Laserstrahlschweißen erklärt

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. 

In diesem Artikel erläutern wir die Funktionsweise des Laserschweißens, untersuchen dessen Vor- und Nachteile und gehen auf die Unterschiede zwischen Laserstrahlschweißen und Laserschweißen ein.

Inhaltsverzeichnis

• Was ist Laserstrahlschweißen?
• Wie funktioniert Laserschweißen?
• Was sind die Vor- und Nachteile des Laserschweißens?
  • Vorteile des Laserschweißens
  • Nachteile des Laserschweißens
• Welche Bezeichnung ist richtig: Laserschweißen oder Laserstrahlschweißen?

Was ist Laserstrahlschweißen?

Das Laserstrahlschweißen ist ein präzises und hochgradig kontrolliertes Schweißverfahren, bei dem ein konzentrierter Laserstrahl zum Verschmelzen von Metallen eingesetzt wird. Es kann auch zum Verschmelzen anderer Materialien verwendet werden, die sich schmelzen lassen und wieder erstarren, wie etwa Keramik und Kunststoffe. 

Das Laserstrahlschweißen eignet sich besonders für dünne oder empfindliche Komponenten, bei denen ein hohes Maß an Kontrolle und Präzision erforderlich ist. Es wird in der Batterie-, Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet.

Wie funktioniert Laserschweißen?

Beim Laserschweißen wird die in einem gebündelten Lichtstrahl enthaltene Energie genutzt, um die zu verschmelzenden Oberflächen zu schmelzen.

Und so funktioniert es Schritt für Schritt:

1. Der Laser erzeugt mittels einer Reihe von optischen und elektrischen Komponenten einen stark gebündelten Lichtstrahl. Ein Beispiel für die Erzeugung von Laserstrahlen in Glasfaser-Lasern finden Sie hier.
2. Der Laserstrahl wird mittels Bewegungsachsen, Robotertechnik oder schnell rotierender Spiegel (Galvospiegel) auf die Oberfläche geleitet und dort bewegt.
3. Die Energie des Laserstrahls wird von der Oberfläche absorbiert. Ein Teil der Strahlung wird abhängig vom Reflexionsvermögen des Materials entsprechend dem ausgewählten Lasertyp bzw. der ausgewählten Wellenlänge reflektiert.
4. Die von der Oberfläche absorbierte Energie wird in Wärme umgewandelt.
5. Die betreffende Oberfläche erwärmt sich sehr schnell und bildet einen kleinen Schmelzpool. In den umliegenden Bereichen treten lediglich minimale Wärmeverformungen auf.
6. Das geschmolzene Material erstarrt innerhalb weniger Millisekunden, sodass Verunreinigungen wie Wasserstoff kaum Zeit haben, in die Schweißnähte einzudringen.

Was sind die Vor- und Nachteile des Laserschweißens?

Vorteile des Laserschweißens

1. Kleine Wärmeeinflusszone (WEZ)

Als Wärmeeinflusszone wird der Bereich des geschweißten Teils bezeichnet, der nicht geschmolzen wurde, dessen physikalische und chemische Eigenschaften sich jedoch aufgrund der hohen Temperaturen verändert haben. 

Der Wärmeeintrag beim Laserschweißen ist geringer, da der Prozess schnell und fokussiert abläuft. Dadurch wird die Wärmeeinflusszone verkleinert, was dazu führt, dass potenzielle negative Auswirkungen auf die Materialeigenschaften minimiert werden.

2. Gute mechanische Eigenschaften

Da beim Laserschweißen der Wärmeeintrag besser kontrolliert werden kann, werden die Teile durch die Hitze weniger verzerrt und verformt. Dadurch bleiben ihre mechanischen Eigenschaften besser erhalten.

3. Möglichkeit zum Schweißen kleiner Komponenten

Das Laserschweißen ist ein präzises Verfahren, bei dem ein stark gebündelter Lichtstrahl mit einem Durchmesser von üblicherweise einigen Zehntel bis einigen Hundert Mikrometern zum Einsatz kommt. Deshalb eignet es sich hervorragend zum Schweißen kleiner Komponenten wie Elektronik- und Batterieklemmen.

4. Zügiger Ablauf

Die Laserschweißung kann mit Hochleistungslasern von mehreren tausend Watt durchgeführt werden. Sie sind in der Lage, die anspruchsvollsten Produktionsanforderungen mit der erforderlichen Geschwindigkeit umzusetzen.

5. Einfache Automatisierung

Moderne Laserschweißsysteme sind äußerst wartungsarm und können rund um die Uhr im Einsatz sein. Dadurch eignen sie sich hervorragend für automatisierte Produktionslinien, die einen hohen Durchsatz aufweisen. Darüber hinaus verfügen sie über die Möglichkeit, ferngesteuerte Laserköpfe zu nutzen, um Schweißarbeiten per Remote-Steuerung auszuführen.

6. Hochwertige Verschweißungen

Da die Wärmeleitung genau kontrolliert werden kann, absorbieren lasergeschweißte Oberflächen Wärme rascher und kühlen schneller ab als bei herkömmlichen Verfahren. Dadurch haben Verunreinigungen wie Wasserstoff nur wenig Zeit, in die Schweißverbindungen einzudringen und mechanische Schäden zu verursachen.

Nachteile des Laserschweißens

1. Lasersicherheit muss gewährleistet werden

Sicherheit ist bei allen Schweißverfahren wichtig. Beim Laserschweißen müssen der Laserstrahl und dessen Reflexionen abgeschirmt werden.

2. Sicherheit ist bei großen Teilen schwierig 

Größere Teile wie Schiffs- und Rumpfsektionen sind aufgrund der größeren Flächen schwieriger sicher zu schweißen. Ingenieure müssen oft neue Lösungen entwickeln, um den Laserstrahl einzuschließen.

3. Hohe Erstinvestition

Glasfaser-Laser sind seit 2006 zwar jedes Jahr erschwinglicher geworden, aber immer noch teurer als herkömmliche Schweißtechnologien.

4. Reflektierende Materialien

Das Laserschweißen funktioniert, da die Oberfläche die Energie des Laserstrahls absorbiert. Einige Materialien wie Kupfer reflektieren einen großen Teil bestimmter Laserstrahlen, was es schwierig macht, den Prozess zu optimieren.

Welche Bezeichnung ist richtig: Laserschweißen oder Laserstrahlschweißen?

Laserstrahlschweißen ist dasselbe wie Laserschweißen. Es ist nur ein aus historischen Gründen beibehaltener Begriff. Beide Begriffe sind korrekt, aber „Laserschweißen“ ist gebräuchlicher.

Um dies besser zu verstehen, werfen wir einen Blick auf den historischen Kontext.

Der Ursprung der Begriffe

Betrachtet man das folgende N-Gramm, so sieht man, dass die Begriffe „Laserschweißen“ und „Laserstrahlschweißen“ erstmals in den 1960er Jahren auftauchten, als großes Interesse an Laserschweißanwendungen bestand und viel Forschung betrieben wurde. Es ist ein Trend erkennbar, der zeigt, dass der Begriff „Laserschweißen“ bereits verbreiteter war.

Gleiches gilt für die Begriffe „Laserschneiden“ und „Laserstrahlschneiden“. Beide Begriffe wurden zur gleichen Zeit verwendet, allerdings hat sich der Begriff „Laserschneiden“ durchgesetzt.

Weglassen des Begriffs „Strahl“

Eine interessante Verschiebung ergibt sich, wenn man andere Laserverfahren betrachtet. Beim Laserbeschriften, Laserreinigen, Laserstrukturieren und vielen anderen Laserverfahren verwendet niemand das Wort „Strahl“.

Warum ist das so?

Laserschneiden und -schweißen waren die ersten Laserverfahren, die entwickelt wurden. Damals war die Fachsprache neu und musste sich noch entwickeln.

Mit der Entwicklung anderer Verfahren wie Laserbeschriftung und Laserreinigung wurde der Begriff „Strahl“ verworfen. Dies zeigt, dass ein allgemeiner Konsens darüber besteht, dass das Wort weder notwendig ist noch zusätzliche Klarheit schafft.

Gegenwart

Heutzutage wird der Begriff „Laserschweißen“ häufiger verwendet als „Laserstrahlschweißen“. Zwar kann der Begriff „Laserstrahlschweißen“ noch in formellen Zusammenhängen verwendet werden, doch wird der Begriff dadurch nicht präziser oder offizieller. Es handelt sich lediglich um ein zusätzliches Wort, das aus historischen Gründen beibehalten wurde.

Laserschweißmaschinen für Batterien

Laserax stellt Laserschweißmaschinen für Batterien her. Diese Maschinen sind unverzichtbar, um sicherzustellen, dass die Fertigung von Batterien für Elektrofahrzeuge in Bezug auf Geschwindigkeit und Qualität mithalten kann. 

Wenn Sie wissen möchten, wie diese Maschinen funktionieren, finden Sie hier ein anschauliches Video:

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