Laserschweißen: Arten, Vorteile und Anwendungen

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Das Laserschweißen (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist eine der technisch fortschrittlichsten Formen des Schweißens. Seine Anwendungen erstrecken sich über eine Vielzahl von Branchen, von der Luft- und Raumfahrt bis zur Herstellung von edlem Schmuck.

Es gibt jedoch mehrere Schweißarten, die schon lange vor dem Laserschweißen eingesetzt wurden. Es stellt sich also die Frage: Warum brauchen wir Lasertechnologie, wenn es andere Alternativen gibt?

Wir werden darauf näher eingehen, nachdem wir kurz auf die Anfänge der Technologie eingegangen sind. Es war Einstein, der die stimulierte Emission vorhersagte, das Grundprinzip des Lasers.

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Allerdings nutzten wir Laser erst 1967 zum ersten Mal wegen seiner Schweiß- und Schneidfähigkeiten. Der in den Experimenten von 1967 verwendete Laser verwendete sauerstoffunterstütztes Gas mit einem konzentrierten CO2-Laserstrahl.

Das Projekt wurde von Dr. Peter Houldcroft geleitet. Das Experiment und seine Details wurden in einem Artikel mit dem Titel „Gas-Jet-Laserschneiden“ von ABJ Sullivan und PT Houldcroft erläutert.

Das Laserschneiden bildete die Grundlage für das Laserschweißen, da dabei das Metall geschmolzen wird, ohne es zu durchbohren.

Beim Laserschweißen wird ein hochkonzentrierter Lichtstrahl an einem sehr kleinen Punkt eingesetzt, sodass der Bereich unter dem Laserstrahl das Licht absorbiert und hochenergetisch wird. Durch den Einsatz leistungsstarker Laserstrahlen werden die Elektronen in der Umgebung so weit angeregt, dass das Material schmilzt, da die Atome ihre Bindungen untereinander aufbrechen.

Mit dem Laserschweißen lassen sich auch Kunststoffe verbinden.

Durch das Verschmelzen der beiden Materialien an ihren Nahtstellen verschmelzen sie zu einer Verbindung. Es ist überraschend, wie stark Licht sein kann, um Metalle innerhalb von Millisekunden zu metallisieren. Um solch leistungsstarke Laserstrahlen zu erzielen, verwendet die Laserschweißmaschine mehrere Teile, die den Laser lenken und verstärken.

Gaslaser, Festkörperlaser und Faserlaser sind die drei am häufigsten in einer Laserschweißmaschine verwendeten Laser.

Normalerweise wird der Laserstrahl der Laserschweißmaschine über optische Fasern zugeführt. Es gibt Einzelfaser-Schweißmaschinen und es gibt Mehrfaser-Schweißmaschinen. Bei den Mehrfaserschweißmaschinen ist mit jeder Faser ein Laser verbunden, wobei mit jeder Faser die Stärke des Lasers zunimmt.

Um den Strahl auf einen Punkt zu konzentrieren, bevor er die Maschine verlässt, wird häufig eine Kollimatorlinse in Verbindung mit einer Fokussierlinse verwendet.

Vier Hauptschweißverbindungen sind mit Laserschweißungen möglich:

Wenn Sie sich mit dem Laserschweißen beschäftigt haben, ist Ihnen vielleicht der ständige Begleiter der Laserdüse aufgefallen, bei der es sich um eine weitere Düse handelt, die ein Gas liefert, das als Prozessgas oder Schneidgas bezeichnet wird.

Grundsätzlich ist es der Gasstrom, bei dem es sich am häufigsten um CO2 handelt, der ebenfalls auf die Schweißstelle gerichtet wird, um den Kontakt der Schweißoberfläche mit der Atmosphäre zu verhindern.

Ohne den Einsatz von Schneidgas gibt es für die Schweißatmosphäre nur zwei Möglichkeiten – entweder Normalatmosphäre oder Vakuum. Laserschweißen im Vakuum ist durchaus möglich, aber aufgrund der hohen Kosten und der Notwendigkeit einer speziellen Einrichtung nicht plausibel.

In normaler Atmosphäre kann das Laserschweißen ohne Prozessgas zu ungünstigen Auswirkungen führen. Da Stickstoff in der Luft in sehr hoher Konzentration vorliegt, kann er sich mit der Metallschmelze vermischen und zur Bildung von Hohlräumen oder Löchern in der Schweißnaht führen. Solche Vorkommnisse können zu Schweißfehlern führen.

Faktoren wie Luftfeuchtigkeit können beim Schweißen zur Bildung von Wasserstoff führen. Auch die Diffusion von Wasserstoff in das Metall führt zu schwachen Schweißverbindungen. Daher kommt Laserschweißen in normaler Atmosphäre ohne Abschirmung überhaupt nicht in Betracht.

Schweißmaschinen sind mit einem Schneidgasaufsatz ausgestattet, der Gas auf die Schweißoberfläche schießt und so dafür sorgt, dass sich keine Verunreinigungen mit der Schweißnaht vermischen.

Das Laserschweißen kann auf zwei Arten erfolgen: Wärmeleitungsschweißen und Stichlochschweißen.

Wärmeleitungsschweißen: Bei diesem Verfahren wird die Metalloberfläche über den Schmelzpunkt des Metalls erhitzt, jedoch nicht so weit, dass es verdampft. Dieses Verfahren wird für Schweißnähte verwendet, die keine hohe Schweißnahtfestigkeit erfordern.

Der Vorteil des Heißleitungsschweißens besteht darin, dass die endgültige Schweißnaht sehr glatt und ästhetisch ist. Zum Wärmeleitungsschweißen werden Laser mit geringer Leistung im Bereich <500 W verwendet.

Stichlochschweißen: Dabei erhitzt der Laserstrahl das Metall so, dass die Kontaktfläche verdampft und sich tief in das Metall eingräbt. Dadurch entsteht ein Schlüsselloch, in dem ein plasmaähnlicher Zustand entsteht, bei dem die Temperaturen deutlich über 10.000 K ansteigen.

Dieser Prozess erforderte Hochleistungslaser mit einer Leistung über 105 W/mm2.

Laserschweißen wird häufig in Verbindung mit Lichtbogenschweißen verwendet, um etwas zu schaffen, das als Hybrid-Laserlichtbogenschweißen bezeichnet wird. Beim Hybrid-Laserlichtbogenschweißen wird ein beliebiges Lichtbogenschweißverfahren wie MIG, WIG oder SAW mit tiefem Laserschweißen eingesetzt.

Das Ergebnis ist eine Schweißnaht, die sowohl die Vorteile des Laserschweißens als auch des Lichtbogenschweißens bietet.

Die resultierende Schweißnaht weist dank der Laserschweißung tiefe Durchdringungsfugen auf und weist außerdem eine verbesserte Passgenauigkeit auf. Auch andere unerwünschte Effekte wie Rissbildung und innere Porosität werden reduziert.

Das Laserschweißen bietet mehrere Vorteile, die bei anderen Schweißverfahren oft nicht zu finden sind. Einige der charakteristischen Merkmale des Laserschweißens sind:

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Das Laserstrahlschweißen wird für hochpräzise Schweißnähte eingesetzt. Da keine Elektrode zum Einsatz kommt, ist die endgültige Schweißnaht leicht, aber stabil. Die Anfangsinvestition ist sicherlich teuer, aber die Qualität und Eigenschaften einer Laserschweißnaht lassen sich nicht einfach reproduzieren.

Da Laser immer leistungsfähiger und energieeffizienter werden, ist die Zukunft des Laserschweißens mit Sicherheit rosig!