Welche Einschränkungen haben Laser-Schweißmaschinen?

Laser-Schweißmaschinen sind eine Art Verarbeitungsanlage, die hochenergetische Laserstrahlen nutzen, um das Fügen von Materialien zu ermöglichen. Mit konzentrierter Energie, kontrollierbarem Wärmeeintrag und stabiler Schweißnahtform werden sie häufig zum Verbinden von metallischen Bauteilen und präzisen Komponenten eingesetzt. In der praktischen Anwendung bieten Laser-Schweißverfahren erhebliche Vorteile, weisen jedoch auch bestimmte Einschränkungen auf.

I. Vorteile des Laser-Schweißens
1. Die Hohe Energiedichte

Der Laserstrahl weist eine hohe Leistungsdichte auf, wodurch lokal ein instanter Schmelzbad erzeugt wird, um Tiefschweißen oder Wärmeleitungs-Schweißen zu erreichen. Er eignet sich für Werkstücke, bei denen die wärmebeeinflusste Zone streng kontrolliert werden muss.

2. Geringe Wärmeaufbringung und minimale Verformung

Das Laserschweißen zeichnet sich durch eine geringe Gesamtwärmeeinbringung und eine schmale wärmeeinflusste Zone (WEZ) aus, wodurch die Bauteilverformung reduziert wird. Es ist daher geeignet für dünnwandige Teile und Präzisionsbauteile.

3. Hohe Schweißgeschwindigkeit

Das Laserschweißen bietet eine hohe Schweißgeschwindigkeit, eignet sich für automatisierte Fertigungsstraßen und erhöht die Produktivität.

4. Hohe Schweißqualität

Die Schweißnaht ist schmal, weist ein hohes Tiefen-Breiten-Verhältnis auf und zeigt eine gleichmäßige Durchdringung, wodurch die Anforderungen an hochfeste Schweißverbindungen erfüllt werden.

5. Berührungslose Bearbeitung

Der Schweißkopf muss während des Schweißens das Werkstück nicht berühren, wodurch es für komplexe Strukturen oder schwer zugängliche Schweißnähte geeignet ist.

II. Grenzen von Laserschweißanlagen
1. Hohe Anforderungen an die Montagegenauigkeit

Der Laserstrahl hat eine kleine Spotgröße und ist empfindlich gegenüber Schweißnahtspalten, Positioniergenauigkeit und Maßtoleranzen. Eine zu große Spaltbreite kann einen instabilen Schmelzpool, unvollständige Verschweißung oder Einsturz verursachen.

2. Empfindlichkeit gegenüber der Materialoberflächenbedingung

Hochreflektierende Materialien (wie Kupfer, Aluminium, Gold und Silber) weisen eine geringe Absorption von Infrarotlasern auf, was leicht zu Reflexion und unzureichender Energiekopplung führt. Oberflächenölverschmutzung und Oxidschichten beeinträchtigen ebenfalls die Schweißkonsistenz.

3. Hohe Gerätekosten

Die Laserquelle, optische Komponenten und Kühlsysteme sind teuer. Die Wartungs- und Austauschkosten für optische Komponenten liegen höher als bei herkömmlichen Schweißgeräten.

4. Hohe Anforderungen an die Arbeitsumgebung

Lasersysteme benötigen eine Umgebung mit konstanter Temperatur und müssen vor dem Eindringen von Staub und Ölnebel in den optischen Pfad geschützt werden. Hochleistungsmaschinen erfordern Kühlaggregate und eine stabile Stromversorgung.

5. Strenge Anforderungen an den Sicherheitsschutz

Laserstrahlung, Spritzer und reflektiertes Licht bergen potenzielle Risiken. Bediener müssen Schutzbrillen tragen und Abschirmungen oder Sicherheitslichtvorhänge verwenden.

6. Schwierige Schweißnahtinspektion

Tiefenpenetrations-Schweißen erzeugt schmale und tiefe Schweißnähte, wodurch innere Fehler – wie Porosität, Schrumpfblasen und unvollständige Durchschweißung – visuell schwer erkennbar sind. Es ist eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Röntgenstrahlung oder Ultraschall erforderlich.

7. Einschränkungen beim Schweißen von Dickblechen

Bei Materialien, die eine bestimmte Dicke überschreiten, kann bei einer Einzelpass-Schweißung keine vollständige Durchschweißung erreicht werden. Es kann eine Mehrlagen-Schweißung oder eine hybride Laser-Lichtbogen-Schweißung erforderlich sein.

8. Neigung zum Rissbildungsverhalten bei bestimmten Werkstoffen

Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt, gehärtete Stähle und Gusseisen neigen beim Laserschweißen zu Heißrissen oder Kalt­rissen. Vorwärmen, kontrolliertes Abkühlen oder eine Anpassung der Wellenform sind erforderlich.

III. Anwendbare Werkstoffe und materielle Einschränkungen
Anwendbare Materialien:

1. Edelstahl

2. Kohlenstoffstahl

3.Aluminium und Aluminiumlegierungen

4. Kupfer und Kupferlegierungen

5. Nickelbasislegierungen

6. Titanlegierungen

7. Metallblechwerkstoffe

Wesentliche Einschränkungen:

1. Hochreflektierende Werkstoffe (Kupfer, Aluminium) erfordern blaue/grüne Laser oder eine höhere Leistungsdichte.

2. Kohlenstoffreicher Stahl und duktiler Gusseisen erfordern Vorwärmen oder schwingungsgeführtes Schweißen.

3. Nichtmetallische Werkstoffe (Kunststoffe, Keramiken) erfordern verschiedene Lasertypen (wie CO₂- oder Pikosekundenlaser).

IV. Typische Anwendungsszenarien des Laserschweißens

1. Präzisionsfertigung: Elektronikbauteilschweißen, Sensordichtung, Schweißen von Lithiumbatterie-Tabs.

2. Automobilfertigung: Karosseriestrukturschweißen, Schweißen von hochfestem Stahl, Schweißen von Batteriegehäusen.

3. Luft- und Raumfahrt: Schweißen von dünnwandigen Bauteilen aus Nickelbasis- und Titanlegierungen.

4. Medizintechnik: Schweißen von mikroskaligen Instrumenten aus Edelstahl und Titan.

5. Hardware-Fertigung: Geschirr, Metallgehäuse, Griffe und andere Dünns blechbauteile.

6. Neue Energieindustrie: Schweißen von Kupfer-Aluminium-Leitkomponenten, Schweißen von Motorstator-Laminierungen.

V. Anforderungen an die Arbeitsumgebung

1. Stabile Raumtemperatur (typischerweise 15–30 °C)

2. Mäßige Luftfeuchtigkeit, um Kondensation zu vermeiden

3. Saubere Luft, frei von Staub und Ölnebel

4. Stabile Stromversorgung ohne Spannungsschwankungen

5. Kühlanlage zur Aufrechterhaltung der Temperatur von Laser und Schweißkopf

6. Lasersicherheitsbereich mit geeigneter Schutzausrüstung

Laser-Schweißmaschinen bieten hohe Geschwindigkeit, hohe Präzision, geringe wärmebeeinflusste Zonen und Eignung für die Automatisierung. Sie unterstützen eine breite Palette an Metallwerkstoffen und eignen sich für hochpräzise Schweißanwendungen. Allerdings erfordern sie eine hohe Montagegenauigkeit, spezifische Materialbedingungen und kontrollierte Umgebungsparameter sowie höhere Kosten für Ausrüstung und Wartung. Einige Werkstoffe neigen zu Rissbildung oder weisen Probleme bei der Energiekopplung auf. In der Praxis müssen geeignete Lasertypen und Schweißverfahren basierend auf den Materialeigenschaften, der Bauteilstruktur, der Dicke und den Produktionsanforderungen ausgewählt werden