar galten, nun mühelos gefertigt, oft einzigartige Produkte schaffend und Abfall reduzierend.

Weit verbreitet als Ersatz für Punktschweißanwendungen in Luft- und Raumfahrt, Automobil und Schwerindustrie, erlebt Remote Laser Welding (RLW) – eine berührungslose Laserschweißtechnik – einen Aufwärtstrend in der Nutzung für komplexere Anwendungen in verschiedenen Branchen, besonders für Hochvolumenfertigung. Während traditionelles robotergestütztes Schweißen noch die bevorzugte Methode für viele Aufgaben ist, sind Anwendungen, die höchste Genauigkeit und Geschwindigkeit erfordern, besser für Industrieroboter mit Remote-Laserschweißköpfen geeignet. Ob Sie gerade erst anfangen, RLW kennenzulernen, oder näher an einem Roboterkauf sind – die folgenden Informationen können für Ihren Entscheidungsprozess hilfreich sein.

Warum Remote Laser Welding?

Remote Laser Welding ist „remote“, da der Laserkopf einen längeren Stand-off von 100–150 mm für den Strahl verwendet, um vom Kopf zum Fokuspunkt auf dem Teil zu gelangen. Glasfasern leiten den Laserstrahl zu einem Laserkopf-End-of-Arm-Tool – was die Flexibilität der Roboterbewegung stark erhöht, Interferenzen minimiert und kostspielige Schäden durch Kollisionen verhindert. Ein Remote-Laserschweißkopf fokussiert und führt dann einen Laserstrahl schnell mit Spiegeln, die von Galvanometer-Motoren (niedrige Trägheit, programmierbare Servomotoren) gesteuert werden.

Dies macht die Robotergenauigkeit zu einem sekundären Faktor, sodass Hersteller traditionelle Schwerlastroboter wie den SP165 oder GP180 für die Positionierung der Köpfe einsetzen können. Die Verwendung eines konventionellen Roboters wie dieses, anstatt eines Hochpräzisionsroboters wie dem MC2000 II, ist oft günstiger und spielt in eine bessere Ziel-Amortisationsperiode.

Ebenso verfügen Remote-Laserschweißköpfe über spezielle Software, die Programme ermöglicht, während der Roboter sich bewegt. Dies ist allgemein als Schweißen „on-the-fly“ bekannt. Zwar nutzen weniger Anwendungen „on-the-fly“-Konfigurationen, doch Yaskawa bietet eine Funktion, die einen Output basierend auf Roboterposition feuert und Roboterbewegung und Laserkopfbewegung jedes Mal am selben Punkt synchronisiert.

Ist RLW kosteneffektiv?

Während Laserschweißen immer noch große Kapitalausgaben für Laser, Kopf und Kühler erfordert, sinkt der Preis weiter. Um diese Art der initialen Kapitalinvestition zu rechtfertigen, ist es wichtig, den Kosten durch ausreichend Volumen entgegenzuwirken. Wenn Hochvolumenproduktion ein Anliegen ist, kann das Gespräch mit einem renommierten Roboterlieferanten über Vor- und Nachteile von robotergestütztem Laserschweißen vs. Installation eines Schweißroboters mit Punktschweißzange und Timer für Ihre spezifische Anwendung vorteilhaft sein.

Ebenso nutzt robotergestütztes Laserschweißen typischerweise YAG-Laser (eine Kombination aus Yttrium, Aluminium und Granatkristallen), die schädliches Licht haben und eine lichtdichte Einhausung erfordern. Dies fügt zusätzliche Kosten hinzu und kann für große Strukturen wie Karosserien unpraktisch sein. Um das Laserschweißen größerer Teile anzugehen, nutzen einige Laserschweißköpfe einen „Stiefel“ um den Schweißbereich, der eine lichtdichte Abdichtung bildet. Wie bei IPGs Laser Seam Stepper (LSS) lokalisiert dies die lichtdichte Einhausungsanforderung, begrenzt aber die Länge und Reichweite der Schweißnaht, was es zu einem idealen Ersatz für Punkt- oder Heftschweißnähte macht.

Ist RLW der einzige Weg zum Laserschweißen?

Der Remote-Laserschweißkopf bietet den Vorteil, den Strahl schnell über einen weiten Bereich zu bewegen und benötigt möglicherweise keine Roboterbewegung, während er mehrere Schweißnähte in einem gegebenen Bereich ausführt. Roboter können auch Teile einem stationären RLW-Kopf präsentieren, um die Last der hohen „Laser-an“-Zeit zu teilen. RLW-Köpfe können auch zur Strahlmanipulation für Nicht-Schweißanwendungen wie Ablation zur Teilereinigung verwendet werden.

Ein fester Kopf kann am Ende des Roboters montiert werden, um die Roboterbewegung den Strahl zu bewegen zu lassen. Selbst feste Köpfe können einige Strahlmanipulationen beinhalten, die den Strahl wackeln oder oszillieren lassen, um eine breitere Naht zu erzeugen, Wärme zu verteilen, mehr Fugenvariation und Ausgasung von Dämpfen zu handhaben. Kleinere Traglast, Lichtbogenschweißklassen-Roboter können mit einem Wobble-Head in einer kleineren, kostengünstigeren Zelle für Kleinteile kombiniert werden.

Was sonst noch berücksichtigt werden sollte?

Materialien

Wie erwähnt, öffnet Laserschweißen die Tür für das Schweißen von Next-Generation-Materialien. Ein solches Material, das oft gefragt wird, ist der neue ultrahochfeste Stahl in der Automobilindustrie und ob er für Laserschweißen vs. Widerstands-Punktschweißen gut geeignet ist. Aufgrund der Metallurgie von höherfestem Stahl ist er definitiv ein guter Kandidat und kann auf schnelle Erhitzungs-/Abkühlzyklen des Laserschweißens ansprechen (besser als langsameres Widerstandsheizen).

Der Einsatz von Aluminium für leichtere LKW und Automobilteile wie E-Fahrzeug-Batteriewannen wächst rasant. Als Ergebnis gewinnt der Einsatz von Laserschweißen für Letzteres an Zugkraft – da Laserschweißen mit geringem Wärmeeintrag, hoher Schweißgeschwindigkeit und großer Flexibilität Herstellern hilft, die strengen Anforderungen an den Schweißprozess für Autobatterieteile zu erfüllen.

Methoden

Vom Widerstands-Punktschweißen bis Reibschweißen ersetzt robotergestütztes Laserschweißen bestimmte Prozesse, steigert Qualität und Durchsatz. Spezifische Laserschweißprozesse, die für diverse robotergestützte Schweißanwendungen stark betrachtet werden, umfassen Hot-Wire- und Hybrid-Laserschweißen. Ebenso gewinnt Laserschweißen für Beschichtung mit Draht und Pulver an Interesse aufgrund von Geschwindigkeit und geringem Wärmeeintrag.

Fugenauslegung

Überlappfugen mit enger Passung funktionieren am besten für Laserschweißen. Kleinste Spalten zwischen Oberflächen können Laserschweißen schnell in Laserschneiden verwandeln, weshalb Vorrichtungen für Laserschweißen Hochkraftspannung nutzen. Laserschweißen erfordert nur einseitigen Zugang, im Gegensatz zum Punktschweißen, aber die Unterseite benötigt Unterstützung, um Spannungskräften zu widerstehen.

Oberfläche

Die Oberfläche des zu schweißenden Produkts muss ebenfalls bedacht werden. Idealerweise sollte bei Lasereinsatz für ein Produkt eine Klasse-A-Oberfläche (freiformige Oberfläche mit ästhetischer Form und optimaler Oberflächenqualität) verwendet werden. Dies ist der Fall, weil die kleine Wärmeeinflusszone sich gut bereinigt. Aus diesem Grund erweitert sich der Einsatz von Laserschweißen – anstelle von traditionellem Widerstands-Punktschweißen (RSW), Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) oder Wolfram-Inertgas-Schweißen (TIG) – in Branchen wie der Haushaltsgeräteindustrie, wo Edelstahl-Dunstabzugshauben, Öfen und Kühlschränke gefertigt werden.

Qualifizierte Ressourcen

Bei der Roboterprogrammierung ist es kritisch, dass der Bediener den Prozess versteht, den er dem Roboter beibringt. Ein qualifizierter Robotik-Bediener mit Lichtbogen- oder Widerstandsschweißerfahrung mag die Laserprozesse nicht vollständig verstehen. Aus diesem Grund und um das Beste aus dem Prozess herauszuholen, während die Teileintegrität gewahrt bleibt, sollten Unternehmen erwägen, Personal einzustellen oder zu schulen, um Laserschweißtechniken zu verstehen. Volt, Ampere und Drahtvorschubgeschwindigkeit werden durch Laserleistung und -geschwindigkeit ersetzt, um nur die Unterschiede von Schutzgas und potenziell genutztem Zusatzwerkstoff zu nennen. Lasersicherheit ist auch ein kritischer Faktor, für den Werksmitarbeiter verantwortlich sein werden.

Von Fugeometrie über Teilepassung und mehr – es gibt viele Facetten, die bei robotergestütztem Laserschweißen durchdacht werden müssen. Wenn Sie sich fragen, ob die robuste Qualität und der Durchsatzzuwachs durch robotergestütztes Laserschweißen gut zu Ihrem Unternehmen passen, ist es ratsam, Ihren bevorzugten Roboterlieferanten zu kontaktieren, um Antworten auf Ihre spezifischen Anwendungsfragen zu erhalten.