Laserschweißen ist weniger verbreitet als Technologien wie MIG-, WIG- und Lichtbogenschweißen. Das liegt vor allem daran, dass es bis vor kurzem noch massive Investitionen erforderte.
Um das Jahr 2006 herum machte die Glasfaser-Lasertechnologie jedoch wichtige Fortschritte und senkte die Kosten drastisch. In den folgenden 18 Jahren haben weitere Fortschritte die Produktionskosten und die Betriebskosten von Laserschweißgeräten kontinuierlich gesenkt.
Inzwischen kommt Laserschweißen nicht mehr nur für Großserienproduktionsstraßen, sondern für alle Arten von Herstellern in Frage. Es gibt sogar einen Anstieg bei den Handgeräten.
Nachdem das Laserschweißen nun so leicht zugänglich ist, ist jetzt ein guter Zeitpunkt, dieses bewährte Verfahren näher zu betrachten, das Präzision, Schnelligkeit und Kosteneffizienz verspricht.
Inhaltsverzeichnis
Laserschweißen ist ein präzises Verfahren, das im Vergleich zu herkömmlichen Schweißmethoden nur sehr geringe Verformungen verursacht. Es verwendet einen hochenergetischen Laserstrahl, um Metalle miteinander zu verschmelzen und eine starke metallurgische Verbindung herzustellen. Die Energie des Laserstrahls wird von der Oberfläche absorbiert und die entstehende Hitze bringt die Oberfläche zum Schmelzen und bildet eine Schmelze, die innerhalb weniger Millisekunden wieder erstarrt.
Stellen Sie sich das Laserschweißen wie Sonnenlicht durch ein Vergrößerungsglas vor. Wenn Sie genügend Energie auf eine Metalloberfläche bündeln, wird diese schmelzen und in manchen Fällen sogar verdampfen.
Die Leistungsdichte ist sehr hoch und formt eine konzentrierte Wärmequelle von Millionen von Watt pro cm2. Für eine schnelle Laserschweißgeschwindigkeit oder ein tieferes Eindringen wird eine höhere Laserleistung benötigt. Die Laserleistung ist der Hauptfaktor, der die Kosten eines Geräts in die Höhe treibt.
Laserschweißen kann für jedes Material verwendet werden, das schmelzen und wieder erstarren kann. Es wird also nicht nur zum Schweißen von Metallen wie Aluminium, Kupfer und Edelstahl verwendet, sondern auch für andere Materialien, einschließlich bestimmter Arten von Thermoplasten, Gläsern und Verbundwerkstoffen.
Die beiden wichtigsten Laserschweißmethoden, das Wärmeleitungsschweißen und das Tiefschweißen, unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise.
Das Wärmeleitungsschweißen ist ein sanfter Prozess, bei dem der Laserstrahl das Metall langsam schmilzt. Bei dieser Art des Schweißens steigt die Temperatur des Metalls über seinen Schmelzpunkt und das Material wird verflüssigt, geht aber nie in den gasförmigen Zustand über. Die Wärmeübertragung innerhalb des Metalls ist in allen Richtungen gleich.
Wärmeleitungsschweißen ist langsamer, liefert aber qualitativ hochwertigere Ergebnisse mit wenig oder keinen Spritzern und wenig Rauch.
Das Tiefschweißen ist ein schnelles, aber aggressives Verfahren, bei dem das Metall geschmolzen und sogar verdampft wird und es zu einem tieferen Eindringen in das Material kommt. Das Metall erreicht seine Schmelztemperatur und in einigen Bereichen sogar seine Verdampfungstemperatur. Infolgedessen befindet sich ein Teil der Schmelze im gasförmigen Zustand und kann Spritzer verursachen. Die Wärmeübertragung innerhalb des Metalls ist senkrecht zum Laserstrahl am stärksten.
Tiefschweißen ist ideal für Produktionsstraßen mit hohen Stückzahlen, weil es schneller ist, aber es kann zu Porosität und einer größeren Wärmeeinflusszone (WEZ) führen.
Laserschweißen von ungleichen Metallen ist möglich, aber nicht immer einfach oder praktikabel. Verschiedene Metalle haben unterschiedliche Schmelztemperaturen, absorbieren einen unterschiedlichen Prozentsatz des Lichts und leiten Wärme unterschiedlich schnell.
| Laserax hat bereits Erfahrung mit dem Laserschweißen unterschiedlicher Metalle aus der Verschweißung zylindrischer und prismatischer Zellen mit Busbars für EV-Batterien. In diesen Fällen haben wir Aluminium mit vernickeltem Kupfer und Aluminium mit vernickeltem Stahl lasergeschweißt. |  |
Beim Laserschweißen ungleicher Metalle verschmelzen die beiden Metalle nicht zu einer homogenen Mischung, sondern verbinden sich an der Grenzfläche zwischen den beiden Metallen. Dadurch entsteht eine strukturell schwächere Verbindung als beim Schweißen des gleichen Metalls.
Um dieses Problem zu lösen, gibt es zwei Strategien:
Eine der besten Strategien zur Verringerung von Spritzern ist die Verwendung von sogenannten einstellbaren Ringmodi. Während die Energie beim Laserschweißen in der Regel auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert wird, bieten die Ringmodi zusätzliche Kontrolle über die Energieverteilung. Ein Ring, der den Laserpunkt umgibt, kann zum Vorwärmen des Teils verwendet werden. Dies bietet eine bessere Kontrolle über das Schmelzbad und verringert letztlich Spritzer. Um verschiedene Ringmodi verwenden zu können, wird ein Glasfaserkabel mit einem äußeren Kern benötigt, um einen "äußeren" Strahl zu projizieren (siehe Abbildung). |  |
Die ersten Experimente mit Laserschweißen gehen auf die 1960er-Jahre zurück – kurz nachdem Ted Maiman den ersten Laser gebaut hatte. Aber erst nachdem Forscher am Battelle Memorial Institute 1967 eine Demonstration des Laserschweißens durchgeführt hatten, erkannten Fertigungsunternehmen ein echtes Potenzial für industrielle Anwendungen.
Um zu verstehen, warum dieses Verfahren einen so wichtigen Platz in der Fertigung einnimmt, müssen wir zur Erfindung des Lasers selbst zurückgehen. Nachfolgend finden Sie die wichtigsten technologischen Fortschritte, die die Entwicklung und Einführung des Laserschweißens, wie wir es heute kennen, geprägt haben.
Die Laserschweißtechnologie entwickelt sich in vielerlei Hinsicht weiter, u. a. in Bezug auf Laserleistung, optische Komponenten, Strahlqualität, Abtastköpfe und Computersteuerungssysteme.
Am häufigsten werden zum Schweißen Glasfaser-Laser eingesetzt, aber auch andere Lasertypen wie blaue Laser, grüne Laser, CO2-Laser, Nd:YAG-Laser und Diodenlaser können verwendet werden.
Schauen wir uns die einzelnen Lasertypen an, um zu verstehen, wie sie zum Schweißen verwendet werden können.
| Lasertyp | Eigenschaften |
|---|---|
| Glasfaser-Laser |
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| CO2-Laser |
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| Nd:YAG-Laser |
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| Blaue/grüne Laser |
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| Diodenlaser |
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Einer der wichtigsten Faktoren bei der Wahl eines Lasertyps ist die Wellenlänge. Jede Art von Metall absorbiert und reflektiert Wellenlängen zu unterschiedlichen Anteilen. Wenn eine Wellenlänge gut absorbiert wird, wird weniger Laserleistung benötigt.
Die nachstehende Grafik gibt einen Überblick über gängige Metallarten und ihr Absorptionsspektrum für verschiedene Wellenlängen.
Laserschweißen bietet im Vergleich zu anderen Verfahren wie MIG-, WIG- und Lichtbogenschweißen eine Vielzahl von Vorteilen. Schauen wir uns die wichtigsten davon an.
Es gibt nicht viele Nachteile des Laserschweißens, aber es ist dennoch wichtig, sie zu kennen und zu berücksichtigen. Schauen wir sie uns genauer an.
Lasersicherheit ist ein ernstes Thema beim Schweißen. Der Laserstrahl und seine Reflexion können Augenverletzungen, Hautverbrennungen und Brandgefahr verursachen. Im Idealfall befindet sich der Laser in einem Laserschutzgehäuse der Klasse 1, das den Laserstrahl und seine Reflexionen abschirmt.
Bei einigen Anwendungen kann dies Probleme verursachen. Große Teile und Strukturen wie Schiffe lassen sich nur schwer in ein Gehäuse zwängen. Es können auch andere Lösungen als Gehäuse erprobt werden, um den Strahl einzudämmen (z. B. verwenden einige Lösungen Spannwerkzeuge, um den Strahl zu blockieren).
Handgeführte Geräte können für Bediener gefährlich sein, die daher PSA tragen und die Sicherheitsmaßnahmen für Laser befolgen müssen.
Die Anfangsinvestition kann ebenfalls ziemlich hoch sein. Auch wenn die Kosten weiterhin sinken, sind Laser in der Anschaffung immer noch teurer als Alternativen. Wenn Sie dann noch bedenken, dass die meisten Hersteller automatisierte Lösungen suchen, können Sie sehen, dass es sich um eine ernsthafte Investition handelt.
Dieses Batterielasergerät ist eine vollständig geschlossene Lösung, die die Herausforderungen des Batterieschweißens, wie z. B. die Spannanpassungsfähigkeit, die Qualität und die Geschwindigkeit, meistert. Es verwendet SCARA-Roboter für ein Spannen mit hoher Geschwindigkeit und Präzision.
Dieses handgeführte System ist ein Beispiel dafür, wie Laserschweißprodukte für mehr Hersteller zugänglicher werden.
Diese Maschine demonstriert die einfache Automatisierung des Laserschweißens mit Remote-Schweißen, rotierenden Spannvorrichtungen und Roboterhandhabung des Laserkopfes.
Bei großen Teilen, wie z. B. Fahrzeugrahmen, kann die Einhausung des Schweißprozesses aus Platz- und Kostengründen problematisch sein. Dieses Gerät löst dieses Problem, indem es den Strahl und seine Reflexionen mit einem gut konzipierten Spannwerkzeug einschließt. Dies bietet vollständige Lasersicherheit, ohne dass ein Gehäuse erforderlich ist.
Mit seiner Präzision, seiner Geschwindigkeit und seinem hohen Maß an Kontrolle bietet das Laserschweißen erstaunliche Möglichkeiten. Hersteller, für die diese Technologie neu ist, sollten ihre Anwendung mit einem Experten besprechen, der ihnen helfen kann:
Wenn Sie eine Laserschweißanwendung für Batterien haben, wenden Sie sich an einen Laserax Experten, um Ihre Anforderungen zu besprechen.
Patrick ist Direktor für angewandte Physik bei Novika Solutions, einem Forschungszentrum, das Herstellern hilft, die Kosten für die Integration von Laserschweißtechnologie zu bewerten. Patrick hat viele Hersteller im Laserschweißen geschult, sodass sie die Technologie vollständig beherrschen.
Catherine hat einen Bachelor-Abschluss in Technischer Physik und einen Master-Abschluss in Physik. Ihren Master-Abschluss absolvierte sie in Zusammenarbeit mit Laserax, um industrielle Lösungen für die Lasertexturierung metallischer Oberflächen zu entwickeln. Heute ist sie als Leiterin des Anwendungslabors bei Laserax tätig und leitet dort das Team, das Laserprozesse für Kunden testet und optimiert.
Das Laserschweißen ist eine hochpräzise und effiziente Schweißtechnologie, die in verschiedenen Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der medizinischen Fertigung eingesetzt wird. Es bietet eine große Eindringtiefe, hohe Schweißgeschwindigkeiten und minimale thermische Verformung und ist damit die ideale Wahl für Anwendungen, die Genauigkeit, Geschwindigkeit und Wiederholbarkeit erfordern.
Das Laserstrahlschweißen (LBW) ermöglicht eine präzise und effiziente Verbindung von Materialien mittels eines Laserstrahls. Es überzeugt durch höchste Präzision, Schnelligkeit und die Möglichkeit, auch mit empfindlichen Komponenten zu arbeiten. Damit eignet es sich ideal für Branchen wie Elektronik, Batterien, Automobil und Luft- und Raumfahrt.
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.
