Schweißen – 12 Verfahren erklärt
Schweißen ist ein Fertungsverfahren, bei dem zwei oder mehr Metalle mithilfe von Hitze, Druck oder einer Kombination aus beidem dauerhaft…
Das Laserstrahlschweißen verwendet einen hochpräzisen Laserstrahl, um Metalle und Thermoplaste miteinander zu verschmelzen. Die Genauigkeit und Präzision dieses Verfahrens führen zu geringer thermischer Verformung, was es ideal für das Schweißen empfindlicher Materialien macht. Das Verfahren wird meist automatisiert durchgeführt und ermöglicht dadurch sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten.
Werfen wir einen genaueren Blick auf das Prinzip des Laserstrahlschweißens.
Das Laserstrahlschweißen (LBW) ist ein Verfahren, bei dem eine konzentrierte Wärmequelle in Form eines Lasers genutzt wird, um Materialien zu schmelzen, die beim Abkühlen miteinander verschmelzen. Dieses Verfahren ist vielseitig einsetzbar, da es sowohl dünne Materialien mit hohen Schweißgeschwindigkeiten als auch schmale und tiefe Nähte bei dickeren Materialien ermöglicht.
Obwohl die Anschaffungskosten für Laserstrahlschweißanlagen höher sind als bei traditionellen Schweißverfahren, sind die Betriebskosten geringer, da in der Regel kein zusätzliches Zusatzmaterial und weniger Nachbearbeitung erforderlich sind. Zudem ermöglichen die hohen Schweißgeschwindigkeiten eine größere Teileproduktion pro Stunde. Die zugrunde liegende Technologie unterscheidet sich deutlich von konventionellen Lichtbogenschweißverfahren wie dem MIG-, TIG- und SMAW-Schweißen. Moderne Anwendungen setzen auf programmierbare Roboter mit fortschrittlicher Optik, um präzise Schweißpunkte am Werkstück anzusteuern.
Es gibt zwei Hauptarten des Laserstrahlschweißens, die sich in ihren Funktionsprinzipien unterscheiden und jeweils für spezielle Anwendungen geeignet sind. Das Wechselspiel des Materials mit dem Laserstrahl hängt von dessen Leistungsdichte ab.
Bei diesem Verfahren wird ein fokussierter Laserstrahl genutzt, um die Oberfläche des Grundmaterials zu schmelzen. Nach dem Erstarren des Schweißguts entsteht eine präzise und glatte Schweißnaht. Schweißnähte, die mittels Wärmeleitungsschweißen erzeugt werden, benötigen in der Regel keine Nachbearbeitung und weisen bereits eine hohe Qualität auf.
Die Energie wird ausschließlich durch Wärmeleitung in die Schweißzone eingebracht. Dies begrenzt die Schweißtiefe und macht das Verfahren besonders für das Fügen dünner Materialien geeignet. Das Wärmeleitungsschweißen wird häufig eingesetzt, wenn sichtbare Schweißnähte ein ansprechendes Aussehen erfordern.
Es gibt zwei Unterarten des Wärmeleitungsschweißens:
Beim Schlüssellochschweißen (Tiefschweißen) entstehen tiefe, schmale Schweißnähte mit gleichmäßiger Struktur. Dazu werden Leistungsdichten von etwa 1 Megawatt pro Quadratzentimeter auf das Metall aufgebracht. Das Metall wird dabei nicht nur geschmolzen, sondern auch verdampft, wodurch ein schmales, dampfgefülltes Hohlraum entsteht.
Dieses sogenannte Schlüsselloch oder Kapillare wird während der Bewegung des Laserstrahls mit geschmolzenem Metall gefüllt. Das Schlüssellochschweißen erlaubt hohe Schweißgeschwindigkeiten, wodurch Verzug und die Entstehung einer Wärmeeinflusszone auf ein Minimum reduziert werden.
Das Laserstrahlschweißen basiert auf dem Prinzip, mit hoher Leistungsdichte eines Lasers Wärme gezielt auf die Verbindungsstelle zweier Metalle zu applizieren. Das Material schmilzt an der Fügezone und ermöglicht beim Erstarren die Verbindung der Metalle.
Meist übernehmen Schweißroboter das Laserstrahlschweißen, da sie große Energiemengen präzise und schnell applizieren können, gesteuert durch flexible Lichtleiter. So entsteht eine schmale Schweißnaht mit minimalem Verzug. Handgeführte Laser-Schweißsysteme bieten eine interessante Alternative zu großen Industriemaschinen, jedoch wird deren Sicherheit kritisch hinterfragt.
Das Schweißen kann unter Atmosphärenbedingungen erfolgen, doch bei reaktiven Materialien empfiehlt sich eine Inertgas-Abschirmung, um eine Kontamination auszuschließen. Ähnlich wie beim Elektronenstrahlschweißen wäre ein Schweißen im Vakuum möglich, ist jedoch wirtschaftlich nicht sinnvoll. Daher verfügen Laserschweißgeräte über Gasdüsen, die Inertgas in den Schweißbereich leiten.
Oft wird beim Laserschweißen kein zusätzliches Schweißmaterial benötigt. Bei schwierigen Materialien oder speziellen Anwendungen ist jedoch Zusatzmaterial notwendig, um eine zufriedenstellende Naht zu erzielen. Der Zusatz verbessert das Nahtprofil, vermindert Heißrissbildung, optimiert die mechanischen Eigenschaften und ermöglicht eine präzisere Anpassung der Fügepartner. Das Zusatzmaterial kann als Pulver oder Draht zugeführt werden, wobei Draht aufgrund der geringeren Kosten häufiger zum Einsatz kommt.
Die vier am häufigsten verwendeten Nahtarten beim Laserschweißen sind Stumpfnähte, Kantenflanschnähte, überlappte Füllnähte und Überlappnähte.
Das Laserstrahlschweißen eignet sich für zahlreiche Metalle wie niedriglegierten Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan und weitere. Auch weniger gängige Werkstoffe wie Kovar und schwer schweißbare Materialkombinationen, zum Beispiel Kupfer-Kupfer oder Kupfer-Aluminium, lassen sich fügen. Das Schweißen von hochlegierten Stählen ist hingegen wegen der hohen Abkühlraten und der daraus resultierenden Rissbildung meist nicht zu empfehlen.
Im Laserstrahlschweißen werden im Wesentlichen drei Laserquellentypen verwendet:
Eine CO2-Laserquelle besteht aus einem Gasgemisch, wobei CO2 den Hauptbestandteil bildet, ergänzt durch Stickstoff und Helium. Diese Laser arbeiten im Dauer- oder Pulsbetrieb und regen die Gasmoleküle durch niedrigen Strom und hohe Spannung an. CO2-Laser kommen auch bei besonderen Verfahren wie dem Dual-Beam-Laserschweißen zum Einsatz, wobei zwei Strahlen entweder hintereinander oder nebeneinander angeordnet werden.
Festkörperlaser nutzen die diodengepumpte Festkörperlaser-Technologie (DPSS), wobei Materialien wie Rubin, Glas oder Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder Yttrium-Vanadat-Kristall (YVO4) mit einer Laserdiodenquelle gepumpt werden. Diese Laser können im Dauer- oder Pulsbetrieb betrieben werden. Im Pulsbetrieb entstehen Verbindungen, die Punktschweißungen ähneln, jedoch mit vollständiger Durchdringung. Trotz einiger Nachteile gegenüber modernen Faserlasern bieten Festkörperlaser eine ausgezeichnete Strahlstabilität und -qualität sowie hohe Effizienz.
Auch Halbleiterlaser zählen zwar technisch zu den Festkörperlasern, werden aber meist als eigene Klasse betrachtet. Sie kommen vor allem bei kleineren, kostengünstigen Projekten zum Einsatz oder wenn in schwer zugänglichen Bereichen geschweißt werden muss, da die Ausrüstung kompakter ist. Die Strahlqualität ist allerdings deutlich schlechter als bei anderen Laserarten, weshalb sie in der Industrie weniger verbreitet sind.
Faserlaser stellen eine neuere Generation der Festkörperlaser dar und überzeugen durch höhere Leistung, bessere Strahlqualität und erhöhte Sicherheit. Hier wird der Laserstrahl erzeugt, indem das Licht von Pumpdioden im Fasermaterial, das mit seltenen Erden dotiert ist, absorbiert wird. Durch verschiedene Dotierungselemente lassen sich Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen, wodurch Faserlaser für zahlreiche Anwendungen, wie das Laserstrahlschweißen und Laserschneiden, geeignet sind. Allerdings ist zu beachten, dass ein Standard-Laserschneidkopf nicht zum Schweißen verwendet werden kann und umgekehrt ein Schweißkopf nicht die für die Industrie geforderten Schneidgeschwindigkeiten und -qualitäten erreicht.
Das Laser-Hybridschweißen kombiniert die Prinzipien des elektrischen Lichtbogens und des Laserstrahls. Beide wirken gleichzeitig in derselben Schweißzone, ergänzen sich gegenseitig und schaffen so ein einzigartiges Schweißverfahren. Grundsätzlich kann Laserstrahlschweißen mit nahezu jedem Lichtbogenschweißverfahren kombiniert werden, wobei einige Kombinationen besonders verbreitet sind.
Die drei Hauptarten des Laser-Hybridschweißens sind:
Das Hybridschweißverfahren vereint die tiefe Durchdringung des Laserstrahlschweißens mit einem Nahtprofil, das mit Lichtbogenschweißverfahren vergleichbar ist. Der Einsatz von Schutzgasen und anderen Verbrauchsmaterialien aus dem Lichtbogenschweißen ermöglicht zudem eine bessere Kontrolle über die Nahtcharakteristik, als es allein mit Laserstrahlschweißen möglich wäre. Das Laser-Hybridschweißen ist ein zukunftsträchtiges Verfahren, das zunehmend in der Schiffbau-, Bahn-, Automobilindustrie sowie bei großformatigen Rohrleitungsprojekten Anwendung finden wird.
