Die Entwicklung der Laserschweißtechnologie

Die Laserschweißtechnologie hat sich aufgrund ihrer überwältigenden Anwendungsvielfalt zum Verfahren der Wahl für Metallbauer und -hersteller entwickelt.

Anmerkung des Herausgebers: Das Folgende basiert auf „Einführung in das industrielle Laserschweißen“, präsentiert von Tom Kugler, Fasersystemmanager, Laser Mechanisms Inc., auf der FABTECH, 13.–16. September 2021, Chicago.

Das Laserschweißen hat die hochwertige Präzisionsmetallfertigung durchdrungen. Die Technologie spielt eine wichtige Rolle in der gesamten Automobilindustrie, der Herstellung medizinischer Geräte sowie bei Teilen für die Luft- und Raumfahrt sowie in der Präzisionselektronik. Es taucht jetzt an mehr Orten auf als je zuvor, vom größten OEM bis zum Präzisionsblech-Lohnbetrieb.

Mit der Weiterentwicklung des Laserschweißens ist es außerordentlich flexibel geworden. Die enorme Vielfalt an Schweißarbeiten, die Laser durchführen können, ist wirklich überwältigend. Um zu verstehen, wie Laser all dies erreichen, müssen Sie zunächst die Grundlagen kennen – wie ein Lichtstrahl zwei Metalle miteinander verschmilzt.

Metalle reflektieren im Allgemeinen stark das Licht. Ein Laser konzentriert und fokussiert das Licht, um das Reflexionsvermögen zu überwinden. Wenn genügend Energie vom Strahl absorbiert wird, beginnt sich das Metall zu verflüssigen.

All dies beginnt damit, dass die Optik – entweder ein gekrümmter Spiegel oder eine Linse mit gekrümmter Oberfläche – das Licht auf eine Punktgröße fokussiert, deren Durchmesser zwischen zehn und einigen hundert Mikrometern liegen kann. Eine solche Fokussierung erzeugt eine extreme Leistungsdichte.

Welche transparente Optik verwendet werden soll, hängt vom Laser und seiner Wellenlänge ab. CO2-Laser emittieren eine Wellenlänge von 10,6 Mikrometern. Standardglas ist dafür nicht transparent, weshalb solche Laser alternatives Linsenmaterial wie Zinkselenid (ZnSe) verwenden. Ein-Mikrometer-Laser – einschließlich Faser-, Scheiben- und YAG-Laser – verwenden Quarzglas oder Glas.

ZnSe-Linsen, die den 10,6-Mikrometer-Strahl eines CO2-Lasers fokussieren, verfügen über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, wodurch die Optik etwas toleranter gegenüber Schmutz ist. Leider gibt es kein kostengünstiges Material, das eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit wie der 1-Mikron-Laser aufweist, was bedeutet, dass die Fokussierungsumgebung sauber bleiben und über hochwertige Glas- oder Quarzglasoptiken verfügen muss.

Bei Schweißanwendungen, die hohe Laserleistungen erfordern, können unvermeidbare Ablagerungen entstehen. In diesen Fällen werden anstelle einer transparenten Optik Spiegel zur Fokussierung des Strahls verwendet. Fokussierende Spiegel sind bei CO2-Laserschweißanwendungen mit einer Laserleistung von 5 kW oder mehr üblich. Ein-Mikrometer-Laser, einschließlich Faser- und Scheibenlaser, verwenden ebenfalls Spiegel für höhere Laserleistungen. Bei einem üblichen Aufbau trifft ein Strahl (horizontal zur Arbeitsfläche) auf einen Parabolspiegel, der den Strahl nach unten reflektiert.

Laseroptiken fokussieren den Rohstrahldurchmesser, um eine Tiefenschärfe zu erzeugen, bei der der Strahl genügend Intensität hat, um Material zu bearbeiten. Der engste Punkt der Strahltaille ist die Spotgröße. Die Brennweite ist der Abstand zwischen der Linse und dem Brennpunkt (siehe Abbildung 1).

Alle diese Variablen hängen miteinander zusammen. Je kürzer die Brennweite, desto kleiner die Punktgröße und desto geringer die Schärfentiefe. Und jeder dieser Parameter kann angepasst werden, um einen Schweißprozess zu optimieren. Beispielsweise kann eine Verlängerung der Brennweite die Fokusposition ändern und die Schärfentiefe erhöhen, wodurch die Schweißdurchdringung erhöht werden kann.

ABBILDUNG 1. Variablen wie Strahldurchmesser, Fokustiefe, Punktgröße und Brennweite hängen alle zusammen.

Ein weiterer Faktor ist die Strahlqualität bzw. die inhärente Fokussierbarkeit des Laserstrahls. Dies kann nicht angepasst werden – es variiert je nach Typ und Design des Lasers –, aber der Parameter beeinflusst, wie man den Gesamtprozess einstellt. Laser mit der höchsten Strahlqualität werden als Single-Mode-Laser bezeichnet. Sie verfügen über einen reinen Gauß- oder TEM00-Strahl mit einem Leistungsdichteprofil, das im Zentrum sehr intensiv und an den Rändern weniger intensiv ist. Durch die hohe Strahlqualität wird eine größere Tiefenschärfe erreicht, was wiederum vielfältige Bearbeitungsmöglichkeiten eröffnet.

Alle gängigen Lasertypen verfügen über Singlemode-Versionen mit hoher Strahlqualität, die Auswirkung dieser hohen Strahlqualität hängt jedoch von der Laserwellenlänge ab. Ein CO2-Single-Mode-Laser mit 10,6 Mikrometern hat eine Punktgröße, die zehnmal größer ist als ein Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1 Mikrometern. Im Allgemeinen bedeutet eine kürzere Wellenlänge auch eine kleinere Fokusfleckgröße.

Auch hier geht es bei der Fokussierung darum, das natürliche Reflexionsvermögen des Metalls zu überwinden. Flüssiges Metall absorbiert mehr Lichtenergie als festes Metall. Wenn das Metall in seine flüssige Phase eintritt, nimmt die Energieabsorption stark zu, sodass das flüssige Schweißbad eine konkave Form annimmt. Diese konkave Form tendiert dazu, die Energie in die Mitte des Schweißbades zu lenken. Sobald das Schweißbad tief konkav wird, beginnt es, den größten Teil der Laserenergie zu absorbieren und nur etwa 5 % zu reflektieren. Der Punkt, an dem das anfängliche Reflexionsvermögen eines Metalls auf 5 % und weniger sinkt, ist der Zeitpunkt, an dem der Prozess in das Material einkoppelt.

In gewisser Hinsicht ist Laserschweißen wie schlechtes Laserschneiden. Anstatt Metall zu entfernen, wird es auf kontrollierte Weise verflüssigt. Wie beim Schneiden kann ein Laser mehr Leistung verbrauchen, um schneller und dicker zu schweißen. Der Prozess beruht jedoch weder auf dem aerodynamischen Vorteil des Hilfsgasstroms, der geschmolzenes Metall abführt, noch kann er die Verbrennungsreaktion von Eisen und Sauerstoff nutzen. Stattdessen sollte ein gutes Laserschweißen eine kontrollierte Schmelze erreichen und häufig werden Gase eingesetzt, um eine übermäßige Oxidation zu verhindern.

Die Materialhärte spielt keine Rolle. Titan und Superlegierungen lassen sich einfacher laserschweißen als Aluminium. Umgekehrt sind Reflexionsvermögen und Wärmeleitfähigkeit von großer Bedeutung, da sie alle beeinflussen, wie ein bestimmtes Metall Energie aus dem Strahl absorbiert. Materialien mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit wie Gold und Silber können beim Laserschweißen eine Herausforderung darstellen. Auch Kühlkörpermaterialien wie Kupfer, die über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen (wie gut ein Material Wärme verteilt), können eine Herausforderung darstellen. Allerdings verfügen die Strahlen moderner Faser- und Scheibenlaser über eine ausreichende Leistungsdichte, um diese Probleme zu überwinden.

Im Gegensatz zum Laserschneiden bringt das Laserschweißen auch mehr metallurgische Überlegungen mit sich. Durch Laserschneiden werden aus einem Stück zwei. Beim Laserschweißen spielen metallurgische Faktoren wie Festigkeit, Porosität, Sprödigkeit und Mikrorisse eine Rolle.

Beim Laserschweißen entstehen drei gängige Arten von Schmelzbädern: ein flaches, das durch Leitungsschweißen entsteht; eine tiefe, schmale Vertiefung, die durch Schlüssellochschweißen entsteht; und eine vorübergehende Vertiefung (normalerweise irgendwo zwischen Schlüsselloch- und Leitungsmodus), die durch eine Schweißung im Durchdringungsmodus erzeugt wird, bei der normalerweise ein gepulster Laser zum Einsatz kommt (siehe Abbildung 2).

Leitungsmodus und Schlüssellochmodus. Wer sich mit dem Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW oder MIG) auskennt, ist mit dem Schmelzbad im Leitungsmodus und seinem halbkreisförmigen Querschnitt vertraut. Ein kleiner Laserpunkt erhitzt das Teil gerade so weit, dass eine Schmelze entsteht. Die Wärme wird von der Mitte des Beckens nach außen geleitet, sodass das Becken in der Mitte heißer und an den Rändern kühler ist.

Schlüssellochschweißungen sind genau das Gegenteil. Hier hat der Laser genügend Intensität, um das flüssige Metall zum Siedepunkt zu bringen und verdampftes Metall mit hoher Geschwindigkeit von der Oberfläche auszustoßen. Das verdampfende Metall drückt das flüssige Metall nach unten, wodurch ein schmales Schlüsselloch entsteht (siehe Abbildung 3).

Dieses Schlüsselloch schafft effektiv eine Art Kanal für den Laserstrahl, der die Art und Weise verändert, wie er das umgebende Metall erhitzt und schmilzt. Ein Schweißnahtloch kann 10 mm tief, aber nur 1,5 mm breit sein. Um eine Schweißnaht zu erzielen, muss der Prozess lediglich das Metall um das 1,5 mm große Stichloch herum schmelzen und wieder verfestigen.

ABBILDUNG 2. Beim Konduktionsschweißen (links) entsteht eine breite, flache Schmelze, da die Wärme von der Mitte des Schmelzbads nach außen geleitet wird. Beim Eindringschweißen entsteht ein Schweißbad, das tiefer ist als bei einer Leitungsschweißung, aber nicht so schmal und tief wie bei einer Stichlochschweißung.

Vergleichen Sie dies mit dem Leitungsschweißen. Der Laser erzeugt ein Schweißbad, das möglicherweise 10 mm tief ist, aber die Wärme des Strahls wird nach außen geleitet, um ein 20 mm breites Schweißbad zu erzeugen, in dem das gesamte Metall verflüssigt und wieder verfestigt werden muss. Das macht das Leitungsschweißen natürlich nicht grundsätzlich schlecht. Es wird lediglich verwendet, um verschiedene Ziele zu erreichen, beispielsweise kosmetisch perfekte Eckverbindungen und Schweißnähte in dünnen Materialien. Über das Schweißen hinaus wird der Leitungsmodus für das Laserauftragsschweißen verwendet – wodurch effektiv eine sehr geringe Verdünnung zwischen dem Mantel- und Grundmaterial erreicht wird – sowie für additive Anwendungen.

Penetrationsmodus. Beim Eindringschweißen werden gepulste Laser eingesetzt, die über hohe Spitzenleistungen, aber niedrige Durchschnittsleistungen verfügen. Beispielsweise könnte ein gepulster Laser mit einer Durchschnittsleistung von 150 W eine Spitzenleistung von 1.500 W haben. Stellen Sie sich vor, Sie schlagen mit einem Hammer auf einen Nagel. Setzt man den Hammer einfach auf den Nagelkopf, passiert nichts; Das käme dem Versuch gleich, mit nur 150 W Leistung zu schweißen. Wenn Sie den Hammer schwingen und den Nagel richtig schlagen, kann er nach nur einem Schlag ganz hineingehen; Das ist Impulsschweißen mit hoher Spitzenleistung.

Beim Eindringschweißen entsteht keine schmale Vertiefung wie beim Stichlochschweißen, aber es kann ein Schweißbad entstehen, das tiefer als breit ist. Es hilft auch dabei, den Wärmeeintrag zu kontrollieren und gleichzeitig ein Schweißbad zu erzeugen, das viel breiter als ein Schlüsselloch ist.

Impulse können für die Anwendung angepasst und geformt werden. Ein geformter Puls ist beispielsweise eine zeitliche Form, bei der die Spitzenleistung des Lasers über die Zeit angepasst wird. Dies wird häufig verwendet, um die Abkühlgeschwindigkeit zu verlangsamen und die Rissbildung in Materialien mit hohem Kohlenstoffgehalt zu minimieren. Anders geformte Impulse verstärken die anfängliche Spitze und erhöhen die Absorption in Aluminium und anderen stark reflektierenden Materialien. Manchmal werden Anfangsimpulse verwendet, um die Materialoberfläche von Ablagerungen, Oxiden oder Ölen zu reinigen, bevor nachfolgende Impulse das Schmelzbad erzeugen und mit dem Schweißen beginnen.

Die Stabilität des Schlüssellochs ist wichtig, insbesondere bei Teilschweißnähten. Tatsächlich spezifizieren viele Anwendungen eine vollständige Durchdringung, um diese Stabilitätsprobleme des Schlüssellochs zu mildern.

Manchmal ist ein Schlüsselloch mit vollständiger Durchdringung aufgrund des Verbindungsdesigns oder anderer Teileeigenschaften einfach keine Option. Bei einem Schlüsselloch mit teilweiser Durchdringung besteht jedoch eine größere Wahrscheinlichkeit, dass es wandert – es bewegt sich mit fortschreitender Schweißnaht auf und ab. Diese Bewegung kann Hohlräume hinterlassen, die mit Flüssigkeit verschlossen werden und eine Pore bilden.

Das Hauptproblem bei 1-Mikron-Lasern ist die Strahlstreuung, die durch Ruß verursacht wird, der beim Schweißen aufschwimmt. Dadurch verändert sich der Fokuspunkt und die Laserleistung wird reduziert. Das Schlüsselloch selbst kann sich je nach Rußkonzentration nach links oder rechts bewegen. Eine solche Bewegung verhindert eine gleichmäßige Metallverdampfung, was letztendlich zum Einsturz des Schlüssellochs führen kann.

Hier hilft der richtige Gasstrom, der Verunreinigungen und andere unerwünschte Elemente aus der Schweißzone entfernt. Bei Verwendung eines Faser- oder Scheibenlasers bewegen Hilfsgasstrahlen den Ruß aus der Schweißzone weg, oft in einen Rauchsammelbereich.

CO2-Laserstrahlen interagieren nicht mit Ruß, wohl aber mit der Wolke auf der Schweißnaht. Das Problem beginnt mit der Art und Weise, wie der 10-Mikrometer-Strahl mit den freien Elektronen der Wolke interagiert. Sobald die Wolke genügend Photonen absorbiert, wird sie zu einer weißen Plasmakugel, die die Laserschweißung effektiv stoppt. Um dies zu vermeiden, verfügen Laserschweißsysteme über Gasstrahlen, die die Wolke in Richtung des erstarrten Metalls hinter der Schweißzone drücken.

Da die flüssige Phase sehr kurzlebig ist, führt das Laserschweißen zu einer sehr geringen Oxidation, sodass ein Schutzgas häufig nicht erforderlich ist. Dennoch erfordern einige Anwendungen, insbesondere in der medizinischen Industrie, nahezu keine Oxidation, weshalb diese Laserschweißanlagen häufig eine Art Schutzgas verwenden.

ABBILDUNG 3. Beim Schlüssellochschweißen verdampft der Strahl Metall, um eine schmale Vertiefung zu erzeugen, die entweder teilweise oder vollständig durch die Verbindung verläuft. Die Minimierung von Turbulenzen ist der Schlüssel. Turbulenzen im Schlüsselloch verursachen Instabilität, was dazu führt, dass flüssiges Metall Hohlräume abdichtet und Poren erzeugt.

In vielen Fällen erfordert eine Laserschweißanwendung möglicherweise kein Schutzgas, aber ein Schweißhilfsgas, das dabei hilft, Verunreinigungen und unerwünschte Elemente wie Ruß aus Faserlaserschweißnähten und Plasmafahnen aus CO2-Laserschweißnähten zu entfernen. Bei einigen Anwendungen wird Gas als eine Art Abschirmung eingesetzt, die die Bildung von Plasmawolken unterdrückt. Andere verwenden Luftmesser, die Funken und andere Rückstände von der empfindlichen Schweißoptik wegblasen.

Ein Großteil des Laserschweißens erfolgt ohne Zusatzwerkstoff, einige Anwendungen erfordern dies jedoch. Füllmetall wird in der Regel entweder zur Überbrückung einer bestimmten Lücke oder aus metallurgischen Gründen, beispielsweise zur Umgehung von Rissbildungsproblemen, hinzugefügt.

Ein Nickelfüllstoff kann Rissprobleme in bestimmten Legierungen auf Eisenbasis und rostfreien Stählen überwinden. Bei Aluminium wird manchmal ein Füllstoff der 4000er-Serie mit hohem Siliziumgehalt wie 4047 verwendet, um zwei Aluminiumteile der 6000er-Serie miteinander zu verschweißen.

In Bezug auf akzeptable Lücken zwischen Grundmetallen gilt als Faustregel, dass die Lücke nicht größer als 10 % der Dicke des dünnsten Grundmaterials sein darf. Dabei handelt es sich lediglich um eine allgemeine Regel, die sich je nach Materialstärke und Anwendung ändern kann. Neue Lasertechnologien ermöglichen jedoch größere Lücken, und hier kommt die Strahlmanipulation ins Spiel.

Wer maßgeschneidert geschweißte Platinen herstellt, steht bei jeder Stumpfnahtschweißung vor einer Herausforderung: Er verschweißt zwei Grundmetalle unterschiedlicher Dicke. Um den Prozess zu optimieren, haben einige das Laserschweißen mit Doppeloptik eingesetzt, bei dem ein Prisma den Laserstrahl in zwei Fokuspunkte aufteilt. Die Leistung kann von einer Stelle zur anderen angepasst werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen und übermäßige Lücken sowie Herausforderungen beim Schweißen von zwei unterschiedlichen Materialstärken zu überwinden.

Ähnliche Aufbauten können mehrere Fokuspunkte erzeugen, entweder unter Verwendung eines Prismas oder eines Facettenspiegels, beim kontinuierlichen Schweißen oder in einem Punktschweißaufbau mit einem gepulsten Laser. Einige Schweißköpfe verfügen über Prismen, die drei oder sogar vier Punkte gleichzeitig erzeugen können.

Spezielle Köpfe mit gebeugter oder geformter Optik nutzen die Laserleistung und erzeugen einen rechteckigen Fokus mit gleichmäßiger Leistungsdichte. Dies kann bei manchen Schweißanwendungen gut funktionieren, kommt aber häufiger bei der Wärmebehandlung und beim Auftragschweißen vor, insbesondere bei drahtgespeisten Laserauftragschweißanwendungen, die präzise Verdünnungsniveaus zwischen dem plattierten und dem Grundmetall und hohe Abscheidungsraten erfordern. Einige können Material mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 kg pro Stunde abgeben.

Andere Anwendungen verwenden Galvanometer-angetriebene Spiegel, um den Fokusfleck schneller zu bewegen. Dies ist häufig bei Remote-Laserschweißanordnungen der Fall (bei denen der Fokusabstand einen Meter oder mehr betragen kann), bei denen Galvos den Strahlfleck nahezu augenblicklich von einem Bereich zum nächsten bewegen. Andere verwenden optomechanische Geräte, um den Punkt zu bewegen, beispielsweise einen Aufbau, bei dem rotierende Keilprismen eine sich schnell bewegende Kreisbahn erzeugen (siehe Abbildung 4).

Bestimmte fortgeschrittene Anwendungen bewegen den Punkt auf einer kleinen, präzisen kreisförmigen Bahn, um einen größeren Punkt zu erzeugen, und andere scannen den Strahl, um eine größere Schnittstelle zwischen der Schweißnaht und dem Grundmetall zu erzeugen. Diese Bewegung wird häufig in Verbindung mit gepulsten Lasern mit hoher Spitzenleistung durchgeführt, die dazu beitragen, das Reflexionsvermögen zu zerstören, beispielsweise beim Schweißen von Kupfer an Aluminium.

Ein weiterer neuer Fortschritt ist das Laserrührschweißen (LSW) oder Taumelschweißen, ein Verfahren, bei dem der Strahl in einer kontinuierlichen kreisförmigen oder anderen Bahn manipuliert wird, um die Schweißoberfläche zu glätten, die Breite zu vergrößern und Porosität zu beseitigen. Bei hoher Laserleistung und langsamer Rotationsgeschwindigkeit erzeugt LSW ein kontinuierliches Schmelzbad mit einer großen Schmelzzone, wodurch Gas entweichen und Flüssigkeit die Hohlräume „heilen“ kann (siehe Abbildung 5).

ABBILDUNG 4. Zwei Keilprismen drehen sich, um den Laserstrahl auf eine Kreisbahn zu schicken.

Bei manchen LSW-Anwendungen rotiert der Strahl so schnell, dass das Schweißgut direkt dahinter buchstäblich erstarrt. In diesen Fällen besteht das Ziel nicht darin, die Schweißnahtfestigkeit zu erhöhen oder ein großes Schmelzbad zu erzeugen und Porosität zu beseitigen, sondern darin, die Widerstandseigenschaften zwischen Grundmetallen anzupassen. Durch das Schweißen wird der Wärmeeintrag minimiert und gleichzeitig der Schweißnahtquerschnitt vergrößert, was den Widerstand verringert.

Laserschweißen ist heute ein Synonym für Qualität. Um nur ein Beispiel zu nennen: Einige der fortschrittlichsten Single-Mode-Systeme haben präzise Stichlochschweißnähte erzeugt, die bei der Untersuchung ihrer Mikrostruktur überhaupt nicht wie Schweißnähte aussehen. Zwischen dem Grundmetall und dem Schmelzbad besteht nur eine sehr schwache Linie. Diese Qualität wurde durch einen Singlemode-Faserlaser mit einer extrem kleinen Punktgröße in Kombination mit einer sehr hohen Fokustiefe erreicht. Diese Schweißnähte waren bis vor Kurzem einfach nicht möglich.

Im Laufe der Jahre haben Laser das zuvor Unschweißbare schweißbar gemacht und die zuvor zeitaufwändigen und mühsamen Prozesse einfacher und schneller gemacht. Mir fallen da leitungsgeschweißte Eckverbindungen ein. Laser schweißen sie in einem Durchgang und die Werkstücke fließen ohne Schleifen oder Polieren direkt in die Endmontage. Sie sehen so wie sie sind perfekt aus. Das Schweißen selbst geht zwar etwas schneller, aber es ist die Qualität, die den Laser wirklich glänzen lässt.

ABBILDUNG 5. Beim Laserrührschweißen wird der Strahl auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, um eine breitere Schweißnaht zu erzeugen.