Laserschweißen erklärt: Techniken, Typen und industrielle Anwendungen

Was ist Laserschweißen?

Laserstrahlschweißen (LBW) ist eine Schweißtechnik, die zum Verbinden von Metall- oder Thermoplastteilen durch Verwendung eines Lasers eingesetzt wird. Der Strahl bietet eine konzentrierte Wärmequelle, die schmale, tiefe Schweißnähte und hohe Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht. Es basiert auf Schlüsselloch- oder Durchdringungsschweißen.

Laserschweißen arbeitet in zwei fundamental unterschiedlichen Modi: leitungsbegrenztes Schweißen und Schlüssellochschweißen. Der Modus, in dem der Laserstrahl mit dem zu verschweißenden 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, aufgrund seiner hohen Energiedichte, ist die Fähigkeit, den Bereich an den Fugenrändern zu schmelzen, ohne einen großen Bereich des Teils zu beeinflussen.

Laserschweißen ist ein Hochleistungsdichte-Fusionschweißverfahren, das hohe Aspektverhältnis-Schweißnähte mit relativ geringer Wärmeeinbringung im Vergleich zu Lichtbogenschweißverfahren erzeugt. Darüber hinaus kann Laserschweißen „außerhalb eines Vakuums“ durchgeführt werden, und die Lichtwellenleiterübertragung von Nahinfrarot-Festkörperlaserstrahlen bietet erhöhte Flexibilität im Vergleich zu anderen Fügetechnologien.

Ausstattung der Laserstrahlmaschine

Die Hauptteile oder Ausrüstungen des Laserstrahlschweißens sind:

• Lasermaschine: Eine Maschine, die einen Laser zum Schweißen erzeugt. Die Hauptkomponenten der Lasermaschine sind unten dargestellt.
• Stromquelle: Eine Hochspannungsstromquelle wird an die Lasermaschine angelegt, um einen Laserstrahl zu erzeugen.
• CAM: Computer-Aided Manufacturing, bei dem die Lasermaschine mit Computern integriert ist, um den Schweißprozess durchzuführen. Alle Steuerungsaktionen während des Schweißprozesses durch Laser werden von CAM durchgeführt. Es beschleunigt den Schweißprozess erheblich.
• CAD: Computer-Aided Design. Wird verwendet, um den Job für das Schweißen zu entwerfen. Hier werden Computer verwendet, um das Werkstück zu entwerfen und wie das Schweißen darauf durchgeführt wird.
• Schutzgas: Ein Schutzgas kann während des Schweißprozesses verwendet werden, um das Werkstück vor Oxidation zu schützen.

Wie funktioniert Laserstrahlschweißen?

Laserschweißen ist ein Prozess zum Verbinden von Metallen oder Thermoplasten mit einem Laserstrahl zur Bildung einer Schweißnaht. Als so konzentrierte Wärmequelle kann Laserschweißen bei dünnen Materialien mit hohen Schweißgeschwindigkeiten von Metern pro Minute durchgeführt werden, und bei dickeren Materialien können schmale, tiefe Schweißnähte zwischen rechtwinklig gekanteten Teilen erzeugt werden.

Das Laserstrahlschweißen basiert auf dem Prinzip, dass wenn die Elektronen eines Atoms durch Energieaufnahme angeregt werden. Und dann, nach einiger Zeit, wenn sie in ihren Grundzustand zurückkehren, ein Lichtphoton emittieren.

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

Zunächst wird die Schweißmaschine (zwischen den zwei zu verbindenden Metallstücken) an der gewünschten Position eingerichtet. Nach der Einrichtung wird eine Hochspannungsstromversorgung an die Lasermaschine angelegt, um einen Betrieb durchzuführen.

Eine Linse wird verwendet, um den Laser in den Bereich zu fokussieren, wo geschweißt werden soll. CAM wird verwendet, um die Geschwindigkeit des Lasers und des Werkstücktisches während des Schweißprozesses zu steuern.

Es startet die Blitzlampe der Maschine, und sie 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 wiederum die 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 Schweißen mehrerer Teile verwendet wird.

Verwendete Lasertypen

1. Gaslaser: Verwendet Gasmischungen als Lasermedium zur Lasererzeugung. Mischungen aus Gasen wie Stickstoff, Helium und CO₂ werden als Lasermedium verwendet.
2. Festkörperlaser: Verwendet mehrere 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 in diesem Lasertyp ist die Lichtwelle selbst.

Vorteile der Laserstrahlmaschine

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

• Schweißfestigkeit: Die Laserschweißnaht ist schmal mit einem hervorragenden 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 von Miniaturkomponenten.
• Verformung: Teile haben minimale Verformung oder Schrumpfung.
• 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 sind die Kosten für diesen Prozess hoch.
• Wenn Füllmaterial notwendig ist, wird in diesem Prozess nur eine begrenzte Menge mit Füllmaterial produziert, was relativ teuer ist.
• Es gibt auch einige nachgelagerte Schweißoperationen.
• Fugen müssen seitlich präzise unter dem Strahl positioniert sein.
• Die Endposition der Fuge muss präzise mit dem Strahleintrittspunkt ausgerichtet sein.
• Die maximale Fugenstärke, die mit 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 moderaten bis hohen Laserleistungen zu gewährleisten.
• Laser neigen zu geringer Energieumwandlungseffizienz unter 10 Prozent.
• Einige Schweißporosität und Sprödigkeit können als Folge der schnellen Erstarrungseigenschaften des LBM erwartet werden.

Anwendung der Laserstrahlmaschine

• Es ist prominent in der Automobilindustrie. Also wird es in Bereichen eingesetzt, wo große Stückzahlen produziert werden.
• Es wird für hochpräzise Schweißnähte eingesetzt. Da es keine Elektrode verwendet, ist die finale Schweißnaht leicht, aber stark.
• Laserschweißen wird auch häufig in der Schmuckherstellung verwendet.
• Laserstrahlschweißen wird in der Medizintechnik verwendet, um Metalle im kleinen Maßstab zusammenzuhalten.