Laserschweißen: Schöne und hochwertige Schweißnähte in Rekordzeit

Was ist ein Laser?

Ein Laser ist ein Gerät, das einen starken und fokussierten Lichtstrahl in einem schmalen Spektrum erzeugt. Das Wort „Laser“ ist die Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Vereinfacht ausgedrückt verstärkt ein Laser Licht ausgewählter Frequenzen schrittweise und erzeugt so ein spezielles Licht. Im Vergleich zu normal gestreutem Licht kann dieses Licht große Energiemengen über größere Entfernungen übertragen. Diese Eigenschaft wird in vielen Industriezweigen, auch beim Schweißen, genutzt.

Vergleich mit herkömmlichen Schweißverfahren

Laserschweißen bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren wie WIG (Wolfram-Inertgas), MIG/MAG (Metall-Inertgas/Metall-Aktivgas) und MMA (Hand-Metall-Lichtbogenschweißen). Der Unterschied zu herkömmlichen Verfahren besteht darin, dass beim Laserschweißen kein Lichtbogen zur Wärmeerzeugung verwendet wird, sondern ein energiereicher Lichtstrahl.

Laserschweißen ist deutlich schneller und effizienter. Selbst unerfahrene Schweißer erzielen in kürzester Zeit sehr stabile und ästhetisch ansprechende Schweißnähte. Nach dem Schweißen ist kein Schleifen oder chemisches Reinigen der Schweißnähte erforderlich . Dadurch entfallen beim Laserschweißen einige Arbeitsschritte, was die Effizienz steigert und die Kosten für Schweißgeräte und Verbrauchsmaterial senkt.

Laserschweißen bietet den Vorteil eines guten Verhältnisses zwischen Nahtbreite und -tiefe. Es ermöglicht eine große Erwärmung des Materials auch bei schmalen Schweißnähten. Die Wärmeeinflusszone ist dadurch kleiner – und die nachfolgende Verformung des Materials ist ebenfalls geringer.

Laserschweißen kann zudem berührungslos und aus der Ferne erfolgen, was insbesondere beim Schweißen an schwer zugänglichen Stellen von Vorteil ist. Die schnelle Aushärtung des Materials ermöglicht das Schweißen in verschiedenen Positionen.

Vor- und Nachteile des Laserschweißens

Das Laserschweißen bietet viele Vorteile, es gibt jedoch auch Nachteile, die berücksichtigt werden müssen.

- Vorteile:

• Hohe Schweißgeschwindigkeit und Effizienz.
• Es entstehen starke und ästhetisch ansprechende Schweißnähte.
• Es ist kein zusätzliches Schleifen und Reinigen der Schweißnähte erforderlich.
• Tieferes Eindringen mit kleinerer Wärmeeinflusszone
• Möglichkeit zum berührungslosen Schweißen.
• Schnelle Aushärtung des Materials, wodurch das Schweißen in verschiedenen Positionen möglich ist.

- Nachteile:

• Höhere Anforderungen an die Präzision bei der Vorbereitung der Schweißteile, damit keine Spalte entstehen.
• Höhere Anfangsinvestition in Laserausrüstung.
• Erhöhte Sicherheitsanforderungen aufgrund gefährlicher Strahlung

Das Prinzip des Laserschweißens – Erwärmung durch Energie

Beim Laserschweißen werden zwei Materialien durch die Emission eines starken Lichtstrahls verbunden. Der Laserstrahl wird auf einen kleinen Bereich der Materialoberfläche fokussiert und erzeugt dadurch eine sehr hohe Temperatur.

Wenn der Laser auf die Oberfläche trifft, reflektiert das Material einen Teil des Laserstrahls. Ein Teil des Strahls wird vom Material absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt (deshalb ist beispielsweise beim Schweißen stark reflektierender Materialien eine höhere Leistung erforderlich). Dadurch schmilzt das Material, kühlt ab und kristallisiert, wodurch eine Schweißverbindung entsteht.

Trifft der Laser auf die Materialoberfläche, erwärmt sich das Material, schmilzt und verdampft. Mit der Temperatur ändert sich auch die Reflektivität des Materials. (Je höher die Temperatur, desto geringer die Reflektivität.) Das Material beginnt zu verdampfen, wodurch ein „Loch“ entsteht und der Laserstrahl tiefer eindringen kann. Bei anhaltender Laserstrahlung vertiefen sich die Löcher. Sobald der Laserstrahl aufhört zu strahlen, fließt das geschmolzene Metall um das Loch herum zurück, und nach dem Abkühlen und Erstarren werden die beiden Schweißnähte miteinander verbunden.

Materialien, die durch Laserschweißen verschweißt werden können

Ein Laserschweißgerät wird zum sehr präzisen und schnellen Schweißen von Metallen und thermoplastischen Materialien verwendet, häufig zum Schweißen dünner Materialien, empfindlicher und schwer schweißbarer Metalle, die sich mit Lichtbogenverfahren nicht leicht schweißen lassen.

Laserschweißen eignet sich für eine Vielzahl von Werkstoffen. Dazu gehören Baustähle, legierte Stähle, Duplexstähle, Cr/Ni-Stähle, hochfeste niedriglegierte Stähle, Kohlenstoffstähle, Refraktärmetalle, chemisch aktive Metalle, Aluminium, Titan, Nickel, Magnesium und sogar Kupfer, Messing, Silber und Gold. Laserschweißen eignet sich zudem für Werkstoffe mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sowie für elektrisch nichtleitende Werkstoffe und Werkstoffe mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften.

Laserschweißen ohne Zusatzwerkstoff, aber auch mit

Das Laserschweißen bietet die Möglichkeit, ohne Zusatzmaterial zu schweißen.

• Füllschweißen: Bei dieser Schweißart wird dem zu verbindenden Bereich zusätzliches Material in Form von Draht hinzugefügt. Dieses Füllmaterial hilft, den Spalt zwischen den Materialien zu füllen und sorgt für eine stabile Schweißnaht. Ein Beispiel hierfür wäre eine Kehlnaht mit dickerem Material an der Innenseite.

• Füllstoffloses Schweißen: Beim füllstofflosen Schweißen werden Werkstoffe direkt und ohne Zusatzwerkstoff verbunden. Dieses Verfahren eignet sich ideal für dünne Werkstoffe und ermöglicht präzise und feine Schweißnähte. Ein Beispiel hierfür ist die Außenkehlnaht von Dünnblechen.

Sicherheitsvorkehrungen beim Laserschweißen

Sicherheit beim Laserschweißen ist unerlässlich! Beim Arbeiten mit Lasern, insbesondere mit Laserschweißgeräten, ist es wichtig, Schutzmaßnahmen zu beachten. Laserschweißgeräte gehören zur höchsten Laserklasse, Klasse 4, bei der die Gefahr irreversibler Schäden an der Netzhaut des Auges und Hautverbrennungen besteht.

Zum Schutz Ihrer Augen ist daher die Verwendung einer speziellen, für die Arbeit mit Lasern konzipierten Brille, die das entsprechende Spektrum filtert, oder eines Schweißhelms mit integriertem Filter erforderlich.

Auch für den Hautschutz ist Schutzkleidung wichtig. Sicherheit ist oberstes Gebot. Deshalb wird am Arbeitsplatz Laserschweißen durchgeführt, das Menschen und brennbare Materialien vor dem reflektierten Strahl schützt.

Arten von Laserschweißgeräten nach Strahlungsquelle

Basierend auf der Quelle der Laserstrahlung unterscheiden wir 3 Arten von Lasern:

• Gas-CO2-Laser
• Festkörper-Nd:YAG-Laser
• Faserlaser

CO2-Gaslaser

Gaslaser sind Laser, die Gase als aktive Substanz zur Erzeugung des Laserstrahls verwenden. CO2-Laser sind die wohl bekanntesten Gaslaser und werden hauptsächlich zum Lasermarkieren, Laserschneiden und Laserschweißen eingesetzt.

Festkörper-Nd:YAG-Laserschweißgeräte

Nd:YAG-Laser verwenden einen Festkörper (Kristall oder Glas), der mit einem Seltenerdelement (Neodym, Chrom, Erbium, Thulium oder Ytterbium) gemischt ist, als optische Verstärkungsquelle. Nd:YAG-Laser erzeugen einen Strahl, indem sie Licht durch YAG-Einkristalle (Yttrium-Aluminium-Granat) leiten, die durch Neodym-Ionen (Nd) aktiviert werden. Der Nd:YAG-Laser kann gepulst oder kontinuierlich betrieben werden.

Der bekannteste Festkörperlaser ist der Rubinlaser, der einen synthetischen Rubinkristall verwendet – er ist der erste funktionsfähige Laser überhaupt. Der Nd:YAG-Laser wird häufig in der Materialbearbeitung eingesetzt – z. B. zum Gravieren, Ätzen, Markieren verschiedener Metalle und Kunststoffe oder zur Oberflächenveredelung von Metallen wie Laserreinigung, Schneiden und Schweißen.

Faserlaserschweißmaschinen

Ein Faserlaser ist eine spezielle Art von Festkörperlaser und stellt eine eigene Kategorie dar. Bei Faserlasern ist das Verstärkungsmedium eine mit einem Seltenerdelement dotierte optische Faser (Quarzglas).

Dieser Lasertyp unterscheidet sich in den Eigenschaften der Glasfaser zur Lichtleitung: Der Laserstrahl ist direkter und kleiner als bei anderen Lasertypen, was ihn präziser macht. Faserlaser zeichnen sich außerdem durch ihren geringen Platzbedarf, ihren guten elektrischen Wirkungsgrad, ihren geringen Wartungsaufwand und ihre niedrigen Betriebskosten aus. Sie werden in vielen Anwendungen eingesetzt, unter anderem in der Materialbearbeitung (z. B. Laserreinigung, Texturierung, Schneiden, Schweißen, Markieren), aber auch in der Medizin und der Waffenindustrie.

Arten von Laserschweißgeräten nach Betriebsart

Wenn wir uns die Funktionsweise von Laserschweißgeräten ansehen, können alle Lasertypen auf eine von zwei Arten arbeiten – ihre Laserstrahlen können entweder gepulst oder kontinuierlich sein.

• Bei kontinuierlichen Lasern liegt ein ständiger Energiefluss vor, das heißt, der Laser sendet kontinuierlich einen ununterbrochenen Laserstrahl aus.
• Bei gepulsten Lasern wird der Laserstrahl in regelmäßigen Abständen unterbrochen, um Energie aufzubauen und eine höhere Spitzenleistung als bei kontinuierlichen Lasern zu erreichen. Der Laserstrahl wird in Form von Impulsen mit einer bestimmten Dauer, der sogenannten Impulsbreite, abgegeben.

Ist die Lasertechnologie die Zukunft des Schweißens?

Laserschweißen ist eine moderne und effiziente Methode zum Fügen von Materialien. Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren bietet es Vorteile wie Geschwindigkeit, Schweißnahtfestigkeit und reduzierten Schleifaufwand. Trotz einiger Einschränkungen ist das Laserschweißen in vielen Branchen, in denen hochpräzise und hochwertige Materialverbindungen erforderlich sind, ein unverzichtbares Werkzeug.