Laserschweißen erklärt: Techniken, Arten & industrielle Anwendungen

Was ist Laserschweißen?

Laserstrahlschweißen (Laser Beam Welding, LBW) ist ein Schweißverfahren zum Verbinden von Metall- oder Thermoplastteilen durch einen Laser. Der Strahl liefert eine konzentrierte Wärmequelle, was schmale, tiefe Schweißnähte und hohe Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht. Es basiert auf Schlüsselloch- oder Durchdringungsschweißen.

Laserschweißen arbeitet in zwei grundlegend unterschiedlichen Modi: leitungsbegrenztes Schweißen und Schlüssellochschweißen. Der Modus, in dem der Laserstrahl mit dem zu schweißenden Material interagiert, hängt von der Leistungsdichte über dem Strahl ab, der das Werkstück trifft.

Die Prozesse werden häufig in Hochvolumenanwendungen mit Automatisierung eingesetzt, wie in der Automobilindustrie. Der Hauptvorteil des Laserschweißens liegt in seiner hohen Energiedichte: Es schmilzt den Bereich an den Fugenrändern, ohne einen großen Bereich des Teils zu beeinflussen.

Laserschweißen ist ein Hochleistungsdichte-Schmelzschweißverfahren, das hohe Aspektverhältnis-Schweißnähte mit relativ geringem Wärmeeintrag im Vergleich zu Lichtbogenschweißverfahren erzeugt. Zudem kann Laserschweißen „außerhalb eines Vakuums“ durchgeführt werden, und die Glasfaserübertragung von Nahinfrarot-Festkörperlaserstrahlen bietet im Vergleich zu anderen Fügetechnologien erhöhte Flexibilität.

Ausrüstung der Laserstrahlmaschine

Die Hauptteile oder Ausrüstungen des Laserstrahlschweißens sind:

• Lasermaschine: Erzeugt den Laser zum Schweißen. Hauptkomponenten sind unten dargestellt.
• Stromquelle: Hochspannungsquelle wird an die Lasermaschine angelegt, um den Laserstrahl zu erzeugen.
• CAM: Computer-Aided Manufacturing, bei dem die Lasermaschine mit Computern integriert ist, um den Schweißprozess auszuführen. Alle Steuerungsaktionen während des Laserschweißens werden durch CAM durchgeführt. Es beschleunigt den Schweißprozess erheblich.
• CAD: Computer-Aided Design. Wird zum Entwurf des Schweißjobs verwendet. Computer entwerfen das Werkstück und wie das Schweißen darauf durchgeführt wird.
• Schutzgas: Kann während des Schweißprozesses verwendet werden, um Oxidation des Werkstücks zu verhindern.

Funktionsweise des Laserstrahlschweißens

Laserschweißen verbindet Metalle oder Thermoplaste mittels Laserstrahl zu einer Schweißnaht. Als so konzentrierte Wärmequelle kann bei dünnen Materialien mit hohen Schweißgeschwindigkeiten von Metern pro Minute geschweißt werden, bei dickeren Materialien entstehen schmale, tiefe Schweißnähte zwischen rechtwinkligen Teilen.

Das Laserstrahlschweißen basiert auf dem Prinzip, dass Elektronen eines Atoms durch Energieaufnahme angeregt werden. Kehren sie nach einiger Zeit in ihren Grundzustand zurück, emittieren sie ein Lichtphoton.

Die Konzentration dieses emittierten Photons wird durch angeregte Emission von Strahlung erhöht, und wir erhalten einen hochenergetischen, fokussierten Laserstrahl. Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Strahlung wird als Laser bezeichnet.

Zunächst wird die Schweißmaschine (zwischen den zwei zu verbindenden Metallstücken) an der gewünschten Position eingerichtet. Nach dem Aufbau wird eine Hochspannungsstromversorgung an die Lasermaschine angelegt.

Eine Linse fokussiert den Laser in den Bereich, wo geschweißt werden soll. CAM steuert die Geschwindigkeit des Lasers und des Werkstücktisches während des Schweißprozesses.

Die Blitzlampe der Maschine startet und emittiert Lichtphotonen. Die Energie der Lichtphotonen wird von den Atomen der Rubinkristalle absorbiert, und Elektronen werden auf höhere Energieniveaus angeregt. Wenn sie in ihren niedrigen Energiezustand oder Grundzustand zurückkehren, emittieren sie ein Lichtphoton.

Dieses Lichtphoton regt erneut Elektronen des Atoms an und erzeugt zwei Photonen. Dieser Prozess setzt sich fort, und wir erhalten einen fokussierten Laserstrahl, der an der gewünschten Stelle zum Verbinden mehrerer Teile verwendet wird.

Verwendete Lasertypen

1. Gaslaser: Verwenden Gasmischungen als Lasermedium. Mischungen aus Stickstoff, Helium und CO₂ werden als Lasermedium verwendet.
2. Festkörperlaser: Verwenden verschiedene feste Medien wie synthetischen Rubinkristall (Chrom in Aluminiumoxid), Neodym in Glas (Nd:Glas) und Neodym in Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG, am häufigsten verwendet).
3. Faserlaser: Das Lasermedium ist hier das optische Glasfaserkabel selbst.

Vorteile der Laserstrahlmaschine

Die präzise Steuerung des Laserstrahls bietet Nutzern mehrere Vorteile gegenüber WIG, MIG und Punktschweißen:

• Schweißfestigkeit: Die Laserschweißnaht ist schmal mit ausgezeichnetem Tiefe-zu-Breite-Verhältnis und höherer Festigkeit.
• Wärmeeinflusszone: Die Wärmeeinflusszone ist begrenzt, und durch schnelles Abkühlen wird das umgebende Material nicht geglüht.
• Metalle: Laser schweißen erfolgreich Kohlenstoffstahl, hochfesten Stahl, Edelstahl, Titan, Aluminium und Edelmetalle sowie ungleiche Materialien.
• Präzisionsarbeit: Der kleine, eng kontrollierte Laserstrahl ermöglicht präzises Mikroschweißen miniaturer Komponenten.
• Verformung: Teile haben minimale Verformung oder Schwindung.
• Kein Kontakt: Kein physischer Kontakt zwischen Material und Laserkopf.
• Einseitiges Schweißen: Laserschweißen kann Punktschweißen ersetzen, das nur einseitigen Zugang erfordert.
• Ausschuss: Laserschweißen ist kontrollierbar und erzeugt geringe Ausschussmengen.

Nachteile der Laserstrahlmaschine

• Die Schweißausrüstung ist teuer, daher hohe Prozesskosten.
• Wenn Füllmaterial nötig ist, wird in diesem Prozess nur begrenzte Menge mit Füllmaterial produziert, daher relativ teuer.
• Es gibt auch einige Nachbearbeitungsschritte nach dem Schweißen.
• Fugen müssen lateral präzise unter dem Strahl positioniert sein.
• Die Endposition der Naht muss präzise mit dem Strahleinschlagpunkt ausgerichtet sein.
• Die maximale Nahtdicke, die per Laserstrahl geschweißt werden kann, ist etwas begrenzt.
• Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Reflexion wie Al- und Cu-Legierungen können die Schweißbarkeit mit Lasern beeinträchtigen.
• Ein geeignetes Plasmasteuergerät muss eingesetzt werden, um die Schweißwiederholbarkeit bei moderater bis hoher Laserleistung zu gewährleisten.
• Laser haben tendenziell niedrige Energieumwandlungseffizienz unter 10 Prozent.
• Einige Schweißporosität und Sprödigkeit können als Folge der schnellen Erstarrungseigenschaften des LBM erwartet werden.

Anwendung der Laserstrahlmaschine

• Prominent in der Automobilindustrie. Einsatz dort, wo Großserienproduktion erforderlich ist.
• Wird für hochpräzise Schweißnähte eingesetzt. Da keine Elektrode verwendet wird, ist die finale Naht leicht, aber stark.
• Laserschweißen wird auch häufig in der Schmuckherstellung verwendet.
• In der Medizintechnik zum Zusammenhalten von Metallen im kleinen Maßstab.