Veröffentlicht von Stéphane Melançon, 05. Mai 2023
Batterien
Das Glasfaser-Laserschweißen ist ein Schweißverfahren, bei dem ein Laserstrahl als Wärmequelle eingesetzt wird. Als berührungslose Werkzeuge sind Glasfaser-Laser wartungsarm und bieten schnelle Schweißgeschwindigkeiten. Der Laserstrahl ist hochpräzise und hat einen geringen Wärmeeintrag, wodurch die Beschädigung des Materials minimiert wird.
Eine der neuen Anwendungen ist die Herstellung von Zelle-Sammelschiene-Verbindungen für zylindrische und prismatische Zellen und Module. Ein Beispiel dafür sehen Sie im folgenden Video:
Weitere Informationen und zum besseren Verständnis zu den verschiedenen Möglichkeiten finden Sie in den folgenden Dokumenten.
- Vorteile und Herausforderungen
- Glasfaser-Laserschweißsysteme
- Arten von Glasfaser-Laserschweißsystemen
- Glasfaser-Laserschweißen vs. andere Schweißverfahren
- Laserschweißanwendungen
Vorteile und Herausforderungen
Das Glasfaser-Laserschweißen wird in der Fertigung immer beliebter, um die Produktion zu steigern und die Qualität zu verbessern. Aber es bringt auch eine Reihe von Herausforderungen mit sich, die im Folgenden dargestellt werden.
| Vorteile | Herausforderungen |
|---|---|
| Die Schweißgeschwindigkeit ist hoch und kann durch Anpassung der Laserleistung an jede Anwendung angepasst werden. | Die Qualität der Schweißnaht wird durch äußere Faktoren beeinflusst (z. B. Fugenspalt, Materialfehler usw.). |
| Der Prozess ist präzise und leicht zu kontrollieren, so dass er in hohem Maße wiederholbar ist. | Zum Schutz der Arbeitnehmer und der Arbeitsumgebung sind Laserschutzmaßnahmen erforderlich. |
| Glasfaser-Laser können eine breite Palette von Metallen wie Kupfer, Aluminium, Edelstahl und andere Metalle schweißen. | Schwankungen in der Teilepositionierung können den Fokus des Laserstrahls beeinflussen. |
| Die Faserlasertechnologie ist kompakt, was den Platzbedarf minimiert. | Der Laserstrahlengang darf nicht behindert werden, auch nicht durch Staub und Dämpfe (die den Strahl verzerren können). |
| Der Schweißprozess ist berührungslos und erfordert geringe Wartungsarbeit. | Das Reflexionsvermögen des Materials hat einen starken Einfluss auf die Effizienz des Laserprozesses. |
| Laser werden über eine Steuerung bedient und lassen sich daher leicht mit Robotern automatisieren. | Optische Komponenten müssen geschützt werden, daher werden Verbrauchsgüter wie ein Schutzglas benötigt. |
| Die effiziente Nutzung der Energie führt zu geringem Wärmeeintrag und verursacht minimale Wärmeverzerrung. | Der Laserprozess muss für jede Anwendung optimiert werden, da jedes Metall eine andere Fusionstemperatur hat (dies ist eine besondere Herausforderung beim Schweißen unterschiedlicher Metalle). |
Unsere Laserexperten wissen, wie man diese Herausforderungen meistert und können Ihnen helfen.
Glasfaser-Laserschweißsysteme
Ein Glasfaser-Laserschweißsystem mit Laserquelle, Laserregler und Laserschweißkopf. Bild ist Eigentum von Laserax.
Optische und elektrische Komponenten
Beim Glasfaser-Laserschweißen wird ein hoch fokussierter Laserstrahl zum Verbinden von Metallen eingesetzt. Der Laserstrahl wird durch ein System aus elektrischen und optischen Komponenten erzeugt. Nachstehend finden Sie eine Liste der wichtigsten Begriffe und ihre Definitionen.
- Stromversorgung: Die Stromversorgung wandelt den elektrischen Strom in Gleichstrom (DC) um, der von der Pumpenquelle verwendet wird.
- Laserquelle: Die Laserquelle besteht aus Pumpenquelle, Lasermedium und Laserresonator. Die Pumpenquelle ist ein elektrisches Gerät (in der Regel ein Array von Laserdioden), das elektrische Energie in Laserlicht umwandelt. Das Lasermedium ist eine mit einem Seltenerdelement (wie Ytterbium) dotierte Faser. Wenn das Pumpenlicht die dotierte Faser durchläuft, erzeugen die angeregten Moleküle Licht einer bestimmten Wellenlänge. Dieses Licht wird im Laserresonator verstärkt.
- Lichtleiterkabel: Das Lichtleiterkabel wird verwendet, um das Laserlicht zu leiten und an die richtige Stelle auf der zu bearbeitenden Oberfläche zu bringen.
- Glasfaserkollimator: Der Kollimator ist eine Linse, die das aus dem Lichtleiterkabel austretende Licht umwandelt und es in eine einzige Richtung bündelt, um seine Energie besser zu fokussieren.
- Strahlaufweiter: Der Strahlaufweiter erhöht die Größe des kollimierten Laserstrahls. Auf diese Weise ist der Strahl zwar weniger konzentriert, aber der Laserprozess toleriert Oberflächen- und Positionsschwankungen besser.
- Scannerkopf: Der Scannerkopf enthält rotierende Galvospiegel, die die Richtung des Laserstrahls steuern.
- Fokussierungslinse: Die Fokussierungslinse wird verwendet, um den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche zu fokussieren. Ein 200-mm-Fokussierungslinse bietet beispielsweise eine gute Schärfe zum Schweißen in einer Entfernung von 200 mm.
- Fokusverschiebung: Die Fokusverschiebung, auch 3D-Kopf genannt, ist eine optische Baugruppe, die den Fokusabstand während des Betriebs anpassen kann, um große Oberflächen- oder Positionsabweichungen auszugleichen.
Weitere Komponenten
Glasfaser-Laserschweißgeräte enthalten neben den optischen und elektrischen Bauteilen noch weitere Komponenten. Hier sind einige häufig vorkommende Komponenten:
Drahtvorschub
Ein Drahtvorschub kann verwendet werden, um während des Schweißens Füllmaterial zuzuführen. Es handelt sich um eine Hybridtechnologie zwischen MIG-Schweißen und Laserschweißen. Der Drahtvorschub kann in bestimmten Fällen zu einer hohen Schweißqualität beitragen, verlangsamt aber den Schweißprozess, da die Energie des Lasers dazu verwendet wird, mehr Metall zu schmelzen. Der Drahtvorschub ist nützlich, wenn die Verbindung nicht perfekt ist und Lücken verursacht, wenn die Erstarrung zu schnell erfolgt und Risse verursacht und wenn die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht verändert werden müssen.
Schutzgas
Um die Oxidation der Schweißnähte zu verhindern, verwenden einige Hersteller ein Schutzgas (z. B. Argon) in Kombination mit dem Laserschweißen. Die Verwendung eines Schutzgases ist zwar nicht immer erforderlich, um die erforderliche Schweißqualität zu erreichen, sie ist jedoch immer von Vorteil, da sie dazu beiträgt, die Anzahl von Fehlern in den Schweißnähten zu verringern. Eine gute Praxis, die wir bei Laserax anwenden, besteht darin, den Laserschweißprozess ohne Schutzgas zu entwickeln und auf diese Weise eine gute Schweißqualität zu erreichen. Die nachträgliche Zugabe von Schutzgas ist für den Prozess nur von Vorteil.
Laserregler
Der Regler ist ein elektronisches Gerät, das den Laserprozess steuert, indem es Parameter wie Laserleistung, Impuls-Wiederholungsrate und Impulsdauer anpasst. Er wird auch zur Regelung von Sicherheitsfunktionen verwendet.
Rauchabsauganlage
Beim Laserschweißen entstehen toxischer Rauch und Schadstoffe, die aus der Arbeitsumgebung abgesaugt und gefiltert werden müssen. Wir geben Ihnen Tipps, wie Sie die Absaugung möglichst effizient und sicher durchführen können.
Laser-Schweißüberwachung
Es gibt verschiedene LWM-Methoden, die eine Echtzeitanalyse des Schweißprozesses ermöglichen. Die Laserschweißüberwachung (LWM) ist unerlässlich, um eine gute Qualität der Schweißnaht zu gewährleisten und Abweichungen von guten Schweißeigenschaften festzustellen. Sie wird verwendet, um zu bestimmen, wann Schweißnähte nachgearbeitet werden müssen (bestanden/nicht bestanden).
Kühler
Hochleistungslaser, die zum industriellen Schweißen eingesetzt werden, erzeugen Wärme, die kontrolliert werden muss, um eine optimale Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten und Sicherheitsprobleme zu vermeiden. Je nach Leistung des Lasers können verschiedene Kühlsysteme eingesetzt werden, z. B. ein Luftkühler oder ein Wasserkühler.
Dauerstrich vs. gepulst
Sowohl Dauerstrich als auch gepulste Glasfaser-Laser können zum Laserschweißen eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind sie für verschiedene Anwendungen besser geeignet. Hier sind die Unterschiede:
- Preis: Dauerstrichlaser sind preiswerter
- Größe der Schweißnaht: Mit Dauerstrichlasern lassen sich größere Schweißnähte leichter herstellen
- Wärmeeinflusszone: Gepulste Laser haben eine geringere Wärmeeinflusszone
- Schweißtiefe: Gepulste Laser können flachere, weniger eingreifende Schweißnähte erzeugen
Einzelmodus vs. Multimodus
Single-Mode-Laser eignen sich besser für Mikroschweißanwendungen, die eine höhere Präzision erfordern, wie z. B. das Schweißen von Batterie-Tabs, während Multimodus-Laser ideal für größere Werkstücke sind, die schneller bearbeitet werden müssen. Hier sind ihre wichtigsten Unterschiede.
- Präzision: Mit ihrer kleineren Punktgröße bieten Single-Mode-Laser eine höhere Präzision für Mikroschweißanwendungen. Multimodus-Laser sind weniger präzise, da der Laserstrahl weniger fokussiert ist.
- Energiedichte: Single-Mode-Laser erzeugen aufgrund der geringeren Strahlgröße und der besseren Strahlqualität Laserstrahlen mit einer höheren Energiedichte. Multimodus-Laser haben zwar eine geringere Energiedichte, können aber größere Flächen schneller bearbeiten.
- Wärmeeinflusszone: Single-Mode-Laser haben eine geringere Wärmeeinflusszone, da die Wärme effizienter genutzt wird. Multimodus-Laser neigen dazu, Schweißnähte mit geringerer Qualität und höherer Porosität zu erzeugen.
Arten von Glasfaser-Laserschweißsystemen
Handgeführte Laserschweißgeräte
Handgeführte Glasfaser-Laserschweißgeräte sind leichter zugänglich als je zuvor. Ähnlich wie bei MIG- und TIG-Schweißsystemen hält der Bediener eine „Pistole“, um den Laserstrahl auszulösen und zu lenken. Selbst neue, unerfahrene Schweißer können schnell produktiv werden und qualitativ hochwertige Schweißnähte erzeugen, da die Lernkurve viel niedriger ist.
Laserschweiß-Workstations
Bei den Workstations handelt es sich um halbautomatische Lösungen, die in der Regel einen Bediener erfordern, der die Werkstücke einlegt und den Laserschweißprozess startet. Sie sind ideal für kleine Produktionschargen, zur Unterstützung der Produktentwicklung und zur Entwicklung eines für eine bestimmte Anwendung optimierten Verfahrens. Ein Beispiel dafür ist unsere Laserschweiß-Workstation für Batteriehersteller.
Roboter-Laserschweißgeräte
Roboterarme werden aufgrund ihrer Präzision und Wiederholgenauigkeit häufig beim Laserschweißen eingesetzt. Die Roboterarme können so programmiert werden, dass sie den Laserschweißkopf an bestimmte Punkte des Werkstücks bewegen, so dass große Werkstücke wie Karosserieteile, Flugzeugflügel und Rohre geschweißt werden können.
Robotergestützte Laserschweißgeräte
In Produktionsstraßen können Roboterarme zum Bewegen und Positionieren von Spannwerkzeugen während des Laserschweißens eingesetzt werden, wodurch die Wartezeit beim Spannen minimiert wird. Dadurch ist es auch möglich, die Spannposition und den Druck für jede einzelne Schweißung anzupassen.
Unser Batterie-Laserschweißgerät ist eine robotergestützte Lösung, die Herstellern hilft, die Produktion zu steigern und die Qualität zu verbessern. Dank seiner Automatisierungs- und Bildverarbeitungsfunktionen kann es mit hoher Geschwindigkeit schweißen. Bei 21700 zylindrischen Zellen liegt der Durchschnitt unserer Maschine bei 100 ms/Zelle.
Glasfaser-Laserschweißen vs. andere Schweißverfahren
Das Glasfaser-Laserschweißen wird aufgrund seiner vielen Vorteile gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren in den heutigen Produktionsstraßen zunehmend eingesetzt. Sie bietet höhere Präzision und Geschwindigkeit, bessere Schweißqualität und die Möglichkeit, eine größere Bandbreite an Materialien zu schweißen.
Das Verfahren ist außerdem umweltfreundlich, reduziert den Abfall und erfordert weniger Wartung als andere Schweißverfahren. Das macht sie zu einer kosteneffizienten und nachhaltigen Lösung für die moderne Fertigung.
Laser- vs. Ultraschallschweißen
Das Ultraschallschweißen ist ein Verfahren, bei dem Ultraschallvibrationen zum Verbinden von Oberflächen eingesetzt werden. Hier sind die wichtigsten Unterschiede zwischen Ultraschallschweißen und Laserschweißen:
- Laser sind viel schneller. In Produktionsstraßen für EV-Batterien sind sie mindestens 10-mal schneller als das Ultraschallschweißen und ermöglichen es den Herstellern, die Produktion zu steigern und die Anzahl der Maschinen in der Fertigung zu reduzieren.
- Laser erzeugen stärkere und haltbarere Verbindungen.
- Laser bieten eine größere Präzision und Kontrolle über den Schweißprozess, was zu einer höheren Schweißqualität führt.
- Ultraschallschweißen kann nicht zum Schweißen dicker Teile verwendet werden (in der Regel auf wenige Millimeter begrenzt)
- Ultraschallschweißen kann zum Schweißen von Kunststoffen und verformbaren Metallen verwendet werden. Laser können für eine breitere Palette von Metallen sowie zum Verbinden unterschiedlicher Metalle eingesetzt werden.
- Das Ultraschallschweißen erfordert eine geringere Anfangsinvestition.
Laserschweißen vs. MIG-Schweißen
Beim MIG-Schweißen oder Metallschutzgasschweißen (MSG) wird eine Drahtelektrode verwendet, die während des Schweißvorgangs verbraucht wird, um einen elektrischen Lichtbogen zu erzeugen und das zu verbindende Metall zu erhitzen.
Das Glasfaser-Laserschweißen erzeugt qualitativ hochwertigere Schweißnähte als das MIG-Schweißen, insbesondere bei Anwendungen, die hohe Präzision und Kontrolle erfordern. Es ist auch eine bessere Lösung für Hersteller, die ihre Produktion ausweiten wollen.
Allerdings ist das Laserschweißen teurer und komplexer in der Einrichtung.
Laserschweißen vs. TIG-Schweißen
Beim TIG-Schweißen, auch bekannt als Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen), wird eine nicht abschmelzende Wolframelektrode verwendet, um einen Lichtbogen zu erzeugen und das zu schweißende Metall zu schmelzen. Ein separater Schweißstab wird verwendet, um der Schweißnaht bei Bedarf Material zuzuführen.
Im Gegensatz zum Glasfaser-Laserschweißen erfordert das TIG-Schweißen einen hochqualifizierten Schweißer, der die Wärmezufuhr und das Füllmaterial regelt. Außerdem ist das Verfahren langsamer und arbeitsintensiver.
Beim Laserschweißen entsteht eine kleinere Wärmeeinflusszone, wodurch das Material weniger beschädigt wird. Für Anwendungen, bei denen das Aussehen wichtig ist, kann das TIG-Schweißen jedoch bevorzugt werden, da es ästhetischere Schweißnähte erzeugt.
Laserschweißen vs. Widerstandsschweißen
Beim Widerstandsschweißen fließt ein elektrischer Strom durch die zu schweißenden Metallteile. Wenn Strom durch das Metall fließt, erzeugt der elektrische Widerstand an der Kontaktstelle Wärme und bringt die beiden Metalle zum Schmelzen. Mit Elektroden kann eine Punktschweißung oder mit rotierenden Rädern eine Nahtschweißung durchgeführt werden.
Das Glasfaser-Laserschweißen erzielt bessere Schweißergebnisse als das Widerstandsschweißen. Da es sich um ein berührungsloses Verfahren handelt, werden sehr kleine und präzise Schweißnähte mit minimaler Wärmezufuhr erzeugt, was zu minimalem Verzug und einer kleineren Wärmeeinflusszone führt.
Das Widerstandsschweißen ist schwieriger zu regeln, da sich die Elektroden abnutzen. Sie eignet sich jedoch eher für kleine manuelle Arbeiten, da Laser mit hohen Anschaffungskosten verbunden sind.
Laserschweißanwendungen
Mit nahezu unbegrenzten Laserkonfigurationen ist die Laserschweißtechnik vielseitig und anpassungsfähig. Dadurch ist sie in einer Reihe von Branchen einsetzbar und ermöglicht qualitativ hochwertige Schweißnähte sowohl an kleinen als auch an großen Werkstücken.
| Industrie | Anwendungsbeispiele |
|---|---|
| Automobilindustrie | Batteriezellen und Module, Rohkarosserie, Radaufhängung, Übertragungssystem |
| Luftfahrzeug | Turbinenschaufeln, Rahmen, Rumpfabschnitte |
| Elektronik | Leiterplatten, Batteriezellen und Module, Gehäuse, Elektrokontakte |
| Medizin | Medizinische Geräte und Implantate |
| Bauwesen | Fensterrahmen, Platten, Rohre |
| Verteidigung | Gestelle, Panzerplatten |
Die wachsende Rolle des Glasfaser-Laserschweißens
Da die Nachfrage nach schnelleren, effizienteren und präziseren Fertigungsverfahren weiter steigt, dürfte das Glasfaser-Laserschweißen in vielen Branchen eine immer wichtigere Rolle spielen.
Wenn Sie ein Schweißprojekt haben, das durch die Anwendung eines Lasers profitieren kann, wenden Sie sich noch heute an unsere Laserexperten.
