Wie funktioniert Laserschweißen? Kosten, Vor- und Nachteile

Laserschweißen ist ein Fügeverfahren für Metalle. Wie bei allen Schweiß- und Fügeverfahren wird beim Laserschweißen punktuell Wärme ausgeübt.

Beim Laserschweißen werden zwei Bauteile miteinander verbunden. Hierzu werden beide Seiten des Stoßmaterials aufgeschmolzen. Die Schmelze fließt zusammen und bildet die Verbindung. Laserstrahlschweißen wird seit etwa 30 Jahren eingesetzt. Bisher wurde es punktuell eingesetzt und stand stets in starker Konkurrenz zu herkömmlichen Schweißverfahren. Aufgrund moderner, additiver Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck metallischer Objekte gewinnt das Laserschweißen derzeit rasant an Bedeutung.

Der geistige Vater des Lasers ist kein geringerer als Albert Einstein. Vor etwa 100 Jahren veröffentlichte er seine ersten Gedanken zum Thema Lichtbündelung. Es dauerte bis 1928, bis das erste Experiment Einsteins Theorien bestätigte. Von da an dauerte es allerdings noch weitere 32 Jahre, bis 1960 tatsächlich der erste Laserstrahl mit einem Rubin erzeugt werden konnte. Der teure Rubin wurde kurze Zeit später durch Gas ersetzt, was die Herstellung von Lasergeräten deutlich verbilligte.

Die Nutzung dieser neuen, faszinierenden Lichtform ließ nicht lange auf sich warten. Zunächst brachten Laser enorme Fortschritte in der Messtechnik. Erstmals war es möglich, präzise Messungen über große Entfernungen durchzuführen. Beispielsweise installierten NASA-Astronauten einen Spiegel auf dem Mond. Mit diesem Spiegel und einem auf der Erde stationierten Laser konnte der Abstand zwischen den beiden Himmelskörpern auf den Zentimeter genau bestimmt werden. Auch die ersten Versuche des Laserstrahlschweißens gab es in den 1960er Jahren. Am meisten geschätzt wurden jedoch zunächst die Laserschneidverfahren.

Der DVS – Deutscher Verein für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. ist ein technisch-wissenschaftlicher Berufsverband, der in allen Bereichen der Verbindungstechnik tätig ist.

Der Laserschnitt ist die präziseste Art, ein Material zu schneiden. Aufgrund seiner enormen Energiedichte ist der Lasercut-Prozess sehr schnell. Nicht nur, dass der Schnittspalt selbst extrem eng ist. Auch die seitlichen Wärmeeinflusszonen sind bei diesem Trennverfahren so gering, dass sie meist vernachlässigt werden können. Dies unterscheidet beispielsweise das Laserschneiden vom Brennschneiden. Die durch Schneidbrenner abgetrennten Platten müssen in der Regel entgratet und anschließend abgefräst werden, um verwendbar zu sein. Trotz der enormen Vorteile in Präzision, Geschwindigkeit und Materialschonung besetzten Laserschneiden und Laserschweißen lange Zeit nur eine Nische. Eine nennenswerte Verbreitung von Anlagen zum Laserschneiden und Laserstrahlschweißen erfolgte erst Mitte der 1980er Jahre. Zuvor wurden diese Systeme nur in Forschungsinstituten und Fachbetrieben eingesetzt.

Vor allem die Flugzeughersteller konnten mit diesem innovativen Trenn- und Fügeverfahren große Fortschritte erzielen. Dabei spielt aber auch der in der Avionik standardmäßig verwendete Werkstoff eine entscheidende Rolle: Der auf Aluminium basierende Dural lässt sich mit einer Schmelztemperatur von nur 600 °C deutlich einfacher verarbeiten als der im konventionellen Maschinenbau verwendete Stahl. Bei einer Schmelztemperatur von 1400 °C ist zum Schmelzen mehr als die doppelte Energiemenge erforderlich. Aber: Um Laserschweißsysteme auch im Stahlbau effizient einsetzen zu können, erwies sich der Umweg über das Aluminiumschweißen als ideal.

Grundwissen

Richtiges Löten – Lötmethoden und Unterschiede zum Schweißen

Laserschweißen ist heute noch kein Standard-Schweißverfahren. Allerdings hat es seinen experimentellen Status längst hinter sich gelassen. Lohndienstleister und Blechbearbeiter vertrauen zunehmend auf dieses Hightech-Verfahren, das nach wie vor durch Effizienz, Qualität und Präzision überzeugt.

Das Verfahren der additiven Fertigung, das sich bereits vor fast 10 Jahren verbreitet hat, erreicht derzeit mit dem Laserschweißen seinen Höhepunkt. Lange Zeit war der 3D-Druck nur für Keramik und Kunststoffe verfügbar. Um metallische Objekte mittels 3D-Druck-Technologie herzustellen, blieb bis vor wenigen Jahren nur die Möglichkeit, diese Materialien für die Herstellung von Gusskernen zu verwenden. Mit dem Metallpulver-Laserschweißen ist es mittlerweile jedoch möglich, beliebig geformte Produkte mittels 3D-Druck herzustellen. Diese Entdeckung verleiht dem Laserschweißen derzeit einen weiteren Aufschwung.

Das Thema Schweißen steht im Fokus der Fachmessen Schweißtec in Stuttgart und Welding and Cutting in Essen.

Das Laserstrahlschweißen ist ein weitgehend automatisierter Prozess. Es ist nicht mit den traditionellen manuell geführten Schweißmethoden zu vergleichen. Daher ist dieser Fügeprozess ein sehr sicherer Produktionsschritt. Beim Laserstrahlschweißen wird das Werkstück fest in einer Vorrichtung eingespannt. Der Bediener hält in der Regel Abstand. Die einzige Gefahr für anwesende Personen besteht bei diesem Vorgang darin, versehentlich in den Laserstrahl zu blicken. Zu diesem Zweck wurden spezielle Schutzbrillen entwickelt, die das einfallende Laserlicht absorbieren, dämpfen und streuen. Sofern alle Anwesenden auf ihre persönliche Schutzausrüstung achten, ist das Laserstrahlschweißen ein besonders sicheres Verfahren.

Beim Laserstrahlschweißen handelt es sich um ein berührungsloses Fügeverfahren. Es erfolgt immer automatisch. Moderne Laserstrahlschweißanlagen sind mit einem integrierten Messsystem ausgestattet, das die Abmessungen des gefertigten Bauteils selbstständig überprüft. Dadurch sind diese Systeme besonders präzise und die Grundlage für die Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität.

Der größte Nachteil dieser innovativen Verfahren sind nach wie vor die Kosten. Dabei kommt es stark darauf an, was und welches Material mit der Laserschweißanlage bearbeitet werden soll. Selbst einfache Mikrosysteme, die beispielsweise zur Gravur von Eheringen eingesetzt werden, können mehrere tausend Euro kosten. Fabrikneue Hochleistungsanlagen kosten selten weniger als 100.000 Euro, eher mehr. Diesen Kosten stehen eine hervorragende Fertigungsqualität und eine hohe Produktivität gegenüber. Tatsächlich wird das Laserschweißen in der Regel mit einer viel höheren Geschwindigkeit durchgeführt als herkömmliche Elektro- oder Schutzgasschweißverfahren.

Das Schweißen per Laserstrahl ist im Grunde ganz einfach: Zwei präzise zugeschnittene Bleche werden zusammengehalten. Der Laser schmilzt die Kanten des Blechs auf. Die Schmelze fließt ineinander – und die Verbindung ist fertig.

Der VdLB Verband deutscher Laseranwender – Blechbearbeitung eV vertritt die Interessen von Inhabern, Geschäftsführern und Unternehmensleitern im breiten Markt der Materialbearbeitung – in diesem Fall der Blechbearbeitung. Ihr Ziel ist es, die Zusammenarbeit zum Nutzen aller Beteiligten zu fördern. Zusammenarbeit, Erfahrungsaustausch durch intensiven Dialog, technische Informationen und Weiterbildung stehen im Mittelpunkt.

Aluminiumbleche werden durchgehend verschweißt. Bei Stahlblechen, insbesondere größeren Querschnitten, wird dem Nahtschweißen ein Heftschweißen vorangestellt. Die Klammern stabilisieren die Blechteile und garantieren eine gleichbleibende Präzision beim Fügen.

Eine Laserschweißanlage besteht aus der Laseroptik, einer motorischen Führung und ggf. einem Arbeitstisch. In jedem Fall müssen die zu verschweißenden Halbzeuge fest eingespannt sein, um ein präzises Fügen zu ermöglichen. Man unterscheidet daher zwischen mobilen und stationären Laserschweißanlagen. Bei mobilen Laserstrahlschweißanlagen wird das Gerät in die Nähe eines Produkts gebracht. Stationäre Laserschweißmaschinen verfügen über einen Arbeitstisch mit Spannvorrichtung. Das Einlegen und Spannen der stationären Laserschweißsysteme erfolgt wahlweise motorisch oder automatisch. Allerdings begrenzt die Größe des Arbeitstisches die Abmessungen der zu verarbeitenden Produkte. Neben der Schweißoptik und den präzise arbeitenden Servos des Roboterarms ist die Steuerung der wichtigste Bestandteil einer Laserstrahlschweißanlage. Es führt den Arm zu den vorgesehenen Punkten und reguliert die Dauer und Intensität des Laserstrahls.

Die ideale Ergänzung zu einer Laserschweißanlage ist eine Laserschneidanlage. Die präzisen lasergeschnittenen Formen liefern die exakte Geometrie, mit der eine Laserstrahlschweißmaschine die bestmöglichen Ergebnisse erzielen kann.

Die Fachmesse Lasys in Stuttgart und die Fachmesse Laser World of Photonics in München widmen sich dem Laser als Werkzeug.

Neben Präzision und geringem Wärmeeintrag gehört die Arbeitsgeschwindigkeit zu den herausragenden Eigenschaften des Laserschweißens. Unter idealen Bedingungen kann eine lange, gerade Endlosnaht mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 m/Minute geschweißt werden. Da die Intensität des Laserstrahls variiert werden kann, ist der Einfluss des verwendeten Materials weniger entscheidend für die Arbeitsgeschwindigkeit einer Laserschweißanlage. Selbst dicke Bleche lassen sich in Sekundenschnelle präzise verbinden.

Um einen Werkstoff schweißen zu können, muss eine Temperatur knapp über seinem Schmelzpunkt erreicht werden. Bei herkömmlichen Schweißverfahren ist daher die Schmelztemperatur des Materials ein limitierender Faktor: Nicht jedes Material kann mit jedem Schweißverfahren verarbeitet werden. Lediglich beim Elektroschweißen gibt es einen gewissen Spielraum hinsichtlich der Intensität der punktuellen Wärmeabgabe an den Elektroden. Anders das Laserstrahlschweißen: Es bietet von allen Schweißverfahren die größte Flexibilität hinsichtlich der Schweißtemperatur. Dieser Überblick über häufig verwendete Materialien und deren Schmelzpunkte verdeutlicht die Bandbreite der Materialien, die durch Laserstrahlschweißen bearbeitet werden können:

In der Praxis werden beim Laserstrahlschweißen deutlich höhere Temperaturen erreicht. Dennoch zeigt dieses Spektrum deutlich, wie variabel dieser Fügeprozess ist.

Vorteile des Laserschweißens

Das herausragende Merkmal des Laserschweißens ist die gleichbleibend hohe Präzision. Neben der besonders feinen Naht ist der geringe Temperatureintrag das wichtigste Plus. Im Gegensatz zum Schutzgasschweißen, bei dem langsam gearbeitet wird und viel Hitze eingebracht wird, ist das Laserschweißen extrem schnell und minimalinvasiv. Dadurch wird eine vollständige Erwärmung des Grundmaterials vermieden. Eine punktuelle Wärmeausdehnung findet somit nicht statt, wodurch auch ein Verzug des Werkstücks nach dem Abkühlen vermieden wird. Ein Nachbearbeiten der Schweißkonstruktion auf einer Richtbank ist daher nach dem Laserstrahlschweißen nicht notwendig.

Der gleichmäßige, gepulste Strahl des Laserschweißens sorgt zudem für eine besonders saubere Naht. Schweißperlen oder Schweißgrate, die beim Schutzgas- oder Elektroschweißen oft unvermeidbar sind, treten bei diesem Fügeverfahren nicht auf. Schließlich kann auf einer Laserschweißmaschine jedes schweißbare Material verarbeitet werden. Das Laserschweißen bietet von allen Fügeverfahren das breiteste Materialspektrum, das verarbeitet werden kann. Glas oder Kunststoff beispielsweise lassen sich mit keinem anderen Verfahren verbinden.

Grundwissen

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Nachteile des Laserschweißens

Ein großer Nachteil des Laserstrahlschweißens sind die hohen apparativen Kosten. Diese Investition muss sehr gut durchdacht sein. Der ROI sollte bereits vor dem Kauf einigermaßen gesichert sein, sonst kann eine Laserschweißanlage schnell zu einem Verlustgeschäft werden. Sollte ein Lohndienstleister daher darüber nachdenken, eine Laserschweißanlage in seinen Maschinenpark aufzunehmen, empfiehlt sich eine entsprechend hohe Investition in eine passende Marketingkampagne. Unterstützt wird das Laserschweißen dadurch, dass die Anforderungen der Kunden an Toleranzen in der Fertigung ständig steigen. Es ist zu erwarten, dass herkömmliche Schweißverfahren für viele Anwendungen nicht mehr geeignet sein werden. Eine Investition in das Laserschweißen ist daher immer noch ein Risiko, wenn auch ein immer beherrschbareres.

Ein limitierender Faktor beim Laserschweißen ist die Art der Anwendung: Die Bedienung einer Laserschweißanlage ist vergleichbar mit der einer CNC-Fräsmaschine. Zwar kann eine Fehlbedienung keinen so großen Schaden anrichten wie eine falsch programmierte Schneidemaschine. Dennoch sind eine fundierte Ausbildung, ein mathematisch-technisches Grundwissen und eine gründliche Einarbeitung erforderlich, um effizient mit einer Laserschweißmaschine umgehen zu können.

Andererseits sind die gesundheitlichen Risiken beim Laserstrahlschweißen gering. Selbstverständlich erfordert das Laserschweißen von Aluminium eine leistungsstarke Absauganlage. Auch zur motorischen Kinematik ist auf Abstand zu achten. Bediener müssen sich vom Arbeitsbereich eines aktiven Roboterarms fernhalten. Dies ist eine grundlegende Tatsache im Umgang mit modernen, automatisierten Fertigungsverfahren. Denn beim Laserschweißen ist grundsätzlich das Tragen einer Laserschutzbrille erforderlich. Dadurch werden Unfälle durch Blick in das Laserlicht vermieden. Bei Beachtung dieser Sicherheitsregeln geht vom Laserschweißen keine besondere Gefahr aus.

Laserschweißen von Blechen

Schweißen beschreibt das Verbinden von Werkstoffen durch Hitze. Dünne Bleche eignen sich grundsätzlich besser für die vollflächige Nahtverschweißung als dicke Bleche. Heutzutage können beim Laserschweißen erstaunliche Materialstärken verarbeitet werden. Aufgrund seiner variablen Schweißtemperatur ist es relativ unempfindlich gegenüber den einzelnen Metallarten. Egal ob Edelstahl, Baustahl, Kupfer oder andere Blecharten geschweißt werden sollen, das Laserstrahlschweißen meistert diese Aufgabe mit gleichbleibender Präzision. Einzige Voraussetzungen sind ein ausreichend enger Schweißspalt sowie eine genau eingestellte Schweißtemperatur und -frequenz. Bei einem zu großen Fügespalt lässt sich mit dem Auftragsschweißen oder Füllschweißen – auch mit dem Laserschweißverfahren – immer noch ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielen.

Laserschweißen von Aluminium

Beim Laserschweißen von Aluminium kann nur eine Aluminium-Mangan-Legierung ohne Zusatzwerkstoff geschweißt werden. Alle anderen Legierungen können nur mit Hilfe von Zusätzen lasergeschweißt werden. Dies gilt insbesondere für Aluminium-Silizium-Verbindungen. Aluminiumlegierungen mit Mangan können durch Laserschweißen nur bedingt bearbeitet werden.

Laserschweißen wird immer häufiger eingesetzt. Typische Bereiche sind:

Das Laserschweißen erfreut sich aufgrund seiner Präzision großer Beliebtheit im Werkzeugbau. Es steht somit in direkter Konkurrenz zum Erodierprozess. Die Herstellung präziser Stanz-, Press- und Gusswerkzeuge durch additives oder subtraktives Laserschweißen ist die Antwort auf die Herausforderungen der Industrie 4.0.

In der Automobilindustrie wird das Laserschweißen aufgrund seiner werkzeuglosen Arbeitsweise eingesetzt. Im Gegensatz zum Elektroschweißen ist beim Laserschweißen kein ständiges Reinigen oder Austauschen der Köpfe erforderlich. Der Stahlbau erfährt durch das Laserschweißen völlig neue Dimensionen in puncto Präzision und Produktivität. Die schnelle Bearbeitung dicker Bleche innerhalb hoher Toleranzen ist durch das Laserstrahlschweißen keine Fiktion mehr. Das gilt auch für den Schiffbau: Dort sind es vor allem präzisionsgefertigte Teile wie Ruder, Steuer- und Antriebsschrauben, die durch Laserschweißen ihre gewünschte Toleranz erreichen. Die Folge sind höhere Geschwindigkeiten und ein geringerer Treibstoffverbrauch der Schiffe.

Grundlagen

Wie funktioniert die Umformung von Blechen?

Dank des werkzeuglosen Laserschweißverfahrens ist der Verschleiß der Systeme vergleichsweise gering. Beim Laserschweißen bewegt sich der Werkzeugkopf praktisch berührungslos entlang der gewünschten Bahn. Die Übertragung auf das Werkstück erfolgt über die Luft. Führung und Lagerung des Roboterarms unterliegen daher kaum einem nennenswerten Verschleiß. Allerdings ist die Laseroptik enormen Belastungen ausgesetzt. Die hier angewandten hohen Temperaturen werden durch die Bündelung des Lichts erzeugt. Werden besonders preiswerte Systeme zum Laserschweißen angeboten, liegt dies meist an fehlender oder defekter Optik. Dann bleibt es eine Frage der Rechnung: Mit frischem Aussehen und einem generalüberholten Lasergenerator ist eine gebrauchte Laserschweißanlage fast so gut wie eine neue.

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Dieser Artikel wurde zuerst von belchnet veröffentlicht.

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