Laserschweißen

Beschreibung des Verfahrens

Das von Hochleistungslasern (emittierte) Licht wird mittels einer Fokussieroptik auf einen Brennfleck (Ø 0,2 – 0,3 mm) gebündelt. Aufgrund seiner hohen Energiedichte wird das zu schweißende Material schnell geschmolzen. Mit dem Erreichen des Schmelzpunktes steigt die Absorption und damit die Energiekopplung im Material stark an und das Material verdampft. Es bildet sich ein sog. Dampfkanal (Keyhole) aus. Dieser Dampfkanal, angefüllt mit Plasma, absorbiert die Energie des Laserstrahls nahezu vollständig. An der Oberfläche der Schweißnaht ist die laserinduzierte Plasmabildung, an der auch das Schutzgas beteiligt ist, deutlich zu sehen. Die Wärme breitet sich vom Dampfkanal nach allen Seiten aus und nicht von der Oberfläche nach unten! Um den Dampfkanal bildet sich eine Schmelzzone. Wenn sich Laserstrahl und Werkstück relativ zueinander bewegen, läuft das geschmolzene Material hinter dem Lasterstrahl zusammen und erstarrt rasch zu einer Schweißnaht. Der Vorgang verläuft in Sekundenbruchteilen, wodurch – je nach Laserleistung – entsprechend hohe Schweißgeschwindigkeiten erzielt werden können.

Verfahrensvarianten

Wärmeleitungsschweißen

Beim Wärmeleitungsschweißen ist die Intensität des Laserstrahls unterhalb der kritischen Schwelle von ca.10 6 W/cm², bei der sich ein Metallplasma bildet. Es tritt kein Tiefschweißeffekt auf, die Einschweißung ist flach.

Tiefschweißen

Das Tiefschweißen ist das wichtigste Verfahren des Laserschweißens. Bei Tiefschweißen liegt die Intensität des Laserstrahls über der kritischen Grenze von 10 6W/cm². Der Werkstoff wird an der Schweißstelle aufgeschmolzen, ein Teil davon verdampft. Durch weitere Absorption der Laserenergie wird ein Gemisch aus verdampftem Werkstoff und Schutzgas ionisiert; es entsteht das laserinduzierte Plasma. Da der Absorptionsgrad des Plasmas höher ist als der der Schmelze kann die Energie des Laserstrahls nahezu vollständig in das Werkstück eingebracht werden. Wichtig für den Tiefschweißeffekt ist, dass sich das Plasma an der richtigen Stelle bildet. Dies kann über die Fokuslage beeinflusst werden.

Schweißen mit Zusatzwerkstoff

Tiefschweißen mit Zusatzwerkstoffen = Eine Sonderform ist das Laserschweißen mit Zusatzwerkstoffen, das vor allem bei großer Spalttoleranz und großer Blechdicke ( z.B. Mehrlagenschweißen) zu empfehlen ist.
Das Zusatzmaterial wird in der Regel in Drahtform der Schweißzone zugeführt und dient als Füllmaterial, um die größeren Spalten ein Einfallen der Naht zu verhindern. Zur Oxidationsverhinderung kann unter Zufuhr eines Schutzgases gearbeitet werden.

Vorteile des Verfahrens

  1. berührungslose Bearbeitung des Werkstückes
  2. sehr schlanke Nahtgeometrie mit großem Tiefe-Breite-Verhältnis
  3. geringe Wärmeeinflusszone, niedrige thermische Belastung, wenig bzw. kaum Verzug
  4. hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich
  5. gute Zugänglichkeit
  6. hoher Automatisierungsgrad
  7. wenig bzw. kaum Spritzerbildung
  8. hohe Qualität
  9. unterschiedliche Werkstoffe schweißbar

Darstellung Laserschweißen

Benötigtes Equipment / Gase

  • Reinstgasarmaturen mit zweistufiger Druckreduzierung / Metallmembrane (Edelstahl)
  • Cu- Rohr (öl- und fettfrei) bzw. Kunststoffschlauch in z.B. PE- Qualität
  • Armaturen mit Durchflussmessung an der Entnahmestelle bzw. am Laser-Schweißkopf für technische Reinheiten bis 5.0

Lasergase

Prozessgase = Schutzgase