Laserschweißen

by test01 Dezember 10, 2019

Das Laserschweißen gehört zu den fügenden Fertigungsverfahren und wird in der Industrie zum Verbinden von metallischen Bauteilen und thermoplastischen Kunststoffen eingesetzt. Das Verfahren basiert auf der punktuellen Energiezufuhr per Laserstrahl, wobei üblicherweise kein Zusatzwerkstoff benutzt wird.

Das Laserschweißen zeichnet sich dank des energieintensiven Laserstrahls durch eine sehr hohe Schweißgeschwindigkeit, einen geringen thermischen Verzug im Bauteil sowie eine schmale und präzise Schweißnaht aus. Es wird daher bei hochpräzisen Anwendungen im Werkzeugbau, in der Automobilindustrie, im Stahlbau, im Schiffbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in weiteren Branchen eingesetzt.

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Technische Grundlagen zum Laserschweißen

Grundlage des Laserstrahlschweißens ist ein Hochleistungslaser, der einen energieintensiven Lichtstrahl mit mehreren Kilowatt Leistung erzeugt. Beim Laserschweißen kommen in der Regel Nd:YAG-Laser oder Kohlendioxidlaser zum Einsatz. Darüber hinaus gewinnen aber auch Diodenlaser immer mehr an Bedeutung, da sehr hohe Energieintensitäten mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden können.

Laserschweißen Funktionsweise
Laserschweißen Funktionsweise

Der erzeugte Lichtstrahl wird in einer Fokussieroptik gebündelt und auf einen Brennfleck mit einem Durchmesser von etwa 0,2 bis 0,3 mm gerichtet. Die hohe Energiedichte des Laserstrahls sorgt dafür, dass das Material punktuell schnell aufschmilzt. Gleichzeitig wird dem Prozess gezielt Schutzgas zugeführt, um das Werkstück vor den schädlichen Einflüssen der Umgebungsluft – wie etwa Oxidation oder Feuchtigkeitsaufnahme – zu schützen. Als Schutzgas kommt beim Laserschweißen üblicherweise hochreines Argon zum Einsatz.

Sobald der Schmelzpunkt des Werkstoffs erreicht wird, kommt es durch die zunehmende Absorption im Werkstück zu einem Verdampfungsvorgang. Durch diesen Prozess bildet sich das sogenannte Keyhole. Dabei handelt es sich um einen Dampfkanal, der die Energie des Laserstrahls nahezu vollständig absorbiert und dadurch für eine laserinduzierte Plasmabildung sorgt.

Vom Dampfkanal aus breitet sich die Wärme im Werkstück aus, wodurch sich eine Schmelzzone um den Kanal herum bildet. Durch das Bewegen des Laserstrahls entlang der gewünschten Kontur erstarrt die Schmelze und bildet eine Schweißnaht. Aufgrund der hohen Energiedichte erfolgt das Aufschmelzen und Erstarren in Sekundenbruchteilen, wodurch sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erzielt werden. Unter idealen Umständen – bei einer geraden Endlosnaht – lassen sich mit dem Schweißverfahren Geschwindigkeiten von bis zu 60 Metern pro Minute realisieren.

Durch das Laserschweißen können nicht nur metallische Werkstoffe miteinander verbunden werden. Auch thermoplastische Kunststoffe und Keramik-Werkstücke lassen sich mit dem Verfahren bearbeiten.

Das Laserschneiden folgt einem ähnlichen Verfahrensaufbau, wobei die hohe Energieintensität des Laserstrahls zum Durchtrennen von Festkörpern und nicht zum Verbinden genutzt wird.

Wann und wofür benutzt man Laserschweißen?

Das Laserschweißen hat sich in der metall- und teilweise auch in der kunststoffverarbeitenden Industrie beim präzisen und schnellen Fügen von Bauteilen durchgesetzt. Zu den typischen Anwendungszwecken des Verfahrens gehören beispielsweise die Fertigung von:

  • Getriebeteilen von Pkw und Lkw
  • Steinextraktoren für die Medizintechnik
  • gasdichten Sensorgehäusen
  • Polrohren
  • Motorgehäusen
  • Kurbeln mit Innenverzahnung
  • Blechbaugruppen
  • Rollenhebeln
  • AGR-Ventilen
  • Herzschrittmachern
Laserschweißen bei der Firma Laserschweisscenter.de
Laserschweißen bei der Firma Laserschweisscenter.de
Laserschweißanlage bei der Firma REUTER Vakuumlöttechnik GmbH & Co. KG
Laserschweißanlage bei der Firma REUTER Vakuumlöttechnik GmbH & Co. KG
Laserschweißen einer beschädigten Walze - Firma BLT GmbH Bergmann Laser Technik
Laserschweißen einer beschädigten Walze - Firma BLT GmbH Bergmann Laser Technik
Laserschweißroboter bei der Firma BSW-Anlagenbau GmbH
Laserschweißroboter bei der Firma BSW-Anlagenbau GmbH

Die technischen Varianten beim Laserschweißen

Das Laserschweißen erlaubt es, durch die Variation der Energieintensität oder anderer Prozessparameter die Form und Güte der Schweißnaht zu variieren. Im Folgenden werden die wichtigsten technischen Varianten des Schweißverfahrens kurz vorgestellt.

Wärmeleitungsschweißen: Bei dieser Variante wird die Intensität des Lasers unterhalb der kritischen Schwelle gehalten, wodurch sich kein Metallplasma bildet. Dadurch bleibt der Tiefschweißeffekt aus und die Einschweißung ist besonders flach.

Tiefschweißen: Das Tiefschweißen ist die gebräuchlichste Variante des Laserschweißens. Die Intensität ist dabei höher als beim Wärmeleitungsschweißen, wodurch es zu dem beschriebenen Verdampfungseffekt kommt und laserinduziertes Plasma gebildet wird.

Punkt- und Nahtschweißen: Bei dieser Variante werden kleinste Schweißpunkte mit Durchmessern unter 0,1 mm bis hin zu langen Schweißnähten mit sehr schmaler Nahtgeometrie erzeugt. Das Punkt- und Nahtschweißen erzeugt Verbindungen hoher Festigkeit bei geringer Wärmebelastung.

Scannerschweißen: Das Scannerschweißen wird dadurch charakterisiert, dass weder der Bearbeitungskopf noch das Werkstück zur Positionierung des Laserstrahls bewegt werden müssen. Stattdessen wird ein galvanometrisch bewegter Drehspiegel zum Ablenken und Positionieren des Strahls benutzt.

Vor- und Nachteile des Verfahrens

Das Laserschweißen hat sich in der Industrie aufgrund seiner weitreichenden Vorteile beim Fügen von Bauteilen mit hohen Anforderungen an Geschwindigkeit, Präzision und thermischen Verzug bewährt. Im Folgenden werden die wesentlichen Vor- und Nachteile des Verfahrens aufgezeigt:

Vorteile Nachteile
Hohe Schweißgeschwindigkeit Große Spaltbreiten können meist nicht überbrückt werden
Berührungsloses Fügen der Bauteile Hohe Anlagenkosten
Schlanke Schweißnahtgeometrie mit großem Verhältnis von Tiefe zu Breite Abgeschlossener und gesicherter Arbeitsraum notwendig
Niedrige thermische Belastung, dadurch wenig thermischer Verzug am Bauteil
Hoher Automatisierungsgrad durch moderne Laserschweißanlage möglich
Verschiedene Werkstoffe können geschweißt werden

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Anfrage Drehfrästeil mit Laserschweißen
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Anfrage Laserschweißen einer Rotorwelle
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Anfrage Laserschweißen eines Z-Profils
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