Laserschweißen

Schmelzschweißen: Ein gebündelter Laser bohrt eine Dampfkapillare für schmale, tiefe Nähte

Das Laserschweißen schmilzt die Fuge mit einem eng gebündelten Lichtstrahl und erzeugt schmale, tiefe Nähte bei hoher Geschwindigkeit. Weil die Hitze so konzentriert ist, verziehen sich Teile kaum. Es verbindet Autokarosserien, Batteriezellen und medizinische Implantate, meist mit Robotern oder schnell bewegten Spiegeln.

Foto: Krorc, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Laserschweißen · Dampfkapillare in der Seitenansicht, mit Stirnansichten von Laser- und LichtbogennähtenDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten. Der Kasten rechts vergleicht die fertige Naht mit einer Lichtbogennaht an denselben Blechen.

So funktioniert es

Den Strahl erzeugen und zuführen. Eine Laserquelle, heute meist ein Faserlaser mit etwa 1–10 kW, erzeugt einen intensiven Infrarotstrahl. Eine Lichtleitfaser trägt ihn zum Schweißkopf.
Fokussieren. Eine Linse presst den Strahl zu einem Fleck von einigen zehntel Millimetern Breite. Das bringt mehr als eine Million Watt auf jeden Quadratzentimeter.
Eine Dampfkapillare bohren. Das Metall unter dem Fleck schmilzt und verdampft teilweise. Der Dampfdruck hält einen dünnen Kanal offen, die Dampfkapillare, die den Strahl tief in die Fuge reichen lässt.
Die Schmelze umfließen lassen. Während sich der Kopf bewegt, fließt geschmolzenes Metall um die Dampfkapillare und schließt sich dahinter.
Das Schmelzbad schützen. Ein Gas wie Argon, Helium oder Stickstoff schützt das heiße Metall vor Luft und bläst die Dampffahne (die Wolke aus Metalldampf über dem Fleck) weg.
Schnell erstarren. Das kleine Bad erstarrt fast augenblicklich zu einer schmalen, tiefen Naht. Die Wärmeeinflusszone (durch Wärme verändertes, aber nicht geschmolzenes Metall) bleibt dünn.

Zwei Modi. Bei geringerer Leistungsdichte schmilzt der Laser nur die Oberfläche und liefert eine flache, glatte Naht (Wärmeleitungsmodus) für dünnes Blech und sichtbare Verbindungen. Oberhalb einer Schwelle öffnet er eine Dampfkapillare, die Nähte erzeugen kann, die bis zu etwa zehnmal tiefer als breit sind.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Kohlenstoff- und Edelstähle, Aluminium, Titan, Nickellegierungen; Kupfer mit grünen oder blauen Lasern oder Sondereinstellungen; einige Kunststoffe
Typische Teile: Autodächer und -türen, Tailored Blanks (Bleche unterschiedlicher Dicke, vor dem Stanzen verbunden), Batteriefahnen, Zahnräder, Herzschrittmachergehäuse
Bauteilgröße: Von Folien unter 0,1 mm bis zu Platten von etwa 20 mm in einem Durchgang bei hoher Leistung; Teile so groß wie eine Autokarosserie mit Robotern
Präzision: Strahl auf etwa ±0,1 mm genau platziert; sehr geringer Verzug, aber Teile müssen mit Spalten von etwa 0,1 mm oder weniger passen
Oberfläche: Schmale, glatte Naht, oft nahezu bündig; wenig Spritzer
Geeignete Losgröße: Große Serien mit Automatisierung; Handgeräte bedienen inzwischen auch Lohnfertiger
Werkzeug- und Maschinenkosten: Etwa 10.000 Dollar aufwärts für ein Faserlaser-Handschweißgerät; einige hunderttausend Dollar oder mehr für eine Roboterzelle
Geschwindigkeit: Meist 1–10 m Naht pro Minute an dünnem Blech; Scannerköpfe springen in Millisekunden zwischen Nähten

Stärken und Grenzen

Stärken

Schmale, tiefe Nähte mit wenig Wärme und Verzug
Sehr schnell und leicht zu automatisieren, sogar aus der Ferne mit Scannerspiegeln
Schweißt von einer Seite, ohne das Teil zu berühren
Präzise genug für winzige medizinische und elektronische Teile

Grenzen

Teure Ausrüstung und strenge Lasersicherheit: Der Strahl und seine Reflexionen können blenden
Braucht enge Passung: Spalte und Versatz verursachen Fehler
Glänzende Metalle wie Kupfer und Aluminium reflektieren einen großen Teil des Strahls
Sehr schnelles Abkühlen kann bei kohlenstoffreichen Stählen harte, spröde Nähte erzeugen

Wo es eingesetzt wird

AutomobilbauDächer, Türen, Tailored Blanks, Zahnräder und Getriebeteile
Batterien und E-MobilitätZellfahnen, Stromschienen (dicke Verbindungsstreifen), Batteriegehäuse
MedizinGehäuse von Herzschrittmachern und Implantaten, chirurgische Instrumente
ElektronikSensorgehäuse, Steckverbinder, dichte Gehäuse
KüchenausstattungEdelstahlspülen, Gerätepaneele und -rohre

So erkennen Sie es

Eine sehr dünne, gleichmäßige Naht, oft nur 1–2 mm breit, mit feinen regelmäßigen Riffeln.
Kaum oder keine Anlauffarben oder Verzug neben der Naht.
Reihen winziger überlappender Punkte an kleinen Teilen, von einem gepulsten Laser erzeugt (zum Beispiel an Medizinprodukten oder reparierten Schmuckstücken).

Im Vergleich mit

Lichtbogenschweißen7.1günstiger und verzeihender bei Spalten, aber breiter, flacher und heißer, mit mehr Verzug.Elektronenstrahlschweißen7.5eine noch tiefere und sauberere Naht aus einem Elektronenstrahl, braucht aber eine Vakuumkammer.Widerstandspunktschweißen7.2verbindet Bleche nur punktweise; ein Laser kann stattdessen durchgehende Nähte setzen.

Ansehen

Mech Vidya · Das Dampfkapillar-Prinzip, animiert

Ricky Explains Lasers · Laserquelle, Faser und Schweißkopf, aufgeschnitten

TRUMPF Inc. · Ein Scannerkopf, der mit hoher Geschwindigkeit zwischen Nähten springt

TRUMPFtube · Eine Laserschweißzelle in einer echten Fabrik

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Laserstrahlschweißen — Prinzip, Dampfkapillar- und Wärmeleitungsmodus, mit Links zu Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Ein gebündelter Laser konzentriert so viel Leistung, dass er eine Dampfkapillare öffnet und in einem Durchgang tief schweißt.
Schmale Nähte bedeuten wenig Wärme, wenig Verzug und hohe Geschwindigkeit.
Der Preis sind teure Ausrüstung, strenge Sicherheitsregeln und Teile, die eng zusammenpassen müssen.