Wissen rund ums Laserschweißen
Alles, was Sie über das Laserschweißen wissen sollten
Was ist Laserschweißen?
Das Laserschweißen ist eines der modernsten Schweißverfahren im Vergleich zu klassischen Schweißverfahren wie WIG, MAG oder Elektrodenschweißungen. Der Schweißprozess zeichnet sich durch eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit und die Möglichkeit unterschiedlichste Materialien miteinander zu verbinden. Die Schweißpositionen hat nur einen geringen Einfluss auf das Schweißbad, was die Effizienz von Produktionsprozessen erhöht.
Beim Laserschweißverfahren wird der Kontaktbereich der zu verbindenden Gegenstände mit Wärme zum Schmelzen gebracht. Dies wird durch das Einbringen eines gebündelten und fokussierten Strahls, mit sehr hoher Leistungsdichte, an dem Schweißpunkt erreicht.
Wie kann man mit einem Laser schweißen?
Das Schweißen kann erfolgen durch:
- Erzeugung eines Schmelzbades
- Mit vollständigem Umschmelzen der Fuge in einem oder mehreren Durchgängen mit oder ohne Zusatzmaterial
Die sehr hohe Leistungsdichte des Laserstrahls sorgt dafür, dass die zum Aufschmelzen der Verbindung erforderliche Energieeinbringung sehr klein ist und dadurch die Schmelzzone sehr eng ist.
Die Verbindungsverformung ist so gering, dass nach dem Schweißen keine mechanische Bearbeitung erforderlich ist. Der Laser ist eine Lichtverstärkung mittels erzwungener Strahlungsemission.
Welche Grundparameter gibt es?
- Die Leistung des kontinuierlichen Laserstrahls in [kW]
- Die Energie des Laserpulses in [kJ], die Dauer in [ms] und die Frequenz beim Pulsschweißen in [Hz]
- Schweißgeschwindigkeit in [m/min]
- Fokuslänge des Laserstrahls in [mm]
- Spotgröße im Fokus in [mm]
- Arbeitsabstand zwischen Optik und Material in [mm]
- Type und Durchflussmenge des Schutzgases in [l/min]
- Strahlparameterprodukt [m²]
Die wichtigsten Begriffe
Laserleistung
Die Energie, die im Laser erzeugt wird und auf das Material trifft wird als Laserleistung bezeichnet. Die Dauer der Bestrahlung an einem Punkt beeinflusst die Tiefe der Penetration des zu verschmelzenden Materials. Bei einer Überschreitung der vorgegeben Leistung für ein bestimmtes Material und Materialstärke führt dies zunächst zu Blasenbildung in der Schweißnaht, gefolgt von Einbrüchen und Unebenheiten auf der finalen Oberfläche.
Schweißgeschwindigkeit
Eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit bei konstanter Laserleistung bewirkt eine Abnahme der Einschweißtiefe. Gleichzeitig wird die Fuge schmaler und die Kontur der Schmelzlinie verändert sich von oval zu flach. Bei zu hoher Schweißgeschwindigkeit schmilzt und verfestigt sich das Metall zu schnell und der Prozess wird instabil. Eine zu niedrige Schweißgeschwindigkeit führt dazu, dass die Fugenbreite deutlich zunimmt, die Schweißspritzer werden mehr und gleichzeitig kann es zu Porosität kommen, ähnlich wie bei einer zu hohen Leistung des Laserstrahls.
Laserstrahl
Er muss mit speziellen optischen Systemen auf einen kleinen Durchmesser fokussiert werden, um die beim Laserschweißprozess erforderliche hohe Leistungsdichte zu erreichen. Dieser sogenannte Fokus-Durchmesser reicht von 0,04–2,0 mm in Abhängigkeit des Anwendungsfalles. In der Regel beträgt des Fokusdurchmesser 0,3 – 0,4 mm.
Fokuslänge
Die Fokuslänge beschreibt den Abstand zwischen der Fokusierlinse und dem Punkt, bei dem der Laserstrahl sich wieder aufweitet. Dabei gilt: Fokuslänge = Strahlweite² / Wellenlänge.
Eine Veränderung der Fokuslänge hat einen proportionalen Einfluss auf die Rayleighlänge. Die Rayleighlänge ist der Abstand auf der optischen Achse, bis die Querschnittsfläche im Fokus sich verdoppelt. Diese optische Gestaltung des Laserstrahls hat Einfluss auf die Länge des nutzbaren Bereiches. Die Erhöhung der Fokuslänge auf zum Beispiel 125-2500 [mm] ermöglicht eine größere Toleranz des Laserstrahlführungssystems entlang der Schweißlinie und eine Veränderung des Abstands zwischen Düse und Werkstück.
Verwendete Lasertypen
Beim Schweißen werden in der Regel zwei unterschiedliche Laserarten verwendet:
- Gepulste oder kontinuierliche Laser mit aktivem Element (i.d.R.: Ytterbium oder Neodym-YAG)
- Molekulare CO2-Laser mit kontinuierlicher Emission
Der Laserstrahl, der vom Laser durch die Optik, bestehend aus Spiegeln und optischen Elementen, auf das Werkstück trifft, wird im Schweißbereich fokussiert. Der auf die Metalloberfläche fallende Laserlichtstrahl wird je nach Metallart und Oberflächenbeschaffenheit unterschiedlich absorbiert. Die Effektivität des Laserschweißens hängt hauptsächlich von der Energieabsorption des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks ab. Ein wichtiger Punkt beim Schweißen kann daher die richtige Vorbereitung der Oberfläche durch Mattieren oder Schwärzen sein. Beim Schweißen dünner Bleche < 3 [mm] aus kohlenstoffarmem Stahl kann aufgrund hoher Schweißgeschwindigkeiten und kurzer Verweildauer der Schmelze bei geringen Oxidationstemperaturen auf die Abdeckung mit Schutzgas verzichtet werden.
Beim Schweißen von reaktiven Materialien ist es erforderlich, ein Schutzgas mit einem Inertgas auf dem Schweißbades sowie des Verbindungsstegs zu verwenden. Das Laserschweißen kann mit oder ohne Drahtzufuhr, in einem Durchgang oder in mehreren Lagen erfolgen.
Das Laserschweißen ermöglicht es, alle Metalle, die mittels Elektronenschweißen verbunden werden, in vergleichbarer oder höherer Qualität zu verbinden.
Welche Schutzgase werden beim Laserschweißen verwendet?
He (Helium)
Vorteile:
- Sehr guter Oxidationsschutz von Chrom-Nickel-Stählen und Legierungen auf Basis von Nickel und Titan
- Hohe Ionisierungsenergie
- Gute Kontrolle des in der Kapillare erzeugten Plasmas
- Hohe Glätte und Gleichmäßigkeit der Schweißnähte
Nachteile:
- Großer Durchmesser der Düse von 1,5 - 2,5 mm, wodurch die Geschwindigkeit der Gasaustrittes erhöht wird
- Eine übermäßige Plasmamenge kann ein tiefes Umschmelzen erschweren
- Eine schlechte Düsenqualität (Verschmutzungen oder Verformungen) führt zu einer ungleichmäßigen und rauen Schweißnaht
N (Nitrogen)
Vorteile:
- Bei hohen Geschwindigkeiten kann ein tieferes Keyhole erzeugt werden als bei Helium
- Günstiges Gas
Nachteile:
- Großer Durchmesser der Düse von 1,5 - 2,5 mm, wodurch die Geschwindigkeit der Gasaustrittes erhöht wird
- Die Prozessstabilität ist geringer
CO₂ (Kohlenstoffdioxid)
Vorteile:
- Gleichmäßige und glatte Schweißnaht
- Gutes Schweißergebnis bei kohlenstoffarmen Stählen
- Günstiges Gas
Nachteile:
- Es schützt nicht vor Oxidation bei Chrom-Nickel-Stählen und Legierungen auf Titanbasis
- Vergütungsstähle zeigen im Spalt eine Härtezunahme
Was sind die Hauptvorteile des Laserschweißprozesses?
- Hohe Leistungsdichte
- Kein Verzug des Materials
- Schmale Schweißfuge
- Hohe Prozessgeschwindigkeit
- Kein Flussmittel erforderlich
- Schweißen mit sehr hoher Präzision
- Saubere Schweißnaht mit wenig/keinen Einschlüssen
- Selbst schwer schweißbare Materialien können kombiniert werden
- Einfache Automatisierung
Das Laserschweißen wird zum Schweißen einer sehr großen Bandbreite von Materialien wie Baustählen, legierten Stählen, Duplex, Cr/Ni, hochfesten niedriglegierten Stählen, Kohlenstoffstählen, Refraktärmetallen, chemisch aktiven Metallen, Aluminium, Titan, Nickel und Magnesium eingesetzt.
Das Laserschweißen wird zum Schweißen einer sehr großen Bandbreite von Materialien wie Baustählen, legierten Stählen, Duplex, Cr/Ni, hochfesten niedriglegierten Stählen, Kohlenstoffstählen, Refraktärmetallen, chemisch aktiven Metallen, Aluminium, Titan, Nickel und Magnesium eingesetzt.
Das grundsätzliche Problem, das bei der Auswahl von Lasertechnologien berücksichtigt werden sollte, sind metallurgische Prozesse, die durch eine lokal sehr starke und kurzzeitige Erwärmung > 10.000 °C/sec und anschließend sehr schnelle Abkühlung gekennzeichnet sind. Dieses Phänomen kann Einschlüsse und Hitzerisse in der fertigen Schweißnaht hervorbringen.
Daher ist es im Fall von Schweißmaterialien, die zur Bildung von Hitzerissen und Porosität neigen, erforderlich, Behandlungen wie Vorwärmen oder Glühen nach dem Schweißen vorzusehen.
Das Laserschweißen ist ein Hochdurchsatzverfahren in der automatisierten oder robotergestützten Großserienfertigung, insbesondere beim Fügen von kleinen, dünnwandigen Elementen, wo die Vorteile dieses Verfahrens immer mehr genutzt werden.