Mit dem Laser schweißt sich's anders

Alle thermischen Fügeverfahren nutzen Energie, um die Werkstücke aufzuschmelzen und sie zu verbinden. Einst war das Schmiedefeuer die einzige Energiequelle dafür. Später ersetzte der Gasbrenner die Feuerstelle. Gasschmelzschweißen – auch Autogenschweißen genannt – zählte zu den ersten Schweißverfahren. Eine Gasflamme schmolz die beiden Metalle und den Zusatzwerkstoff auf. Die Schmelze erstarrte wieder und hinterließ die Schweißnaht.

In der Blechfertigung kommen heute standardmäßig MIG- und MAG- sowie WIG-Schweißen zum Einsatz. Daneben setzt sich zunehmend das Laserschweißen durch. Punkt- und Buckelschweißen bestechen dadurch, dass dabei allein mit Druck und elektrischem Strom gearbeitet wird. Plasma- und Elektronenstrahlschweißen spielen eine eher untergeordnete Rolle. Sie werden für Spezialanwendungen eingesetzt. In einigen Fällen wird auch gelötet, zum Beispiel dort, wo Werkstoffe mit unterschiedlichen Schmelzpunkten aufeinander treffen.

So funktioniert's

Wärmetauscher werden aus zwei Teilen zusammengeschweißt und anschließend "aufgepumpt". Trotz der enormen Belastung beim "Aufpumpen" müssen die Nähte auch anschließend noch absolut flüssigkeitsdicht sein.

Beim Laserschweißen dient der fokussierte Laserstrahl als Energiequelle. Der Laserstrahl wird im Schweißkopf mit Hilfe eines Spiegels oder einer Linse gebündelt. Dafür, dass kein Schmutz auf den Spiegel oder die Linse gelangt, sorgt der Crossjet, ein Gasstrom, der quer durch den Laserkopf fließt.

Wo der gebündelte Laserstrahl auf das Werkstück trifft, schmilzt er es auf. Fokusdurchmesser, Fokuslage, Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit sind die wesentlichen Parameter, die Nahttiefe und -breite bestimmen. Während der Bearbeitung wird die Schweißnaht in der Regel durch ein Schutzgas vor Reaktionen mit der Luft ge- schützt. Weitere Gase – die so genannten Arbeitsgase – können den Schweißprozess unterstützen und steuern. Je nachdem, welche Nahtart geschweißt werden soll, und wie groß der Spalt zwischen den Bauteilen ist, wird mit Zusatzwerkstoffen gearbeitet.

Präzision und Qualität

Vorrichtung zum Laserschweißen von Rohren: Der Sensor im schwarzen Gehäuse verfolgt die Lage des Fügespalts verfolgen und regelt die Position der Optik nach.

Der Durchmesser des Laserstrahls beträgt im Fokus nur wenige Zehntelmillimeter. Zwischen den Bauteilen, die verbunden werden, darf nur ein minimaler Spalt bleiben. Außerdem sollte die Spaltbreite nicht schwanken. Daher sind die Vorbereitung der Werkstücke und das Positionieren beim Laserschweißen vergleichsweise aufwendig.

Für konstante Qualität sorgen Sensoren. Sensoren, die den Nahtverlauf verfolgen, erkennen Abweichungen vom programmierten Verlauf und regeln die Position des Laserstrahls. Sie gleichen Kanten- und Positionierungenauigkeiten aus. Andere Sensoren messen die Ausdehnung des Schmelzbades und erkennen so, ob der Schweißprozess in den definierten Grenzen abläuft.
Darüber hinaus können weitere Sensoren eingesetzt werden, die die erstarrte Schweißnaht prüfen und gute von schlechten Nähten unterscheiden können.

Breites Anwendungsfeld

Geringer Verzug, hohe Prozessgeschwindigkeiten, Flexibilität und feine Schweißnähte, das sind die Vorteile des Laserschweißens. Laserschweißnähte müssen in der Regel nicht nachbearbeitet werden und sind darüber hinaus gas- und flüssigkeitsdicht. Geschweißt werden vor allem metallische Werkstoffe wie Baustahl und Edelstahl, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Titan und Titanlegierungen sowie Bunt- und Edelmetalle.

Das eröffnet dem Laserschweißen ganz unterschiedliche Anwendungsbereiche: angefangen bei den feinen Schweißpunkten in einer Halogenglühlampe über die Schweißnaht im Feuerlöscher bis hin zu meterlangen Schweißnähten in Maschinen oder Flugzeugen. Laserschweißen geschieht meist automatisiert in Laserschweißanlagen oder mit Hilfe von Schweißrobotern. Kleinere Schweißaufgaben mit einzelnen Schweißpunkten oder kurzen Nähten können auch an Handschweißplätzen erledigt werden.

Sieg nach Punkten

Gegenüber konventionellen Schweißverfahren, die mit dem Lichtbogen arbeiten, hat das Verbinden mit dem Laserstrahl viele Vorteile:

Gezielte Energieeinwirkung in einem kleinen Bereich; daher geringe thermische Belastung und äußerst geringe Wärmeeinflusszone sowie äußerst geringer Verzug.
Schlanke Nahtgeometrien und glatte Oberflächen; dadurch verringern sich Nacharbeiten oder entfallen ganz.
Hohe Festigkeit bei geringem Nahtvolumen: Werkstücke können anschließend umgeformt werden, etwa durch Biegen oder IHU (InnenHochdruckUmformen).
Gute Integrationsmöglichkeit: Laserschweißen kann mit anderen Fertigungsschritten kombiniert werden, zum Beispiel mit Justieren oder Biegen.
Nur eine Seite der Fügestelle muss zugänglich sein.
Hohe Prozessgeschwindigkeiten sorgen für kurze Bearbeitungszeiten (Zykluszeiten).
Laserschweißen lässt sich sehr gut automatisieren.
Gute Prozesskontrolle: Maschinensteuerung und Sensorik überwachen Prozessparameter und sichern Qualität.
Der Laserstrahl schweißt berührungslos und übt keine Kraft auf das Werkstück aus.