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Was ist Laserschweißen?

Was ist Laserschweißen

Was ist Laserschweißen?

Laserschweißen ist ein Verfahren, bei dem Metalle oder Thermoplaste mit einem hochpräzisen Laserstrahl zu einer Schweißnaht zusammengefügt werden. Als eine solche konzentrierte Wärmequelle kann das Laserschweißen dünne Materialien mit hohen Schweißgeschwindigkeiten schweißen. Bei dickeren Materialien können jedoch schmale und tiefe Schweißnähte zwischen rechtwinkligen Teilen hergestellt werden.
Inhaltsverzeichnis
Laserschweißmaschine

Was ist Laserschweißen?

Laserschweißen oder Laserstrahlschweißen (LBW) ist ein Verfahren, bei dem eine konzentrierte Wärmequelle in Form eines Lasers verwendet wird, um Materialien zu schmelzen, die beim Abkühlen verschmelzen. Laserschweißen ist ein vielseitiges Verfahren, da dünne Materialien schnell geschweißt werden können und bei dickeren Materialien schmale und tiefe Schweißnähte entstehen.
Beim Laserschweißen wird ein hochpräziser Laserstrahl zum Schmelzen von Metallen und Thermoplasten verwendet, sodass die Genauigkeit und Präzision des Prozesses zu einer geringen thermischen Verformung führen und sich somit ideal zum Schweißen empfindlicher Materialien eignen. Dieser Prozess ist normalerweise automatisiert, was hohe Lötraten ermöglicht.
Während Laserschweißmaschinen mehr kosten als herkömmliche Schweißverfahren, sind die Betriebskosten niedriger, da beim Laserschweißen nicht unbedingt zusätzliches Zusatzmaterial und Nachbearbeitung erforderlich sind. Außerdem ermöglichen höhere Schweißgeschwindigkeiten die Produktion von mehr Teilen pro Stunde. Die Laserschweißtechnologie unterscheidet sich erheblich von herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren wie WIG, MIG und SMAW. Moderne Schweißanwendungen verwenden programmierbare Roboter mit fortschrittlicher Optik, um einen Bereich im Werkstück zu lokalisieren.
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Arten des Laserschweißens

Das Laserschweißen arbeitet in zwei verschiedenen Modi: Wärmeleitungsschweißen und Tieflochschweißen. Sie alle haben einzigartige Funktionsprinzipien, die für spezifische Anwendungen geeignet sind, und die Art und Weise, in der der Laserstrahl mit dem zu schweißenden Material interagiert, hängt von der Leistungsdichte ab, mit der der Strahl auf das Werkstück trifft.

Wärmeleitschweißen

Bei diesem Verfahren wird ein fokussierter Laserstrahl verwendet, um die Oberfläche des Substrats zu schmelzen. Dieser Prozess wird im Allgemeinen mit einem Laser mit geringer Leistung unter 500 W durchgeführt und wird hauptsächlich zur Herstellung von Schweißnähten verwendet, die keine hohe Schweißfestigkeit erfordern. Wenn die Verbindung abkühlt und sich verfestigt, erzeugt sie eine präzise und glatte Schweißnaht. Schweißnähte, die mit Wärmeübertragungsverfahren hergestellt werden, erfordern in der Regel keine zusätzliche Nachbearbeitung und sind gebrauchsfertig.
Beim Wärmeleitungsschweißverfahren gelangt Energie nur durch Wärmeleitung in die Schweißzone, was die Schweißtiefe begrenzt, sodass das Verfahren ideal zum Verbinden dünner Materialien ist. Diese Art des Schweißens wird häufig für sichtbare Schweißnähte verwendet, bei denen Ästhetik erwünscht ist.
Es gibt zwei Unterkategorien des Wärmeleitschweißens:
  • Direkte Erwärmung – Die Fähigkeit, einen Laserstrahl direkt auf eine Metalloberfläche aufzubringen.
  • Energieübertragung – Absorptionstinte wird auf die Naht aufgetragen, um die vom Laserstrahl aufgebrachte Energie zu absorbieren.

Tieflochschweißen

Die Ausführung des Prozesses im Tieflochschweißmodus erzeugt tiefe, schmale Schweißnähte mit einer gleichmäßigen Struktur. Dabei erhitzt der Laserstrahl das Metall so, dass es an der Kontaktfläche verdampft und tief in das Metall eindringt. Dadurch wird das Metall nicht nur geschmolzen, sondern auch verdampft, wodurch ein schmaler, mit Dampf gefüllter Hohlraum entsteht, der als Schlüssellochhohlraum oder Dampfkapillare bezeichnet wird. Wenn der Laserstrahl das Werkstück durchdringt, füllt es sich mit geschmolzenem Metall. Das Stichlochschweißen ist ein Hochgeschwindigkeitsprozess, daher werden die Verformung und die Bildung der Wärmeeinflusszone auf ein Minimum reduziert.
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Laserschweißverfahren

Beim Laserschweißen wird mithilfe eines Lasers mit hoher Leistungsdichte Wärme auf die Verbindung zwischen zwei Metalloberflächen aufgebracht. Das Material schmilzt an den Nähten und ermöglicht eine Verschmelzung zwischen den Metallen, wenn es sich verfestigt.
Das Laserschweißen wird typischerweise von Schweißrobotern durchgeführt, die große Energiemengen mit hoher Geschwindigkeit und Präzision aufbringen können, geführt von flexiblen optischen Fasern. Dadurch schmilzt eine ausreichende Menge Metall in der Naht, um eine schmale Schweißnaht mit minimaler Verformung zu erzeugen. Handgeführte Laserschweißmaschinen sind eine großartige Alternative zu sperrigen Industriemaschinen, aber die Sicherheit von Laserschweißern kann gefährdet sein und das Tragen von spezieller Schutzausrüstung erfordern.
Der Schweißprozess kann unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden, aber für reaktivere Materialien wird ein Schutzgas empfohlen, um das Kontaminationsrisiko auszuschließen. Ähnlich wie das Elektronenstrahlschweißen kann das Laserschweißen im Vakuum durchgeführt werden, wurde jedoch als nicht wirtschaftlich angesehen. Daher sind Laserschweißgeräte mit Gasdüsen ausgestattet, die den Schweißbereich mit Inertgas versorgen.
Viele Laserschweißanwendungen erfordern kein zusätzliches Füllmaterial. Einige anspruchsvolle Materialien und Anwendungen erfordern jedoch Füllmaterialien, um zufriedenstellende Schweißnähte zu erzeugen. Das Hinzufügen von Füllmaterial verbessert das Schweißprofil, verringert Erstarrungsrisse, verleiht der Schweißnaht bessere mechanische Eigenschaften und ermöglicht eine präzisere Fugenpassung. Das Füllmaterial kann in Pulverform oder als Fülldraht vorliegen. Da Pulver jedoch für die meisten Materialien im Allgemeinen teurer ist, wird üblicherweise Draht verwendet. Die vier häufigsten Arten von Verbindungen, die beim Laserschweißen verwendet werden, sind Stumpfnähte, Randflanschnähte, Füllüberlappnähte und Überlappnähte.
Laserschweißen kann an einer Vielzahl von Metallmaterialien durchgeführt werden, einschließlich Weichstahl, Edelstahl, Aluminium, Titan und mehr. Das Laserschweißen von Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt wird im Allgemeinen aufgrund der schnellen Abkühlgeschwindigkeit und der Rissneigung nicht empfohlen.
Laserschweißmaschine

Lasertyp

Laserschweißmaschinen für Schweißprozesse werden hauptsächlich in 3 Typen unterteilt: Gaslaser (CO2), Festkörperlaser und Faserlaser.

Gaslaser (CO2)

Die CO2-Laserquelle ist ein Mischgas, in dem CO2 der Hauptbestandteil ist und zusätzlich Stickstoff und Helium vorhanden sind. Diese Laser können im kontinuierlichen oder gepulsten Modus bei niedrigen Strömen und hohen Spannungen betrieben werden, um Gasmoleküle anzuregen. CO2-Laser werden auch in Sonderfällen wie dem Zweistrahl-Laserschweißen eingesetzt, bei dem zwei Strahlen erzeugt und hintereinander oder nebeneinander angeordnet werden.

Festkörperlaser

Festkörperlaser verwenden die diodengepumpte Festkörpertechnologie (DPSS), um Mineralien wie Rubin, Glas oder Yttrium, Aluminium und Granat (YAG) oder Yttrium-Vanadat-Kristalle (YVO4) durch Laserdioden zu pumpen, um Laserlicht zu erzeugen. Diese Laser arbeiten im Dauerstrich- oder Impulsstrahlmodus. Der Impulsmodus erzeugt eine Verbindung ähnlich einer Punktschweißung, jedoch mit vollständiger Durchdringung. Im Vergleich zu modernen Faserlasern hat dieser Lasertyp viele Nachteile, aber wir können nicht leugnen, dass Festkörperlaser immer noch eine hervorragende Strahlstabilität und -qualität sowie eine hohe Effizienz haben.
Halbleiterbasierte Laser sind ebenfalls Festkörperlaser, werden aber im Allgemeinen als eine andere Klasse als Festkörperlaser betrachtet. Diese Laser eignen sich nur für günstigere kleinere Projekte. Sie werden jedoch manchmal beim Schweißen in schwer zugänglichen Bereichen verwendet, da die Geräte kompakter sind. Die Strahlqualität ist viel schlechter als bei anderen Lasertypen, daher ist sie in industriellen Umgebungen nicht üblich.

Faserlaser

Faserlaser sind eine neue Klasse von Festkörperlasern, die eine höhere Laserleistung, bessere Qualität und einen sichereren Betrieb bieten. Bei einem Faserlaser entsteht der Laserstrahl, wenn die Faser das Rohlicht der Pumplaserdiode absorbiert. Um diesen Übergang zu erreichen, wird die Faser mit Seltenerdelementen dotiert. Durch die Verwendung verschiedener Dotierungselemente ist es möglich, Laserstrahlen mit einem breiten Wellenlängenbereich zu erzeugen, was Faserlaser ideal für eine Vielzahl von Anwendungen macht, einschließlich Laserschweißen und Laserschneiden. Es ist jedoch anzumerken, dass Standard-Laserschneidköpfe nicht zum Schweißen verwendet werden können und Laserschweißköpfe die Schnittgeschwindigkeits- und Qualitätsanforderungen der meisten industriellen Anwendungen nicht erfüllen können.
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Was sind die Sicherheitsrichtlinien für die Verwendung des Laserschweißens?

Obwohl ein tragbares Laserschweißgerät einfach zu bedienen ist und über integrierte Sicherheitsfunktionen verfügt, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass es sich um ein leistungsstarkes Industriegerät handelt. Denken Sie bei der Arbeit an einem Laserschweißgerät daran, dass der Laserstrahl für Körper und Augen gefährlich sein kann. Laserschweißstrahlen sind unsichtbares Licht, daher können Sie sich aus Sicherheitsgründen nicht auf visuelle Hinweise verlassen.
Obwohl Laserschweißmaschinen Laser der Klasse IV sind und Sicherheitsfunktionen in das System integriert sind, müssen bei der Erstellung eines Lasersicherheitsprogramms auch herkömmliche Schweißsicherheitsanforderungen umgesetzt werden. Hier sind einige allgemeine Regeln zu beachten:
  • Tragen Sie nicht brennbare Kleidung, lange Ärmel oder einen Schweißanzug. Jeder, der sich in einem laserkontrollierten Bereich aufhält, muss eine persönliche Schutzausrüstung tragen, einschließlich einer für den Lasertyp geeigneten Laserschutzbrille und eines herkömmlichen Schweißhelms.
  • Bitte befolgen Sie die Betriebssicherheitsverfahren und berücksichtigen Sie, dass das Laserlicht reflektiert werden kann.
  • Betreiben Sie niemals ein handgeführtes Laserschweißgerät, bevor Sie nicht vollständig mit den Sicherheitsanforderungen und -verfahren vertraut sind, die im Gerätehandbuch des Herstellers dokumentiert sind.
Automatischer Drahtvorschub

Vorteile des Laserschweißens

  • Hervorragende Schweißqualität durch geringen Wärmeeintrag und präzise Laserleistungssteuerung.
  • Schnelle Schweißgeschwindigkeit und niedrige Stückkosten.
  • Größere Schweißtiefen bilden hochfeste Schweißnähte.
  • Ermöglicht das Schweißen von Materialkombinationen, die mit anderen Methoden nicht verbunden werden können.
  • Einfache Schweißgeräte ermöglichen das Schweißen unter besonderen Bedingungen.
Laserschweißmaschine Automatischer Drahtvorschub

Nachteile des Laserschweißens

  • Die Anfangsinvestition ist hoch.
  • Enge Toleranzen erfordern eine perfekte Werkstückpassung und Laserausrichtung.
  • Materialien mit hoher Reflektivität und Leitfähigkeit (Aluminium und Kupfer) können komplexe Schweißergebnisse erzeugen (bei CO2-Lasern).
  • Eine schnelle Erstarrung kann zu Porosität und Sprödigkeit führen.
  • Laseroptiken sind sehr zerbrechlich und können leicht beschädigt werden.
Beispiel für Laserschweißen

Laser-Hybrid-Schweißen

Das Laserhybridschweißen kombiniert die Schweißverfahren Lichtbogen und Laserstrahl. Die beiden Schweißverfahren wirken gleichzeitig auf denselben Schweißbereich, sodass der Schweißeffekt die Vorteile des Lichtbogen- und Laserstrahlschweißens hat und ein einzigartiges Schweißverfahren entsteht. Obwohl das Laserschweißen in Verbindung mit fast jedem Lichtbogenschweißverfahren verwendet werden kann, gibt es einige Verfahren, die hervorstechen und häufiger verwendet werden.
Es gibt drei Hauptarten des Laserhybridschweißens:
  • MIG-Additives Schweißen (oft synonym mit Laser-Hybrid-Schweißen)
  • WIG-Zusatzschweißen
  • Plasmaschweißen
Das Hybridschweißverfahren bietet den tiefen Einbrand des Laserschweißens und ein mit Lichtbogenschweißverfahren vergleichbares Schweißkappenprofil. Die Verwendung von Schutzgas und anderen Verbrauchsmaterialien für das Lichtbogenschweißen ermöglicht eine bessere Kontrolle der Schweißeigenschaften als das Laserschweißen selbst. Das Laser-Hybrid-Schweißen ist zweifellos ein aufstrebendes Verfahren, das in Zukunft immer mehr im Schiffbau, in der Eisenbahn, in der Automobilindustrie und bei großen Pipeline-Schweißprojekten zum Einsatz kommen wird.

Häufig gestellte Fragen

Braucht Laserschweißen Gas?
Laser können je nach Anwendung und zu schweißendem Material mit oder ohne Gas durchgeführt werden. In einigen Fällen kann ein Schutzgas wie Argon, Helium oder Stickstoff verwendet werden, um eine Schutzatmosphäre um den Schweißbereich herum zu schaffen. Dies ist besonders wichtig beim Schweißen von oxidationsempfindlichen Materialien wie Titan oder Aluminium. Die Art des verwendeten Gases hängt vom zu schweißenden Material, dem Schweißverfahren und der verwendeten Ausrüstung ab.
In einigen Fällen kann ein Gasgemisch verwendet werden, um einen bestimmten Schweißeffekt zu erzielen. Beispielsweise kann eine Mischung aus Helium und Argon zum Schweißen von Edelstahl verwendet werden, während Stickstoff häufig zum Schweißen von Aluminium verwendet wird. Die Verwendung von Gas ist ein wichtiger Aspekt des Laserschweißens und trägt zur Qualität und Zuverlässigkeit der Schweißnaht bei.
Ja, Laserschweißen ist ein robustes und zuverlässiges Schweißverfahren. Beim Laserschweißen wird ein hochfokussierter Laserstrahl verwendet, um Metalloberflächen zu schmelzen und zu verschmelzen, sodass eine starke, hochwertige Verbindung entsteht. Die vom Hochleistungslaserstrahl erzeugte Wärme ist hochkonzentriert, was zu minimaler Verformung und einer sehr schmalen Wärmeeinflusszone führt.
Die Stärke des Laserschweißens hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der Art des zu schweißenden Metalls und des spezifischen Schweißverfahrens. Die richtige Vorbereitung und Schweißparameter wie Laserleistung, Geschwindigkeit und Impulsdauer müssen sorgfältig kontrolliert werden, um eine starke und zuverlässige Schweißnaht zu gewährleisten. Im Allgemeinen ist das Laserschweißen besonders effektiv zum Schweißen dünner Materialien, da es die während des Schweißprozesses erzeugte Wärme und Verformung minimiert.
Laserschweißen wird häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen Festigkeit und Präzision entscheidend sind, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Herstellung medizinischer Geräte. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Schweißnahtfestigkeit auch von der richtigen Schweißnahtkonstruktion und -ausführung abhängt, daher ist es wichtig, erfahrene Schweißer und Ingenieure in den Prozess einzubeziehen.

Laserschweißen ist ein hochpräzises Schweißverfahren, mit dem viele verschiedene Arten von Metallen verbunden werden können, darunter:

  • Stahl: Laserschweißen wird üblicherweise zum Schweißen verschiedener Stahlsorten verwendet, einschließlich Weichstahl, Edelstahl und hochfestem Stahl, da es hochwertige Schweißnähte mit geringer Wärmezufuhr liefern kann.
  • Aluminium: Das Laserschweißen ist aufgrund seines hohen Reflexionsvermögens und seiner Wärmeleitfähigkeit eine effektive Methode zum Schweißen von Aluminium.
  • Kupfer: Laserschweißen eignet sich auch zum Schweißen von Kupfer und Messing, während herkömmliche Schweißtechniken Kupfer nur schwer schweißen können, sie werden häufig in Elektronik- und Sanitäranwendungen eingesetzt.
  • Titan: Laserschweißen wird wegen seines hohen Schmelzpunkts und seiner Reaktivität häufig zum Schweißen von Titan verwendet.
  • Gold und Silber: Laserschweißen kann auch zum Schweißen von Edelmetallen wie Gold und Silber verwendet werden, die häufig in der Schmuckherstellung und anderen High-End-Anwendungen verwendet werden.
  • Nickel und seine Legierungen: Laserschweißen kann zum Schweißen von Nickel und seinen Legierungen wie Inconel verwendet werden, das häufig in der Luft- und Raumfahrt und anderen Hochleistungsanwendungen verwendet wird.
  • Magnesium: Magnesium ist ein laserschweißbares Leichtmetall, insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Laserschweißen ist ein vielseitiges Schweißverfahren, mit dem eine Vielzahl von Metallen, sowohl Eisen- als auch Nichteisenmetalle, verbunden werden können. Die genaue Eignung des Laserschweißens für ein bestimmtes Metall hängt jedoch von den spezifischen Eigenschaften des Metalls und den Anforderungen der Schweißanwendung ab.

Beim Laserschweißen wird im Allgemeinen kein Schweißdraht verwendet. Im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren wie dem MIG- (Metall-Inertgas-) oder WIG- (Wolfram-Inertgas-) Schweißen ist beim Laserschweißen kein Zusatzmaterial wie Schweißdraht erforderlich, um zwei Metallteile miteinander zu verbinden. Beim Laserschweißen wird ein fokussierter, hochintensiver Laserstrahl verwendet, um zwei Metallteile zu schmelzen und miteinander zu verbinden. Die vom Laserstrahl erzeugte Wärme reicht in der Regel aus, um das Metall ohne zusätzliches Schweißmaterial zu schmelzen.
In einigen Fällen kann der Verbindung jedoch eine kleine Menge Füllmaterial hinzugefügt werden, um ihre Festigkeit zu erhöhen oder um den Spalt zwischen den beiden zu verbindenden Teilen zu füllen. Dieses Füllmaterial liegt normalerweise in Draht- oder Pulverform vor und wird der Fuge durch einen manuellen oder automatisierten Prozess hinzugefügt. Darüber hinaus können einige Laserschweißtechniken, wie z. B. Hybridlaserschweißen, Schweißdraht verwenden, um einen stabileren Lichtbogen zu erzeugen und Spritzer zu reduzieren.

Laserschweißen ist ein weit verbreitetes Verfahren in verschiedenen Branchen, darunter Automobil, Luft- und Raumfahrt und Medizin. Obwohl das Laserschweißen viele Vorteile wie hohe Präzision, hohe Geschwindigkeit und geringe Verformung hat, gibt es auch einige potenzielle Mängel im Schweißprozess. Einige Fallstricke des Laserschweißens sind:

  • Porosität: Die Bildung kleiner Hohlräume oder Poren im Schweißmaterial, verursacht durch während des Schweißvorgangs eingeschlossene Gase, die die Schweißverbindung schwächen und ihre Festigkeit verringern können.
  • Risse: Beim Laserschweißen kann eine hochkonzentrierte Wärmeeinflusszone entstehen, die zum Reißen des geschweißten Materials führen kann, insbesondere wenn das Material einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat oder die Schweißgeschwindigkeit zu langsam ist.
  • Unvollständige Verschmelzung: Unzureichende Laserleistung zum vollständigen Schmelzen des Grundmetalls oder Füllmetalls führt zu einer unvollständigen Verschmelzung der Schweißnaht, was zu einer schwachen oder unvollständigen Verbindung führt.
  • Unterätzen: Übermäßiges Schmelzen des Grundmaterials kann Rillen oder Kerben am Rand der Schweißnaht verursachen, wodurch die Festigkeit der Verbindung geschwächt wird.
  • Verziehen: Das Laserschweißen erzeugt viel Wärme, wodurch sich das Schweißmaterial ausdehnt und zusammenzieht. Dies kann zu Verformungen oder Verwerfungen des geschweißten Materials führen, was die Maßhaltigkeit und Qualität des Produkts beeinträchtigen kann, insbesondere bei dünnen oder zerbrechlichen Materialien.
  • Oxidation: Die Einwirkung von Sauerstoff während des Laserschweißens kann eine Oxidation des Grundmaterials verursachen, was zu geschwächten Verbindungen und verringerter Korrosionsbeständigkeit führt.
  • Empfindlichkeit gegenüber Verbindungsmontage: Das Laserschweißen erfordert eine präzise Ausrichtung der beiden zu schweißenden Teile. Jede Fehlausrichtung oder Variation der Spaltabmessungen beeinträchtigt die Schweißqualität.

Um diese Fehler zu minimieren, müssen die Prozessparameter des Laserschweißens, einschließlich Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Strahlfokus, optimiert und geeignete Zusatzmaterialien und Schutzgase verwendet werden. Darüber hinaus können eine ordnungsgemäße Oberflächenbehandlung, Verbindungsdesign und Wärmebehandlung nach dem Schweißen auch dazu beitragen, das Auftreten von Laserschweißfehlern zu reduzieren.

Zusammenfassen

Das Laserschweißen wird für hochpräzises Schweißen verwendet, und da keine Elektroden verwendet werden, ist das endgültige Schweißergebnis leicht, aber stark. Die Anfangsinvestition ist teuer, aber die Qualität und Eigenschaften des Laserschweißens können nicht einfach reproduziert werden. Da Laser immer leistungsfähiger und energieeffizienter werden, sieht die Zukunft des Laserschweißens rosig aus!
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