Laserschweißen – Anwendungen, Geräte, Kosten

Die Schweißtechnik Laserstrahlschweißen – kurz Laserschweißen – ist einer fast verzugsfreie Schweißtechnik, die sich insbesondere für die Verschmelzung von Bauteilen eignet. Mit hoher Schweißgeschwindigkeit und geringen thermischen Verzug eignet sich Laserstrahlschweißen insbesondere für Bauteile, bei denen es um eine schlanke Schweißnaht geht. Auch Dank dem Einsatz von Schutzgas beim Schweißen wird eine hohe Qualität gewährleistet.

Die Technik findet in verschiedenen Bereichen und Branchen wie beispielsweise der Automobilindustrie sowie der Luft- und Raumfahrttechnik Anwendung. Eine Vielzahl von Materialien kann mit einem Laserschweißgerät bearbeitet werden. Hier sind zum Beispiel Aluminium, Kunststoff, Kupfer und Edelstahl sowie Kombinationen zu nennen. Seit 2019 kann auch technische Keramik mit dieser Schweißtechnik verschweißt werden. Das Verfahren erlaubt eine sehr präzise Führung des Lasers, sodass es auch bei feinen Gravurarbeiten Anwendung findet.

Die Themen im Überblick

Laserschweißen – Wie funktioniert das?

Bei dieser Art des Schweißens wird Energie über ein Hochleistungslaser zugeführt. Das erzeugt Wärme in dem Werkstück, die den Schmelzpunkt des Werkstücks erreicht. Mit dem Schweißlaser kann sehr präzise gearbeitet werden. Die Entwicklung der Technik steht in einem unmittelbaren Zusammenhang mit der Entwicklungsgeschichte des Lasers und seiner Anwendungsbereiche.

Kurze Geschichte der Laserschweißtechnik

Der Beginn der Schweißtechnik lässt sich auf den Anfang der 1960er Jahre datieren, als die ersten Anwendungen der auf Forschungen bedeutender Physiker wie Albert Einstein beruhenden Lasertechnik praktisch umgesetzt wurden. Maßgeblich war hier auch der amerikanische Physiker Theodore Maiman beteiligt, der den ersten praxistauglichen und funktionsfähigen Laser aufgrund theoretischer Grundlagen entwickelte.

Die Lasertechnik und die Laserschweißverfahren kurz erläutert

Charakteristisch für diese Technik ist, dass der Laserstrahl über eine Optik direkt über der Stoßkante von zu verschweißen Bauteilen fokussiert wird. Wie der Fokus relativ zum Werkstück liegt, macht einen entscheidenden Parameter bei der Schweißtechnik aus. Unter anderem bestimmt die Lage der der Optik die Schweißtiefe. Da der Fügestoß der Bauteile im Fokus der Optik liegt – man spricht auch davon, dass der Fügestoß im Brennfleck positioniert ist – entsteht in dem nur einige Zehntel Millimeter durchmessenden Brennfleck eine sehr hohe Konzentration von Energie. Typischerweise haben die eingesetzten Laser beim Laserschweißen einige Kilowatt Leistung.

Einsatz von Schutzgas um die Qualität der Laser Schweißnaht zu schützen

Indem das Werkstück die Leistung absorbiert, steigt die Temperatur extrem schnell an. Hier werden auch die Schmelztemperaturen von Metallen in kürzester Zeit überschritten, was zur Schmelze führt. Die Schweißnaht kühlt sich auf der anderen Seite ebenfalls sehr schnell wieder ab. Abhängig vom Werkstoff wird die Schweißnaht hart und bildet sich in eher schlanker Form aus. Sie ist weniger zäh als bei anderen Schweißtechniken. Bei diesem Verfahren gilt es, die Schweißnaht vor Oxidation zu schützen. Das wird durch ein Schutzgas erreicht. In der Regel handelt es sich dabei um Argon-Gemische oder hochreines Argon mit einem Anteil von 99,996 % des Edelgases.

Es kommen verschiedene Schweißverfahren zum Einsatz:

Lasertiefschweißen

Beim Lasertiefschweißen werden hohe Strahlintensitäten fokussiert, sodass sich in der Schmelze in der Richtung des Streits eine Dampfkapillare in die Tiefe des Werkstücks hinein ausbildet. Das führt zu einem tiefen Ausschmelzen des Werkstückes.

Häufig ist die Schmelzzone in diesem Fall eher tief als breit. Es entsteht ein vergrößertes Schmerzvolumen, weil die Laserstrahlung in dem Material mehrfach an den Wänden reflektiert wird. Je nach Auswahl der Optik lässt sich Einfluss auf die Qualität der Schweißung nehmen. Es entsteht ein immer unterschiedliches dimensioniertes Loch an der Stelle, an der die Dampfkapillare (Keyhole) in das Material eindringt.

Wärmeleitungsschweißen

Bei diesem Verfahren wird mit Strahlungsintensitäten von unter 100 kW/Quadratzentimeter gearbeitet. Diese Intensität reicht nicht aus, es kommt nicht zur Entstehung einer Dampfkapillare wie beim Lasertiefschweißen. Wärme und Schmelzbart durchdringen das Material weniger tief. Das Wärmeleitungsschweißen eignet sich deshalb eher für geringere Materialdicken.

Laserdurchstrahlschweißen und Laserschweißen von Kunststoffen

Anwendung findet hier das sogenannte überlappende Verfahren. Zum Einsatz kommen unterschiedliche Schweißpartner. Ein oberer erweist sich für die eingesetzte Laserwellenlänge als transparent. Der Laser strahlt durch. Es kommt kaum zu einer Erhitzung. Der untere Schweißpartner absorbiert Strahlung. Dazu wird der mit absorbierenden Partikel zum Beispiel Ruß vermengt. Der untere Stoff nimmt die Energie auf, beginnt zu schmelzen und gibt dabei Wärme über Wärmeleitung an den oberen Stoff weiter. Die beiden Partner müssen im Materialkontakt stehen. Das wird in der Regel über eine Zusammenpressung der Stoffe erreicht. Dabei muss auf Passgenauigkeit geachtet werden. Ebenso dürfen die eingesetzten Laser nicht zu hoch ausgelegt werden, damit Materialien nicht geschädigt werden. Diodenlaser werden hierbei gern eingesetzt. Bei Kunststoffen allgemein müssen Thermoplaste eingesetzt werden, die eine Schmelze bilden können.

Laserschweißen im Vakuum

Bei dieser Verfahren wird die Vakuumtechnik mit dem Laserschweißen kombiniert. Bekannt ist die Vakuumtechnik aus dem Elektronenstrahlschweißen. Die entstehenden Schweißnähte sehen hier aus wie nach einem Elektronenstrahlschweißen.

Laserstrahl-MSG-Schweißen als Hybridtechnik

Dieses Verfahren kombiniert die MSG-Technik und das Laserstrahlschweißen. Es lassen sich tiefe Einbrände erreichen und über schmale Wärmeeinflusszonen verzieht sich das Material nur minimal. Ebenso lässt sich die Schweißgeschwindigkeit nochmals erhöhen, was das Verfahren sehr wirtschaftlich macht. Die Wirtschaftlichkeit wird nochmals gesteigert, weil die Schweißnaht kaum vorbereitet werden muss.

Interessant ist, dass Laserschweißen anstelle von Widerstandspunktschweißen dienen kann. Wenn man nur einzelne klammerförmige Schweißlinien anlegt, entsteht eine höhere Stabilität als beim Schweißen von Widerstandspunkten.

Laserschweißgeräte, die beim Laserschweißen zur Anwendung kommen

Eine Anlage zum Laserstrahlschweißen ist grundsätzlich aus den Elementen Laser, Bewegungseinheit und optischem System. Ganz am Ende sitzt die Optik auf, die zur Bearbeitung und Fokussierung des Werkstückes dient. Entweder wird der Laserstrahl über das Werkstück oder umgekehrt die Füge stelle unter dem Laserstrahl bewegt. In manchen Fällen ist das Gerät so ausgestattet, dass Laserstrahl und Werkstück bewegt werden können. Ein Spiegelscanner ermöglicht, den Strahl auch nach Fokussierung über das Werkstück zu führen. Hier kommen für die Scannersysteme Kombinationen von rotierenden Facettenspiegeln oder kippbaren Ablenkspiegeln zum Einsatz. So kann der Laserstrahl über einstellbare Winkel der Spiegel unterschiedlich reflektiert werden. Man spricht bei dieser Lasertechnik auch von Remote-Schweißen. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch hohe Strahlqualität sowie hohe Laserleistung.

Faserlaser

Dieser Laser ist ein spezieller Festkörperlaser. Es wird eine Glasfaser eingesetzt, die als aktive Einheit in diesem Laser dient. Man kann den Faserlaser deshalb auch als Glaslaser mit Lichtwellenleiter definieren. Der Laserstrahl legt in diesem Laser eine größere Strecke zurück. Das verstärkt den Strahl erheblich. Es handelt sich um einen sehr hochwertigen Laser, der über viele positive Eigenschaften verfügt. Das Schweißen auch von großen Metallflächen wie etwa bei Edelstahl und Aluminium wird möglich.

Scheibenlaser

Auch dieser Laser ist ein Festkörperlaser. Seinen Kern bildet eine Scheibe, durch die mehrfach ein Laserstrahl gepumpt wird. Die Scheibe ist rückseitig hochreflektierend beschichtet und kann deshalb auch als Resonanzspiegle arbeiten. Bei dieser Art von Laser wird eine sehr gute Kühlung des Laserkristalls erreicht. Wärme wird fast nur über die Scheibe abgeführt. Spannungen durch thermische Ausdehnung werden weitestgehend vermieden, was die Strahlqualität stabilisiert.

CO2-Laser

Der Kohlendioxidlaser umfasst eine ganze Klasse von unterschiedlich gebauten Lasergeräten. Grundsätzlich gehören Kohlendioxidlaser zur Gruppe der Gas-Molekül- sowie Infrarot Laser. Kohlendioxid bildet das Lasermedium. Die CO2-Laser sind sehr leistungsstark. Deshalb werden sie im industriellen Umfeld häufig eingesetzt. Die erreichbaren Ausgangsleistungen bewegen sich bei bis zu 80 kW und in den Spitzen bei Pulsenergien von bis zu 100 KJ. die Wirkungsgrade bewegen sich zwischen 15 und 20 %. Eine besondere Bauart des CO2-Lasers ist der Wellenreiterlaser oder Slablaser. Das Gasgemisch wird dabei mittels Hochfrequenz gepumpt und erzeugt eine besonders hohe Strahlqualität durch die Formung des Laserstrahls.

Laserschweißen manuell versus automatisiert

Im industriellen Bereich überwiegt das automatisierte Schweißen mit Robotern zunehmend. In der automatisierten Form müssen verschiedene Komponenten wie eine Schweißzelle sowie die Peripherie des Roboters aufeinander abgestimmt sein. Automatisiertes Laserschweißen kennzeichnet industrielle Anwendungen von Industrie 4.0. Die Automatisierung lässt sich gut auf kürzere Produktlebenszyklen und agile Anforderungen abstimmen. Zum Einsatz kommen in der Regel Remote-Laserschweißköpfe. Dabei ist der Laserstrahl in 3-Dimensionen beweglich, so dass der Roboter eine ideale Auslassung erreicht und wenig Zeit zwischen den einzelnen Schweißvorgängen vergeht.

Manuelles Laserschweißen eher in kleineren Betrieben oder bei spezifischen Anwendungen

Das manuelle Laserstrahlschweißen kommt eher in kleineren Unternehmen zur Anwendung, in denen es teilweise noch auf Handarbeit ankommen soll. Hier obliegen die Einstellungen einem Menschen, der in der Regel aber über sehr viel Erfahrung in der Technik verfügt. So lassen sich auch sehr individuelle und besonders präzise Schweißvorgänge manuell mit dem Handgerät durchführen.

Während die automatisierten Schweißtechnik Produktionen großer Einheiten kennzeichnet, behält das manuelle Verfahren in einigen Einsatzbereichen ebenfalls seinen Platz.

Industrielle Anwendungsbereiche für das Laserschweißen

Überall dort, wo Materialien wie Aluminium, Kunststoff, Edelstahl, Kupfer und zunehmend auch technische Keramik verarbeitet werden, kann Laserstrahlschweißen eingesetzt werden. Hier geht es insbesondere um das zusammenfügen verschiedener Bauteile, bei denen eine schnellere und hochpräzise Verarbeitung und schmale Schweißnähte eine Rolle spielen. Typische Bauteile sind beispielsweise Sensorgehäuse, elektronische Geräte, Batterien, Bleche mit und ohne Beschichtung, Wärmetauscher, Profile, Sägeblätter, Dickbleche bei Schiffen, Teile in der Automobilindustrie und viele mehr. Im großen Stil finden sich Laserschweißanlagen beispielsweise im Karosseriebau. Hier spielt die Bearbeitung von Kunststoff eine immer größere Rolle. Gearbeitet wird in vielen industriellen Bereichen inzwischen mit automatisierten Schweißanlagen. In der Feinarbeit kommt aber auch ein Handgerät zur Anwendung.

Alternativen zum Laserschweißen

In manchen Bereichen ist das Laserstrahlschweißen aufgrund der Schnelligkeit, Präzision und Wirtschaftlichkeit fast alternativlos. In Betracht kommen anstelle des Laserschweißens andere Schmelzschweißverfahren aus der Familie des Schutzgasschweißens. Je nach Material des Werkstückes wie bei Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff, kommen spezielle Schweißarten wie Metallschweißen in Betracht. Im Behälter und Apparatebau wie auch in der Raumfahrt kann auch das Plasmaschweißen eine Alternative sein.

Laserschweißen – Kosten im Überblick

Laserstrahlschweißen ist eine eher teure Technik. Sogar ein kleines Handgerät und kleinste Anlagen, die etwa in der Gravurtechnik eingesetzt werden, können mehrere 1000 EUR kaufen. Große Hochleistungsanlagen erreichen ein Preisniveau von über 100.000 EUR. Dafür stehen selbst das kleinste Handgerät und die großen Anlagen für eine überzeugende Fertigungsqualität. Die automatisierten Großanlagen erreichen auch eine hohe Produktivität und Wirtschaftlichkeit. Grundsätzlich kann man sagen, dass sich die Fertigungstechnik eher für größere oder sehr spezialisierte Gewerbe lohnt.

Vorteile und Nachteile des Laserschweißens

Laserstrahlschweißen besticht vor allem durch eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, schmale Schweißnähte und eine exzellente Produktionsqualität. Das Verfahren lässt sich bei verschiedensten Materialien wie Edelstahl, Stahl, Aluminium, Kunststoff, Kupfer und seit einigen Jahren auch bei technischer Keramik anwenden. In der industriellen Produktion überzeugt die Technik mit hoher Produktivität und Wirtschaftlichkeit.

Das Verfahren kostet einiges an eine Energie, weil die eingesetzten Laser Hochleistungsgeräte sind. Insgesamt ist der Kostenfaktor eher als nachteilig anzusehen. Selbst ein einfaches Handgerät ist eine teure Anschaffung.