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Laserschweißen in der Blechfertigung

Laserschweißen ist die konsequente Fortsetzung der Prozesskette Blech. Der Wärmeeintrag ist gering, die Wärmeeinflusszone minimal bei hoher Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißverbindungen sind optisch wie konstruktiv ansprechend und schneller herzustellen als mit konventionellen Verfahren. Der Verzug wird minimiert, teure Nacharbeiten entfallen fast ganz.

Schottblech in verschiedenen Fertigungsschritten: Laserschneiden, Biegen und Laserschweißen
Schottblech in verschiedenen Fertigungsschritten: Laserschneiden, Biegen und Laserschweißen (von unten nach oben)

Laserschweißnähte sind sehr schmal und haben eine kleine  Wärmeeinflusszone. Das minimiert den Verzug beim Fügen der Bauteile.

Mit dem Wärmeleitschweißen können Nähte in Sichtqualität hergestellt werden. Weitere Nacharbeiten wie Verschleifen und Putzen sind nicht mehr notwendig.

Laserschweißen macht viele erst realisierbar. Der Laser eröffnet ganz neue Gestaltungsmöglichkeiten bei der Bauteilkonstruktion.

Vorrichtung zum Laserschweißen eines Schottblechs.
Vorrichtung zum Laserschweißen eines Schottblechs.

Einfach aufzubauende Spannsysteme – unterstützt durch das Programmiersystem TruTops Cell – stellen einen engen Fügespalt sicher und gewährleisten die Reproduzierbarkeit. Mit Druckluft oder Unterdruck gesteuerte Ventile machen auch hier die automatisierte Fertigung möglich.

Fügehilfen positionieren die zu verbindenden Bauteile definiert. Eine reproduzierbare und automatisierte Fertigung ist damit gegeben.

Wärmeleitungsschweißen

Beim Wärmeleitungsschweißen schmilzt der Laserstrahl die Fügepartner entlang der Fügestelle auf. Die Schmelzen fließen ineinander und erstarren zur Schweißnaht.

Beim Wärmeleitungsschweißen wird die Oberfläche aufgeschmolzen.
Beim Wärmeleitungsschweißen wird die Oberfläche aufgeschmolzen.

Wärmeleitungsschweißen wird angewendet, um dünnwandige Teile zu verbinden, zum Beispiel für Ecknähte an Sichtkanten von Gehäusen. Weitere Anwendungen finden sich in der Elektronik. Der Laser erzeugt eine glatte, abgerundete Schweißnaht, die nicht mehr nachbearbeitet werden muss. Für die genannten Anwendungen eignen sich gepulste oder dauerstrichbetriebene Festkörperlaser. Die Energie gelangt beim Wärmeleitungsschweißen nur durch Wärmeleitung in das Werkstück. Deshalb beträgt die Nahttiefe nur einige Zehntelmillimeter bis 1 Millimeter. Die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs begrenzt die maximale Nahttiefe. Die Nahtbreite ist immer größer als die Nahttiefe. Wenn die Wärme nicht schnell genug abfließen kann, steigt die Bearbeitungstemperatur über die Verdampfungstemperatur. Metalldampf entsteht, die Einschweißtiefe steigt sprunghaft an, und der Prozess geht ins Tiefschweißen über.


Tiefschweißen

Zum Tiefschweißen sind sehr hohe Leistungsdichten von etwa 1 Megawatt pro Quadratzentimeter nötig. Der Laserstrahl schmilzt das Metall dann nicht nur auf, sondern erzeugt auch Dampf.

Beim Tiefschweißen entsteht eine tiefe Dampfkapillare, das Keyhole.
Beim Tiefschweißen entsteht eine tiefe Dampfkapillare, das Keyhole.

Wenn der Dampf abströmt, übt er Druck auf die Schmelze aus und verdrängt sie teilweise. Das Werkstück schmilzt noch weiter auf. Ein tiefes, schmales, dampfgefülltes Loch bildet sich: eine Dampfkapillare – auch Keyhole genannt (englisch für Schlüsselloch). Die Dampfkapillare ist von Metallschmelze umgeben. Wenn sich der Laserstrahl über die Fügestelle bewegt, bewegt sich die Dampfkapillare mit ihm durch das Werkstück. Die Metallschmelze umfließt die Dampfkapillare und erstarrt an der Rückseite. Auf diese Weise bildet sich eine schmale, tiefe Schweißnaht mit gleichmäßigem Gefüge. Die Nahttiefe ist bis zu 10 -mal größer als die Nahtbreite und kann bis zu 25 Millimeter betragen. An den schmelzflüssigen Wänden der Dampfkapillare wird der Laserstrahl vielfach reflektiert. Dabei absorbiert die Schmelze den Laserstrahl fast vollständig, und der Wirkungsgrad des Schweißprozesses steigt. Wenn mit CO2-Lasern geschweißt wird, absorbiert auch der Dampf im Keyhole Laserlicht und wird teilweise ionisiert. Plasma entsteht. Das Plasma bringt ebenfalls Energie ins Werkstück. Tiefschweißen zeichnet sich daher durch einen hohen Wirkungsgrad und hohe Schweißgeschwindigkeiten aus. Dank der hohen Geschwindigkeit ist die Wärmeeinflusszone klein und der Verzug gering. Das Verfahren wird angewendet, wenn hohe Einschweißtiefen gefordert sind oder mehrere Werkstofflagen auf einmal geschweißt werden sollen.

Laserhärten

Weniger Nacharbeit und die Möglichkeit auch unregelmäßige, dreidimensionale Werkstücke zu bearbeiten sind die Vorteile des Laserhärtens. Dank der geringen Wärmeeinbringung bleibt der Verzug gering und der Aufwand für Nacharbeiten verringert sich oder entfällt ganz.

Prinzip des Laserhärtens: Der Laserstrahl erhitzt die Randschicht des Metalls. Schnelles Abkühlenhärtet sie auf.
Prinzip des Laserhärtens: Der Laserstrahl erhitzt die Randschicht des Metalls. Schnelles Abkühlenhärtet sie auf.

Laserhärten zählt zu den Randschichthärteverfahren. Es wird ausschließlich bei Eisenwerkstoffen angewendet, die sich härten lassen. Das sind Stähle und Gusseisen mit Kohlenstoffanteilen über 0, 2 Prozent.

Um das Werkstück zu härten, erwärmt der Laserstrahl die Randschicht meist bis knapp unter die Schmelztemperatur, auf etwa 900 bis 1400 Grad Celsius. Sobald die Soll-Temperatur erreicht ist, bewegt sich der Laserstrahl und erwärmt dabei die Oberfläche in Vorschubrichtung kontinuierlich. Durch die hohe Temperatur verändern die Kohlenstoffatome im Metallgitter ihre Position (Austenitisierung). Sobald der Laserstrahl sich weiterbewegt, kühlt das umgebende Material die heiße Schicht sehr schnell ab. Man spricht dabei von der Selbstabschreckung. Durch das schnelle Abkühlen kann sich das Metallgitter nicht in die Ausgangsform zurückbilden und Martensit entsteht. Martensit ist ein sehr hartes Metallgefüge. Die Umwandlung in Martensit führt zu einer Härtesteigerung.

An dieser Welle eines Turboladers sind die Lagerstellen lasergehärtet.
An dieser Welle eines Turboladers sind die Lagerstellen lasergehärtet.

Der Laserstrahl härtet die Randschicht des Werkstücks. Typisch sind Randhärtetiefen von 0,1 bis 1, 5 Millimetern, bei manchen Werkstoffen auch 2,5 Millimeter und mehr. Je größer die Randhärtetiefe werden soll, umso größer muss das umgebende Volumen sein, damit die Wärme schnell abgeleitet wird und die Härtezone sich schnell genug abkühlt. Zum Härten werden relativ niedrige Leistungsdichten benötigt. Gleichzeitig soll das Werkstück flächig bearbeitet werden. Deshalb formt man den Laserstrahl so, dass er eine möglichst große Fläche bestrahlt. Gängig sind rechteckige Bestrahlflächen. Scanneroptiken werden ebenfalls zum Härten eingesetzt. Sie bewegen einen Laserstrahl mit rundem Fokus sehr schnell hin und her. Auf dem Werkstück entsteht eine Linie mit nahezu gleichmäßiger Leistungsdichte. So lassen sich Härtespuren mit bis zu 60 Millimeter Breite erzeugen.



Kunststoffschweißen

Prinzip des Laserkunststoffschweißens

Die meisten thermoplastischen Kunststoffe, die schweißbar sind, d.h. eine Schmelzphase besitzen und somit auch beim Laserschweißen verwendet werden können, absorbieren nur einen geringen Anteil der  Laserstrahlung von Festkörperlasern in ihren üblichen Wellenlängenbereichen zwischen 800 – 1100nm. Damit diese Thermoplaste durch die Laserstrahlung aufgeschmolzen und verschweißt  werden können, muss ihre Absorption durch Addition von Zusatzstoffen (Additivas) wie zum Beispiel Farbpigmente oder Russ herbeigeführt werden. Beim Kunststoffschweißen mit Laser mittels Durchstrahlschweißmethode werden zwei Arten von thermoplastischen Kunststoffen miteinander verbunden: Ein Fügepartner ist der transparente, der andere Fügepartner ist der absorbierende Kunststoff.

Bei  dieser Schweißmethode  durchdringt der Laserstrahl den oberen transparenten Kunststoff und trifft auf den darunter liegenden absorbierenden. Der Laser schmilzt die Oberfläche des absorbierenden Kunststoffes auf. Durch den Wärmeeintrag schmilzt auch der transparente Fügepartner. Der Vorteil dieses Überlappungsschweißens besteht darin, dass die Schweißnaht im Inneren des Bauteils ohne  Freisetzung von jeglichen Partikeln entsteht. Bei optisch nicht transparenten Bauteilen entsteht dadurch eine ästhetische und fast unsichtbare Naht. Ein großer Vorteil der Laserbearbeitung liegt in der lokalen Wärmeeinbringung – so können beispielsweise Schweißnähte in unmittelbarer Nähe zu elektronischen Bauteilen erzeugt werden.

Für den Schweißprozess ist der Fügedruck essentiell: Ein Spannwerkzeug presst die beiden Fügepartner aufeinander wodurch ein Andruck entsteht der für die Wärmeübertragung zwischen den beiden Fügepartnern erforderlich ist. Ein gleichmäßiges und ein an die Form der geschweißten Kunstoffe angepasstes Spannen der Bauteile ist Voraussetzung für hohe Prozessqualität und Reproduzierbarkeit Schweißergebnisse.

Vier Varianten des Kunststoffschweißens werden unterschieden:

  • Konturschweißen
  • Quasi-Simultanschweißen mit Scannern
  • Simultanschweißen
  • Maskenschweißen

Beim Laserschweißen von Kunststoffen kommen typischerweise Laserleistungen bis ca. 300 Watt zum Einsatz


Bron:Trumpf