Grundlegende Überlegungen zum Laserschweißen

Beim Laserschweißen gibt es eine Vielzahl von Prozessvariablen. Aber kreatives Denken bietet auch erhebliche Chancen.

In jeder Branche werden Produkte im Hinblick auf bessere Materialien oder Funktionalität entworfen, neu gestaltet oder neu bewertet. Die Endprodukte bestehen aus vielen Komponenten, und diese Komponenten müssen auf irgendeine Weise verbunden werden. Eine dieser Fügemethoden ist das Laserschweißen.

Beim Laserschweißen wird ein hochintensiver Lichtstrahl verwendet, um ein geschmolzenes Schweißbad zu erzeugen und Materialien miteinander zu verschmelzen. Es handelt sich um einen berührungslosen Prozess, der im Vergleich zu anderen Fusionsprozessen einen geringen Wärmeeintrag aufweist, hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten bietet und in einem einzigen Durchgang tiefe Fusionszonen erzeugt.

Um all diese Vorteile voll auszunutzen und einen qualitativ hochwertigen, wiederholbaren Prozess zu gewährleisten, müssen Hersteller natürlich darüber nachdenken, wie das Laserschweißen im Vergleich zu anderen Schmelzschweißverfahren abschneidet. Auch die Gelenk- und Vorrichtungsgestaltung spielt eine Rolle. Wie bei jeder Metallverarbeitungstechnologie beginnt eine intelligente Implementierung mit einem guten Verständnis der Prozessgrundlagen.

Beim Laserschweißen wird ein Lichtstrahl auf einen kleinen Punkt am Werkstück fokussiert. Das aus einem Medium erzeugte Licht verlässt die Laserquelle und beginnt zu divergieren. Anschließend wird es kollimiert, sodass der Strahl parallel ist und nicht wächst. Der Abstand vom Ausgang zur Kollimationsfläche wird Kollimationslänge genannt. Der Strahl bleibt kollimiert, bis er auf eine Fokusfläche trifft. Dann verengt sich der Strahl zu einer Sanduhrform, bis er an seinem kleinsten Punkt scharf wird. Der Abstand von der Fokusfläche zum kleinsten Punkt wird Brennweite genannt. Die Größe des Fokusflecks wird durch die folgende Gleichung bestimmt: Faserdurchmesser × Brennweite/Kollimationslänge = Fokusdurchmesser

Der Abstand, bei dem der Fokusdurchmesser innerhalb von 86 % des Fokusbereichs liegt, wird als Schärfentiefe bezeichnet. Wenn sich die Fokusposition außerhalb dieses Bereichs verschiebt, ist mit einer Änderung der Prozessergebnisse zu rechnen. Je größer das Verhältnis zwischen Brennweite und Kollimationslänge ist, desto größer wird die Tiefenschärfe für eine gegebene Faser.

Größere Fasern haben im Vergleich zu kleineren Faserdurchmessern eine größere Tiefenschärfe. Die größeren Verhältnisse und Fasern haben eine größere Punktgröße, was zu einer Verringerung der Leistungsdichte und damit zu einer Verringerung der Penetration führt.

Es gibt zwei Formen des Laserschweißens: Wärmeleitungsschweißen und Stichlochschweißen. Beim Wärmeleitungsschweißen schmilzt der Laserstrahl die zusammenpassenden Teile entlang einer gemeinsamen Verbindung, und die geschmolzenen Materialien fließen zusammen und erstarren, um die Schweißnaht zu bilden. Beim Wärmeleitungsschweißen werden gepulste oder kontinuierlich arbeitende Festkörperlaser zum Fügen dünnwandiger Teile eingesetzt.

Beim Wärmeleitungsschweißen wird Energie ausschließlich durch Wärmeleitung in das Werkstück eingekoppelt. Aus diesem Grund beträgt die Schweißnahttiefe nur wenige Zehntel Millimeter bis 1 mm. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials begrenzt die maximale Schweißtiefe und die Breite der Schweißnaht ist immer größer als ihre Tiefe. Das Wärmeleitungslaserschweißen wird für Eckschweißungen an den Sichtflächen von Gerätegehäusen sowie für andere Anwendungen in der Elektronik eingesetzt.

Stichlochschweißen (sieheAbbildung 1 ) erfordert extrem hohe Leistungsdichten von etwa 1 Megawatt pro Quadratzentimeter. Es wird dort eingesetzt, wo tiefe Schweißnähte erforderlich sind oder mehrere Materialschichten gleichzeitig geschweißt werden müssen.

Dabei schmilzt der Laserstrahl nicht nur das Metall, sondern erzeugt auch Dampf. Der sich verflüchtigende Dampf übt Druck auf die Metallschmelze aus und verdrängt diese teilweise. Währenddessen schmilzt das Material weiter. Das Ergebnis ist ein tiefes, schmales, mit Dampf gefülltes Loch oder Schlüsselloch, umgeben von geschmolzenem Metall.

ABBILDUNG 1Stichlochschweißen erfordert extrem hohe Leistungsdichten und wird in Anwendungen eingesetzt, die tiefe Schweißnähte erfordern.

Während sich der Laserstrahl entlang der Schweißnaht bewegt, bewegt sich das Schlüsselloch mit durch das Werkstück. Das geschmolzene Metall umströmt das Schlüsselloch und erstarrt in seiner Spur. Dadurch entsteht eine tiefe, schmale Schweißnaht mit gleichmäßiger Innenstruktur. Die Schweißnahttiefe kann das Zehnfache der Schweißnahtbreite überschreiten. Das geschmolzene Material absorbiert den Laserstrahl nahezu vollständig und die Effizienz des Schweißprozesses steigt. Der Dampf im Schlüsselloch absorbiert auch Laserlicht und wird teilweise ionisiert. Dabei kommt es zur Bildung von Plasma, das ebenfalls Energie in das Werkstück einbringt. Dadurch zeichnet sich das Tiefschweißen durch eine hohe Effizienz und schnelle Schweißgeschwindigkeiten aus. Dank der hohen Geschwindigkeit ist die Wärmeeinflusszone (HAZ) klein und der Verzug minimal.

Im Vergleich zu anderen Verfahren bietet das Laserschweißen die höchste Schweißqualität, den geringsten Wärmeeintrag und die höchste Eindringtiefe in einem einzigen Durchgang. Es verfügt über eine der größten Bandbreiten an Materialkombinationen und Teilegeometrien, ist äußerst kontrollierbar und wiederholbar und lässt sich am einfachsten automatisieren (sieheFigur 2 ). All dies ermöglicht neue Verbindungsdesigns und Teile können mit einer höheren Geschwindigkeit und weniger Nachbearbeitung nach dem Schweißen hergestellt werden.

Beim Laserschweißen fallen außerdem die höchsten Anfangsinvestitionen, Werkzeugkosten und Anforderungen an die Schweißnahtanpassung an. Diese müssen bei der Auswahl des Laserschweißens als Verbindungsverfahren für Ihren Produktionsprozess berücksichtigt werden.

Durch das Tiefschweißen kann eine einzige Schweißnaht mehrere Schweißnähte in unterschiedlichen Verbindungsdesigns ersetzen.Figur 3 zeigt einige typische Konfigurationen von Laserschweißverbindungen. Stumpfnähte erfordern bei dickeren Teilen keine Fase, T-Verbindungen können von einer Seite mit voller Festigkeit geschweißt werden und Überlappungsnähte können durch das obere Blech oder entlang der Naht geschweißt werden. Dies ermöglicht Flexibilität bei der Gestaltung Ihrer Teile und Schweißstellen.

Stumpfschweißen erfordert eine hohe Positionsgenauigkeit. Typische Schweißpunktgrößen liegen zwischen 50 und 900 µm Durchmesser. Die zulässige Positionstoleranz muss weniger als die Hälfte des Strahldurchmessers betragen, um sicherzustellen, dass der Laserstrahl auf beide Seiten der Verbindung einwirkt. Der zulässige Spalt beträgt typischerweise 10 % des dünnsten Materials oder weniger als 50 % des Schweißstrahldurchmessers. Daher ist die Befestigung bei diesen Verbindungskonfigurationen von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Positionswiederholgenauigkeit und einen minimalen Spalt zu gewährleisten.

Übliche Methoden, dies zu berücksichtigen, sind die Konstruktion des Teils mit Presspassung oder die Konstruktion einer robusten Befestigung. Einige verwenden möglicherweise ein Vision-System, um die Teilepositionierung sicherzustellen, aber dies erhöht die Zykluszeit und erhöht die Komplexität der Programmierung für die Produktion. Es ist auch wichtig, die richtige Punktgröße am Teil auszuwählen. Größere Punktgrößen ermöglichen größere Variationen, erfordern jedoch einen viel höheren Energieeintrag, um die gleiche Schweißeindringtiefe zu erreichen.

Stumpfschweißen hat viele Vorteile. Die Schweißnahtfestigkeit wird durch die Menge der Schweißnaht entlang der Naht bestimmt, daher bestimmt das Ausmaß der Eindringung die Stärke der Schweißnaht. Schmale, tiefe Schweißnähte erzeugen einen geringeren Wärmeeintrag, wodurch eine kleine HAZ entsteht und Verformungen begrenzt werden. Außerdem ist weniger Material erforderlich, da keine Überlappung erforderlich ist.

Beim Überlappschweißen gibt es viele verschiedene Überlegungen. Der zulässige Spalt beträgt typischerweise 10 % der Dicke des Obermaterials. Die Schweißnahtbreite und die Verschmelzung an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien bestimmen die Schweißnahtfestigkeit. Im Vergleich zu Stoßverbindungen führen solche Überlappungskonfigurationen zu einem höheren Energieeintrag, einer größeren HAZ und mehr Verformung.

Beim Schweißen durch das obere Blech (3 in Abbildung 2) muss der Laserstrahl durch das obere Blech und in das untere Blech eindringen, und die gesamte beim Eindringen in das obere Blech aufgewendete Energie erhöht die Schweißfestigkeit nicht. Überlappungsschweißnähte müssen breiter sein, um ihre Festigkeit zu erhöhen. Dies erfordert einen höheren Energieeintrag, der entweder durch eine größere Punktgröße oder durch Oszillation mit einer kleineren Punktgröße erreicht wird. Wenn eine minimale Verformung von entscheidender Bedeutung ist, sollte die Schweißnaht das untere Blech nur teilweise durchdringen. Wenn Anwendungen einen geringen Wärmeeintrag und entweder eine geringe Leistung oder hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten erfordern, können Teildurchdringungsverbindungen ideal sein. Sie erzeugen auf der Rückseite der Schweißnaht eine von Wärmeeinwirkung unbeeinflusste Oberfläche und damit eine Oberfläche der Klasse A.

Bei Teilschweißnähten sollte die minimale Eindringtiefe in das untere Blech bei dünneren Materialien zwischen 20 % und 50 % und bei dickeren Materialien bei 0,5 mm liegen, um eine wiederholbare Verschmelzung zu gewährleisten, die Produktionsschwankungen berücksichtigt. Die einfachste Schweißkonstruktion besteht darin, das dünnste Material oben und das dickere Material unten zu haben. Wenn das obere Blech dicker ist, ist das teilweise Eindringen in das untere Blech schwieriger zu kontrollieren, wodurch es auch schwieriger wird, eine Klasse-A-Oberfläche auf der Rückseite der Schweißnaht aufrechtzuerhalten.

FIGUR 2 Das Laserschweißen bietet hervorragende Qualität, hohe Geschwindigkeit und hohe Eindringtiefe. Auch die Anforderungen an die Passform sind hoch.

Dennoch hat das Überlappschweißen viele Vorteile. Es ist keine hohe Positionsgenauigkeit erforderlich, was eine Befestigung ohne strenge Positionierungsanforderungen ermöglicht. Im Vergleich zum Stumpfschweißen hat das Überlappschweißen ein größeres Prozessfenster, vor allem weil die Eindringtiefe flexibler ist.

Das Laserschweißen ermöglicht auch den Zugang zu Verbindungen, die bisher nicht möglich waren. Da es sich um einen berührungslosen Prozess handelt, ist das Schweißen in Löchern und an engen Stellen möglich, wenn die Strahlbreite beim Fokussieren berücksichtigt wird. Dies ermöglicht Flexibilität bei der Verbindungsgestaltung und Teile können mit weniger Material konstruiert werden.

In vielen Fällen ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen nicht erforderlich, da die HAZ des Laserschweißens klein ist und der Gesamtwärmeeintrag gering ist. Außerdem gibt es an der Ober- oder Rückseite der Schweißnaht nur wenige Schweißüberstände, die nach dem Schweißen bearbeitet werden müssen. Der Prozess kann minimale Spritzer erzeugen, um optisch saubere Schweißnähte zu erzeugen, insbesondere durch die Zugabe von Schutzgasen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer umfangreichen Nachbearbeitung und Reinigung.

Figur 4 zeigt eine starre Befestigung für eine Eckschweißung. Diese Art der Befestigung wird üblicherweise beim Stumpfschweißen und Kantenschweißen von rohrförmigen oder rechteckigen Teilen verwendet. Die Klammern liegen sehr nah an der Naht und üben Druck aus, um einen minimalen Spalt zu gewährleisten. Oberhalb der Verbindung befinden sich keine Werkzeuge, die mit dem Schweißstrahl interagieren könnten, wenn dieser in den Fokus gelangt.

Die Konfiguration bietet auch Platz für eine Schutzgasdüse, wenn Schutzgas aus ästhetischen Gründen oder aus metallurgischen Gründen bei bestimmten Metallen wie Titan erforderlich ist. Vorrichtungen müssen das Gelenk wiederholt in der gleichen Z-Position relativ zum Strahl halten, damit sich der Laserstrahl in der gleichen Fokusposition befindet. Dies ist entscheidend, um die gleiche Leistungsdichte zu erzielen und wiederholbare Ergebnisse zu gewährleisten.

Überlappschweißen erfordert eine weniger robuste Befestigung.Figur 4 zeigt ein typisches Leuchtendesign. Anstelle langer, starrer Klammern, die die gesamte Naht an Ort und Stelle halten, sorgen mehrere Klammern dafür, dass die beiden Bleche großflächig den richtigen Kontakt haben. Eine solche Befestigung kann mit pneumatischen Spannern automatisiert werden. Im Beispiel schweißt eine Scanoptik schnell alle erforderlichen Verbindungen. Galvo-Spiegel – Hochgeschwindigkeitsspiegel innerhalb der Schweißoptik – positionieren den Strahl zum Schweißen und sorgen für die gesamte Bewegung für den Schweißpfad. Dies ermöglicht einen einfachen Roboterpfad.

Bei besonders kritischen Schweißnähten kann eine einzige große Vorrichtung, die mit ausgearbeitetem Schweißpfad konstruiert wurde, eine ideale Teilepassung gewährleisten. Die Befestigungsmethode verursacht höhere Werkzeugkosten, ist aber auch sehr robust und wiederholbar. Da eine große Last gleichmäßig auf die Teileoberfläche ausgeübt wird, kann eine solche Befestigung ideal für Stanzteile mit großen Schwankungen in der Oberflächenebenheit sein.

Das Laserschweißen ermöglicht Kreativität und eine gewisse Freiheit beim Teiledesign, sofern alle wesentlichen Variablen berücksichtigt werden. Welche Punktgröße wird beispielsweise für einen bestimmten Prozess benötigt? Größere Punktgrößen bieten eine größere Schmelzfläche und eine größere Fokustiefe, erfordern jedoch mehr Energie, um die gleichen Schweißtiefen zu erreichen.

Welche Gelenkkonfiguration ist außerdem die beste? Stumpfschweißen erfordert Genauigkeit und Prozesswiederholbarkeit, kann jedoch mit minimalem Wärmeeintrag starke Schweißnähte erzielen. Umgekehrt erfordert das Überlappschweißen eine weniger genaue Befestigung und hat ein größeres Prozessfenster, erfordert aber eine höhere Wärmezufuhr, um stärkere Schweißnähte zu erzielen.

Mit all den Prozessbetrachtungen des Laserschweißens ergeben sich auch unzählige Möglichkeiten. Es ist ein großartiges Werkzeug, um die Fertigung mit neuen, kreativen Teiledesigns voranzutreiben, die nicht nur die Qualität steigern, sondern auch – dank weniger Fertigungsschritte, einschließlich weniger Sekundärbearbeitung – das Potenzial haben, die Kosten drastisch zu senken.