Ein Leitfaden zum Laserstrahlschweißen – Alles, was Sie wissen müssen

Das Laserschweißen ist eine fortschrittliche und moderne Methode zum Verbinden von Materialien, die in vielen Industriezweigen Anwendung findet. Dank seiner Präzision, Geschwindigkeit und hohen Schweißqualität gilt es als eine der effektivsten Schweißmethoden. In diesem Artikel erfahren Sie, was Laserschweißen ist, wie es funktioniert und welche Vorteile es bietet, sowie welche Anwendungen diese Technologie in der modernen Produktion unersetzlich machen.

Was ist Laserschweißen?

Beim Laserschweißen wird ein konzentrierter Laserstrahl verwendet, um Materialien zu schmelzen und zu verbinden. Dieser Prozess ist äußerst präzise, da der Laserstrahl genau auf den Verbindungspunkt gerichtet werden kann. Die Energie des Laserstrahls schmilzt die Kanten der Materialien, die nach dem Erstarren eine haltbare und ästhetische Schweißnaht bilden.

Einer der interessantesten Aspekte des Laserschweißens ist seine Fähigkeit, Schweißnähte von außergewöhnlich kleiner Breite zu erzeugen, die zwischen 0,2 und 13 mm liegen. Darüber hinaus minimiert dieser Prozess dank der extrem hohen Energiedichte die Wärmeeinwirkung auf andere Bereiche des Materials. Das Ergebnis ist nicht nur eine erhöhte Präzision, sondern auch eine reduzierte Verformung der geschweißten Elemente.
Diese Technologie funktioniert sowohl im Makro- als auch im Mikromaßstab perfekt - vom Verbinden von Elementen in der Schwer- und Automobilindustrie bis hin zu perfekten und ästhetisch ansprechenden Schweißnähten in der Möbelindustrie.

Arten des Laserschweißens

Es gibt viele Laserschweißmethoden, die sich in Anwendung und Eigenschaften unterscheiden. Hier ist ein Überblick über die wichtigsten:

Wärmeleitungsschweißen

Diese Methode beinhaltet das Erhitzen des Materials auf seine Schmelztemperatur, ohne die Verdampfungstemperatur zu erreichen. Die Energie wird an die Oberfläche des Materials abgegeben und dann durch Wärmeleitung in sein Inneres verteilt. Dieser Prozess ermöglicht die Bildung eines Schweißbades ohne tiefe Eindringung. Es ist eine ideale Lösung für das Schweißen dünner Materialien, wie Stahl- und Aluminiumbleche bis zu 1,5 mm Dicke. Gaslaser wie CO₂ und Festkörperlaser (z.B. Nd:YAG) werden häufig in dieser Technik verwendet, da sie die Materialverformung minimieren und hohe Präzision gewährleisten.

Tiefschweißen

Bei dieser Methode dringt die Laserenergie tief in das Material ein und übersteigt die Schmelz- und Verdampfungstemperatur. Es bildet sich ein charakteristischer Dampf-Plasma-Kanal, der Schweißnähte mit einem hohen Tiefen-Breiten-Verhältnis (bis zu 10:1) ermöglicht. Diese Technik ist besonders nützlich beim Schweißen dicker Stahlelemente und Metalllegierungen. Im Prozess werden Hochleistungslaser wie Faserlaser eingesetzt, die auch bei Materialien mit hohem Reflexionskoeffizienten wie Aluminium effizient sind.

Hybridschweißen

Das Hybrid-Laserschweißen kombiniert Lasertechnologie mit anderen Methoden wie dem Lichtbogenschweißen (MIG/MAG). Der Laserstrahl erzeugt einen Dampfkanal, und eine zusätzliche Energiequelle liefert das Zusatzmaterial. Diese Methode zeichnet sich durch hohe Schweißgeschwindigkeit, die Fähigkeit, ungenau angepasste Elemente zu verbinden, und reduzierte Verformung aus. Sie wird in der Schiffbau-, Automobil- und Bauindustrie eingesetzt.

Laser-Mikroschweißen

Dies ist ein Prozess, der für das Schweißen sehr kleiner Elemente mit außergewöhnlicher Präzision entwickelt wurde. Es werden gepulste Laser (z.B. Nd:YAG) verwendet, die eine Minimierung der Wärmeeinwirkung auf angrenzende Materialbereiche ermöglichen. Mikroschweißen wird in der Elektronik, Schmuckherstellung und Medizin eingesetzt, wo Präzision entscheidend ist.

Hier ist es erwähnenswert, dass das Impulsschweißen eine Technik ist, die in MIG/MAG-Methoden verwendet wird und das zyklische Erhöhen und Verringern der Schweißstromstärke beinhaltet. Dies ermöglicht eine präzise Kontrolle der in das Material eingebrachten Wärmemenge, was besonders beim Schweißen dünner Bleche und wärmeempfindlicher Materialien von Vorteil ist.

Laser-Verbindung von Thermoplasten

Laserschweißen wird auch bei Kunststoffen eingesetzt. Die Laserenergie wird vom Material absorbiert, wodurch es lokal schmilzt und eine dauerhafte Verbindung entsteht. Diese Technik wird unter anderem bei der Herstellung von medizinischen und elektronischen Komponenten eingesetzt.

Die wichtigsten Merkmale des Laserschweißens

Der Laserschweißprozess bietet viele Vorteile, die ihn zu einer der fortschrittlichsten und effizientesten Technologien in der Industrie machen. Durch die Anpassung von Parametern wie der Laserlichtimpulsenergie, der Laserstrahlfokusposition oder der Schutzgasströmungsrate kann der Prozess an verschiedene Materialien und Produktionsanforderungen angepasst werden.

Hier sind die wichtigsten Vorteile dieser Technologie:

• präzise Energieabgabe - dank eines Laserstrahls mit hoher Leistungsdichte zeichnet sich der Schweißprozess durch eine kleine Breite der wärmeeinflusszone aus. Die Möglichkeit der Energieregelung ermöglicht das Schweißen sowohl dünner Materialien, wie Aluminiumbleche mit einer Dicke von 1,5 mm, als auch dickerer Elemente wie Stahlkonstruktionselemente.

• hohe Schweißgeschwindigkeit - Laserschweißen ermöglicht deutlich höhere Schweißgeschwindigkeiten als herkömmliches Schweißen. Dies macht den Prozess effizienter, was besonders in der Serienproduktion wichtig ist. Die hohe Geschwindigkeit beeinträchtigt nicht die Qualität der Schweißnähte.

• Vielseitigkeit der Anwendungen - Laserschweißen ermöglicht das Verbinden einer breiten Palette von Materialien, wie Metalle oder Glas. Mit dieser Methode ist es auch möglich, niedriglegierte Stähle zu schweißen. Die Möglichkeit der Parameteranpassung (z.B. Geschwindigkeit oder Schweißzeit) ermöglicht das Verbinden verschiedener Materialtypen bei gleichbleibender hoher Schweißqualität.

• Minimierung der Wärmeeinwirkung auf das Material - dank der präzisen Einstellung des Laserstrahlfokus wird die Energie an einem genau definierten Ort konzentriert, was die Wärmeeinwirkung auf umgebende Bereiche begrenzt (sogenannte sehr schmale Wärmeeinflusszone). Dadurch sind die Schweißnähte haltbar und das Risiko von Verformungen oder thermischen Schäden am Material wird auf ein Minimum reduziert.

• Sauberkeit und Ästhetik des Prozesses - beim Laserschweißprozess besteht keine Notwendigkeit, zusätzliche Zusatzwerkstoffe zu verwenden, was sich auf den wirtschaftlichen Aspekt auswirkt. Darüber hinaus werden dank der begrenzten wärmeeinflusszone ästhetische, glatte Schweißnähte erhalten, die oft keine weitere Bearbeitung erfordern. Ein weiterer Vorteil des Laserschweißens ist das Fehlen von Spritzern, was nicht nur die Ästhetik der Ausführung verbessert, sondern auch die Arbeitssicherheit erhöht und den Reinigungsbedarf der Elemente reduziert.

• einfache Automatisierung - Laserschweißen lässt sich leicht in automatische Systeme (robotergestütztes Schweißen) integrieren, was es zu einer idealen Lösung in modernen Produktionslinien macht. Die Steuerung der Laserenergie und Schweißgeschwindigkeit ermöglicht eine vollständige Kontrolle des Prozesses, was die Effizienz und Wiederholbarkeit erhöht.

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Es ist auch erwähnenswert, dass das Laserschweißen durch die Zugabe von Material in Form von Schweißdraht unterstützt werden kann. In diesem Fall ist es möglich, mit kleinen Spalten zu schweißen und dennoch eine solide Verbindung zu erreichen. Für größere Spalten werden Geräte mit einem 2W-Kopf empfohlen, die eine effiziente Arbeit und hervorragende Ergebnisse gewährleisten.

Was sind die Einschränkungen des Laserschweißens?

Diese Technologie, obwohl modern und effektiv, hat auch ihre Einschränkungen. Es lohnt sich, die Vor- und Nachteile des Laserschweißens gründlich zu analysieren, um zu entscheiden, ob es für eine bestimmte Anwendung geeignet sein wird. Zu den wichtigsten Nachteilen gehören die hohen Anschaffungskosten. Dennoch sind derzeit verschiedene Geräteserien auf dem Markt erhältlich, einschließlich preisgünstiger Modelle, sodass auch kleinere Unternehmen diese Technologie nutzen können.

Es wird gesagt, dass eine Herausforderung beim Laserschweißen die begrenzte Fähigkeit ist, einige Materialien zu schweißen, wie Metalle mit hohem Reflexionskoeffizienten (hochreflektierend), z.B. Kupfer. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass dies ein Mythos ist. Laserschweißen ist durchaus möglich, aber was für solche Materialien (z.B. Edelstahl oder Schwarzstahl) entscheidend ist, ist die Anwendung geeigneter Schweißparameter (wie Laserleistung) und die Berücksichtigung der Beschichtungsdicke.

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Schutzgase beim Laserschweißen

Beim Laserschweißen spielen Schutzgase eine Schlüsselrolle, die die Qualität und Eigenschaften der Schweißnaht beeinflussen. Argon wird am häufigsten verwendet, da es gut verfügbar und wenig reaktiv ist und einen effektiven Schutz des geschmolzenen Metallbades ermöglicht. Helium, obwohl teurer, bietet eine bessere Plasmakontrolle aufgrund seiner hohen Ionisierungsenergie, was es bei Projekten unverzichtbar macht, bei denen hohe Präzision wichtig ist. Stickstoff wird hauptsächlich beim Schweißen von Edelstahl verwendet, wo er die Schweißnaht verstärken kann, aber seine Wechselwirkung mit Aluminium oder Kohlenstoffstahl kann zur Bildung von Nitriden führen, die die Qualität der Verbindung verringern. Kohlendioxid hingegen ist eine wirtschaftliche Wahl für das Schweißen von niedriglegierten Stählen und bietet glatte Schweißnähte, obwohl es nicht vor Stahloxidation schützt.

Anwendungen des Laserschweißens

Laserschweißen findet in vielen Industriezweigen Anwendung dank seiner Vielseitigkeit und unvergleichlichen Präzision. Hier sind die wichtigsten Beispiele:

1. Schlosserarbeiten, Geländer und Tore - Laserschweißen ermöglicht die Erstellung haltbarer und präziser Verbindungen, was besonders wichtig für Elemente ist, die Festigkeit und Präzision erfordern.

2. Stahlkonstruktionen - Die Laserschweißtechnologie ermöglicht das effektive Verbinden großer Stahlelemente und garantiert dabei hohe Qualität und Einhaltung der Konstruktionsanforderungen.

3. Gastronomie - in der Gastronomiebranche wird Laserschweißen zur Herstellung von Edelstahlgeschirr und -zubehör eingesetzt, wo Haltbarkeit und hygienische Oberflächenausführung Priorität haben.

4. Möbelindustrie - diese Technologie ist besonders in der Herstellung von Beschlägen und Loft-Möbeln geschätzt, wo Schweißnähte sowohl präzise als auch ästhetisch ansprechend sein müssen.

5. Automobilindustrie - Laserschweißen wird zum Verbinden von Karosserieelementen, Chassis und Motorkomponenten eingesetzt. Schnelles Verbinden gewährleistet Haltbarkeit und Ästhetik, was in der modernen Autoproduktion entscheidend ist.

6. Flugzeugausrüstung - in der Luftfahrt zählt jedes Gramm Masse. Laserschweißen ermöglicht die Erstellung leichter und haltbarer Strukturen, die den höchsten Sicherheitsstandards entsprechen.

7. Medizinindustrie - Laserschweißen wird in der Herstellung von chirurgischen Instrumenten und Implantaten eingesetzt. Die Sauberkeit des Prozesses und die hohe Präzision dieser Methode ermöglichen die Erstellung von Elementen mit komplexen Formen.

8. Elektronik - die Miniaturisierung elektronischer Geräte erfordert präzise Schweißnähte. Laserschweißgeräte sind ideal zum Verbinden kleiner Komponenten ohne Risiko ihrer Beschädigung.

9. Kunststoffe - dank der Möglichkeit der Prozessparameteranpassung wird Laserschweißen auch beim Verbinden von Thermoplasten eingesetzt. Die Laserenergie wird vom Material absorbiert und erzeugt haltbare Verbindungen in elektronischen oder medizinischen Produkten.

Welche Materialien können lasergeschweißt werden?

Eines der am häufigsten geschweißten Materialien ist Kohlenstoffstahl, der in der Schwerindustrie und Automobilindustrie verwendet wird, wo Schweißnahtfestigkeit und tiefe Eindringung wichtig sind. Dank des Lasers ist es möglich, starke und dichte Verbindungen zu erhalten, die hohen mechanischen Belastungen standhalten.

Ein weiteres Material, das perfekt mit dieser Technologie funktioniert, ist Aluminium. Laserschweißen von Aluminium ermöglicht das Verbinden leichter und haltbarer Elemente beliebiger Form bei gleichzeitiger Minimierung der Wärmeeinwirkung auf umgebende Bereiche.

Laser können auch Titan, Kupfer und sogar schwer zu schweißende Materialien wie Nickellegierungen oder einige Kunststoffe schweißen.

Arten von Lasern, die beim Laserschweißen verwendet werden

Beim Laserschweißen werden verschiedene Lasertechnologien verwendet, die sich in der Art des Strahlverstärkungsmediums, der Wellenlänge der emittierten Welle und dem Betriebsmodus unterscheiden. Zu den am häufigsten verwendeten Lasertypen gehören:

• Faserlaser - unter Verwendung eines Ytterbium(Yb)-Fasers als aktives Medium. Sie emittieren Wellen im Bereich von 980 bis 1100 nm und bieten kontinuierliche Emission oder ultraschnelle Pulse in Q-Switch-Technologie. Sie zeichnen sich durch kompaktes Design und hohe Effizienz aus.

• Molekulare CO₂-Laser - emittieren Wellen mit einer Länge von 10,6 μm, verfügbar im kontinuierlichen und gepulsten Modus. Sie werden in der Industrie aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Fähigkeit, verschiedene Materialien präzise zu schneiden und zu schweißen, weit verbreitet eingesetzt.

• Festkörperlaser - einschließlich kristalliner Laser wie Nd:YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) und YVO₄ (Yttrium-Orthovanadat). Sie emittieren Strahlung im Bereich von 10,6 μm im kontinuierlichen oder gepulsten Modus. Aufgrund ihrer Konstruktion sind sie perfekt für das Schweißen von Materialien mit hoher Dichte und Härte geeignet.

• Rubinlaser - erzeugen Wellen mit einer Länge von 694,3 nm. Sie haben die Fähigkeit, hohe Leistung durch optisches Pumpen mit einer Blitzlampe zu erreichen. Sie werden in Prozessen eingesetzt, die hohe Präzision erfordern.

• Halbleiterlaser - basieren auf Laserdioden, die Wellen mit einer Länge von 1070 nm emittieren. Sie können im kontinuierlichen oder gepulsten Modus arbeiten, und ihr Pumpen erfolgt elektrisch. Sie sind effizient, kompakt und können Licht in einem breiten Spektralbereich emittieren - von sichtbar bis infrarot.

Jeder der genannten Lasertypen bietet spezifische Vorteile, die an verschiedene industrielle Anforderungen angepasst sind. Zum Beispiel ermöglicht ein Laserschweißgerät für Metall mit Fasertechnologie das präzise Verbinden von Materialien mit hoher Dichte, wie Edelstahl oder Aluminium, und gewährleistet hochwertige Schweißnähte mit minimaler Wärmeeinwirkung. Andererseits eignen sich CO₂-Laser gut für nichtmetallische Materialien, dank ihrer Fähigkeit, Kunststoffe effektiv zu schneiden und zu schweißen.

Wie wählt man das richtige Laserschweißgerät?

Die Wahl des richtigen Laserschweißgeräts hängt vom Material, der Art der Verbindung und den Produktionsanforderungen ab. Der Lasertyp - Faser, CO₂ oder Nd:YAG - ist entscheidend, da jeder spezifische Vorteile bietet. Die Strahlleistung beeinflusst die Eindringtiefe, was das Schweißen sowohl dünner als auch dickerer Elemente ermöglicht. Die Anpassung der Schweißparameter, wie Geschwindigkeit oder Schutzgasintensität, beeinflusst die Qualität der resultierenden Schweißnaht. Moderne Laserschweißgeräte bieten die Möglichkeit der Automatisierung, wodurch die Effizienz und Wiederholbarkeit des Prozesses erhöht wird (wiederholbare Schweißnähte finden sich hauptsächlich in der Massenproduktion), während die Betriebskosten minimiert werden.

Erfahren Sie mehr: Umfassender Leitfaden zu Laserschweißgeräten

Ist Laserschweißen sicher?

Zum Thema Schweißen ist es wichtig, das Thema Sicherheit anzusprechen, da der Betrieb eines Laserschweißgeräts Schulung und Kenntnis der Gesundheits- und Sicherheitsregeln erfordert. Unsachgemäße Verwendung kann zu schwerwiegenden Folgen führen. Die Einhaltung der Gesundheits- und Sicherheitsregeln beim Schweißen schützt nicht nur die Gesundheit der Bediener, sondern gewährleistet auch die Effizienz und Zuverlässigkeit des Prozesses. Ist Laserschweißen sicher? Ja, aber nur unter der Bedingung der Einhaltung festgelegter Verfahren.

Laserschweißen - Technologie, die die Zukunft der Industrie verändert

Die Investition in Laserschweißen ist ein Schritt in Richtung Innovation, die nicht nur die Produktionsqualität verbessert, sondern auch ihre Effizienz erhöht. Es ist eine Zukunftstechnologie, die bereits heute das Gesicht des Schweißens verändert und Unternehmen, die sie implementieren, einen Wettbewerbsvorteil verschafft.

Wenn Sie nach einer zuverlässigen und modernen Lösung suchen, ist Laserschweißen mit Fanuci-Geräten eine Wahl, die selbst die anspruchsvollsten Erwartungen erfüllen wird.

Literaturverzeichnis:

1. Dominik Wyszyński, Laserschweißen - ausgewählte Methoden, "Schweißtechnische Rundschau", Bd. 88 12/2016, https://distantreader.org/stacks/journals/pspaw/pspaw-717.pdf, Online-Zugriff [15.01.2025]

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