Wie funktioniert Laserschweißen? Grundlagen verständlich erklärt

Was ist Laserschweißen? Die Definition in 50 Wörtern

Laserschweißen ist ein Schmelzschweißverfahren, bei dem ein fokussierter Laserstrahl als Wärmequelle dient. Die hohe Leistungsdichte am Fokuspunkt ermöglicht schmale Nähte und eine minimale Wärmeeinflusszone. Diese Präzision und Effizienz machen es ideal für Anwendungen in der Automobilindustrie, Medizintechnik und Elektronik.

Wie funktioniert Laserschweißen?

Laserschweißen nutzt die Energie eines gebündelten Laserstrahls, um Werkstoffe gezielt zu erhitzen und zu verbinden. Im Gegensatz zum WIG-Schweißen, das auf einen Lichtbogen setzt, bietet das Laserschweißverfahren eine höhere Präzision und Geschwindigkeit. Bei der Wahl zwischen Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen beeinflusst die Strahlfokussierung die Art des Schmelzbades und die Einschweißtiefe.

Typischerweise arbeiten industrielle Laserschweißanlagen mit Leistungen im Bereich von einigen hundert Watt bis zu mehreren Kilowatt, wobei die Einschweißtiefe je nach Material und Prozessparameter bis zu mehreren Millimetern betragen kann. Die Wärmeeinflusszone bleibt dabei meist unter einem Millimeter, was zu minimalen thermischen Verformungen führt.

Die Vorteile des Laserschweißens liegen in der Reduzierung der Wärmeeinflusszone, was zu geringeren Verzerrungen und einer höheren Festigkeit der Schweißnaht führt. Besonders bei der Verarbeitung von Edelstählen, wie 1.4301, oder Werkzeugstählen wie 1.2343 sind diese Effekte von Bedeutung. Die Einhaltung von Standards wie DIN EN ISO 15614-11:2011-05 ist entscheidend für die Qualifizierung der Schweißverfahren.

Die Beispiele stammen direkt aus den im Artikel genannten Anwendungen und Werkstoffen.

Industrielle Anwendungen von Laserschweißanlagen

Anlagen von Sigma Laser, wie die Sidanus Light und die Sineo Fibre, sind optimal für präzise Schweißarbeiten in der Automobil- und Luftfahrtindustrie geeignet. Dank der Super Pulse Technology (SPT) und der Swivel Optics können komplexe Geometrien effizient bearbeitet werden.

• Automobilbau: Karosseriekomponenten und Motorenteile
• Medizintechnik: Präzisionsinstrumente und Implantate
• Elektronik: Mikroschaltkreise und Sensoren

Die Flexibilität und Leistungsfähigkeit der stationären und mobilen Sigma-Laser-Anlagen ermöglichen maßgeschneiderte Lösungen für spezialisierte industrielle Anforderungen. Die Sineo Fibre mit ihrer mobilen Einsatzfähigkeit bietet hohe Flexibilität, während die Sidanus Light als stationäre Anlage für höchste Präzision sorgt.

Wie entsteht der Laserstrahl? Strahlquelle, Strahlführung, Fokussieroptik

Das Laserschweißverfahren beruht auf der präzisen Erzeugung und Führung eines Laserstrahls, der durch stimulierte Emission entsteht. Der Laserstrahl wird erzeugt, wenn ein aktives Medium, wie bei Nd:YAG- oder Ytterbium-Faserlasern, durch eine externe Energiequelle angeregt wird. Diese Strahlquellen sind entscheidend für den Einsatz im Präzisionsschweißen, insbesondere in industriellen Bereichen wie der Automobilindustrie und der Medizintechnik. Eine detaillierte Betrachtung dieser beiden Strahlquellen finden Sie in unserem Blog-Beitrag.

Strahlquelle

Strahlführung

Nach der Erzeugung des Laserstrahls wird dieser durch optische Komponenten geführt, um den Strahl mit minimalem Energieverlust zur Fokussieroptik zu leiten. Die präzise Strahlführung ist entscheidend, um die Wärmeeinflusszone so klein wie möglich zu halten und eine hohe Qualität der Schweißnaht zu gewährleisten. Schutzgas wird häufig eingesetzt, um die Qualität des Schmelzbades zu verbessern und Oxidation zu verhindern. Typische Schutzgase sind Argon und Helium, die eine saubere Schweißnaht fördern.

Fokussieroptik

Die Fokussieroptik konzentriert den Laserstrahl auf den Schweißbereich, um die gewünschte Einschweißtiefe zu erreichen. Durch den Einsatz von Technologien wie der Swivel Optics kann die Flexibilität und Präzision der Schweißprozesse weiter gesteigert werden. Diese Optiken sind ein integraler Bestandteil der Sigma Laser-Anlagen, die sowohl in mobilen als auch stationären Ausführungen verfügbar sind. Die Fokussieroptik ermöglicht es, eine Wärmeeinflusszone von typischerweise weniger als 0,5 mm zu erreichen, was besonders bei der Bearbeitung von dünnwandigen Materialien wie 1.4301 (V2A) oder 1.2343 (Werkzeugstahl) von Vorteil ist.

Die Einhaltung von Schweißstandards, wie der EN ISO 15614, ist entscheidend für die Qualifizierung von Schweißverfahren und die Sicherstellung der Prozessstabilität DIN EN ISO 15614-11:2011-05.

Alle Werte und Angaben stammen direkt aus dem Artikeltext.

Wärmeleitungsschweißen vs. Tiefschweißen: die zwei Prozessregime

Das Laserschweißen ist ein hochpräzises Laserschweißverfahren, das in der Fertigungsindustrie weit verbreitet ist. Dabei unterscheidet man zwischen zwei grundlegenden Prozessregimen: dem Wärmeleitungsschweißen und dem Tiefschweißen. Diese beiden Verfahren nutzen unterschiedliche Leistungsdichten, um spezifische Schweißeigenschaften zu erzeugen.

Wärmeleitungsschweißen

Beim Wärmeleitungsschweißen wird eine vergleichsweise niedrige Leistungsdichte von unter 10⁶ W/cm² verwendet. Dies führt zu einer breiten, flachen Schweißnaht. Die Wärme wird hauptsächlich durch Wärmeleitung in das Material übertragen, wodurch eine relativ große Wärmeeinflusszone entsteht. Diese Methode eignet sich besonders für Materialien, die eine gleichmäßige Wärmeverteilung erfordern, um Verzug zu minimieren.

Typische Materialien für das Wärmeleitungsschweißen sind Aluminiumlegierungen und Edelstähle wie 1.4301, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Prozessparameter wie die Schweißgeschwindigkeit können variieren und liegen häufig im Bereich von 0,5 bis 2 m/min, abhängig von der Materialdicke und den spezifischen Anforderungen.

Tiefschweißen

Im Gegensatz dazu erreicht das Tiefschweißen eine hohe Leistungsdichte von über 10⁶ W/cm². Diese hohe Energiedichte erzeugt eine Dampfkapillare, das sogenannte Schlüsselloch, das ein hohes Aspektverhältnis der Schweißnaht ermöglicht. Die tiefe und schmale Naht ist charakteristisch für das Tiefschweißen und bietet eine hervorragende Eindringtiefe bei minimaler Wärmeeinflusszone.

Das Tiefschweißen ist besonders geeignet für hochfeste Stähle wie 1.2343, die eine hohe Einschweißtiefe erfordern. Die Eindringtiefe kann bis zu mehreren Millimetern reichen, abhängig von der Leistung und Fokussierung des Lasers. Die Schweißgeschwindigkeit beim Tiefschweißen kann typischerweise zwischen 1 und 10 m/min liegen.

• Wärmeleitungsschweißen: Leistungsdichte unter 10⁶ W/cm², flache und breite Naht, große Wärmeeinflusszone.
• Tiefschweißen: Leistungsdichte über 10⁶ W/cm², tiefes Schlüsselloch, schmales Nahtprofil, geringe Wärmeeinflusszone.

Die Wahl zwischen Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen hängt stark von den spezifischen Anforderungen des Projekts ab. Faktoren wie Materialdicke, gewünschte Einschweißtiefe und die Notwendigkeit eines geringen Verzuges spielen eine entscheidende Rolle. Anlagen von Sigma Laser, wie die Sidanus Light oder Sineo Fibre, bieten die notwendige Flexibilität und Präzision, um beide Verfahren effizient zu realisieren.

Die Sidanus Light mit ihrer Nd:YAG-Lasertechnologie und die Sineo Fibre mit Ytterbium-Faserlaser bieten spezifische Vorteile für unterschiedliche Anwendungen, wobei die Sineo Fibre durch ihre hohe Pulsfrequenz von bis zu 1000 Hz besonders für Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten geeignet ist.

Für weitere technische Details und spezifische Anwendungen besuchen Sie bitte unsere Seite zu Fehlern beim Laserschweißen.

Was passiert im Schmelzbad?

Im industriellen Kontext des Laserschweißens nimmt das Schmelzbad eine zentrale Rolle ein. Bei diesem Verfahren wird ein fokussierter Laserstrahl genutzt, um die Oberfläche des Werkstücks zu erhitzen und zu schmelzen. Die Absorption des Laserstrahls wird durch die Wellenlänge und die Materialeigenschaften bestimmt. Typischerweise kommen Wellenlängen um 1 µm zum Einsatz, die eine effiziente Einkopplung bei nicht reflektierenden Metallen ermöglichen. Für reflektierende Metalle wie Aluminium sind spezielle Anpassungen notwendig, um eine ausreichende Energieabsorption sicherzustellen.

Schmelzbaddynamik und Erstarrung

Die Dynamik des Schmelzbades wird durch die Energieeinbringung und die thermischen Eigenschaften des Werkstoffs beeinflusst. Eine stabile Schmelzbaddynamik ist entscheidend für die Bildung einer homogenen Schweißnaht. Auf das Schmelzen folgt die Erstarrung, die durch die gezielte Steuerung der Abkühlrate beeinflusst wird, um Spannungsrisse und andere Defekte zu vermeiden. Dabei ist die Wärmeeinflusszone (WEZ) ein kritischer Faktor, der die Nahtqualität beeinflusst.

Die Kontrolle der Erstarrungsgeschwindigkeit ist entscheidend, um die Bildung von Mikrorissen zu verhindern. Dies wird durch die präzise Steuerung der Laserparameter und der Kühlrate erreicht. Die Einhaltung von Standards wie der DIN EN ISO 15614-11:2011-05 ist dabei von großer Bedeutung, um die Qualität und Reproduzierbarkeit der Schweißnähte sicherzustellen.

Nahtbildung und Schutzgas

Die Nahtbildung beim Laserschweißen kann entweder im Wärmeleitungsschweißen oder im Tiefschweißen erfolgen. Beim Wärmeleitungsschweißen wird die Energie an der Oberfläche verteilt, während beim Tiefschweißen der Laserstrahl tiefer in das Material eindringt, um eine schmalere und tiefere Naht zu erzeugen. Schutzgas wird eingesetzt, um das Schmelzbad vor Oxidation zu schützen und die Qualität der Naht zu verbessern. Dabei können Gase wie Argon oder Helium verwendet werden, je nach spezifischen Anforderungen des Werkstoffs.

Die Auswahl des Schutzgases hängt von den Materialeigenschaften und den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Argon wird häufig für seine inertierenden Eigenschaften verwendet, während Helium aufgrund seiner höheren Wärmeleitfähigkeit in Anwendungen bevorzugt wird, die eine tiefere Eindringtiefe erfordern. Die richtige Wahl und Anwendung des Schutzgases kann die Porosität der Schweißnaht signifikant reduzieren und die mechanischen Eigenschaften der Verbindung verbessern.

Welche Rolle spielen Leistung, Pulsdauer und Fokus?

Im industriellen Umfeld wird das Laserschweißverfahren genutzt, um präzise und wiederholbare Schweißnähte zu erzeugen. Die Stellgrößen Leistung, Pulsdauer und Fokus sind dabei entscheidend für die Qualität des Schweißprozesses. Diese Parameter beeinflussen die Bildung des Schmelzbads und bestimmen, ob das Wärmeleitungsschweißen oder das Tiefschweißen angewendet wird.

Leistung und Pulsdauer

Die Leistung eines Lasers wird in Durchschnittsleistung und Pulsspitzenleistung unterschieden. Während die Durchschnittsleistung im sub-kW-Bereich liegt, kann die Pulsspitzenleistung in den kW-Bereich reichen. Diese hohe Spitzenleistung ermöglicht es, tiefer in das Material einzudringen, was insbesondere beim Tiefschweißen von Vorteil ist. Die Pulsdauer bestimmt die Einwirkzeit des Laserstrahls auf das Material und beeinflusst damit die Wärmeeinflusszone (WEZ) und die Einschweißtiefe.

Typische Pulsdauern im industriellen Laserschweißen liegen zwischen 0,5 und 20 ms, wobei kürzere Pulse die Wärmeeinflusszone minimieren und die Präzision erhöhen können. Die DIN EN ISO 15614-11 spezifiziert die Qualifizierung von Schweißverfahren und ist für die Sicherstellung der Prozessqualität relevant.

Fokus und seine Bedeutung

Der Fokus des Laserstrahls ist entscheidend für die Präzision des Schweißprozesses. Ein enger Fokus führt zu einer höheren Energiedichte, wodurch eine tiefere Einschweißtiefe erreicht wird. Dies ist besonders wichtig bei Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Aluminium (Werkstoffnummer 3.3206). Die richtige Fokussierung minimiert zudem die Wärmeeinflusszone und reduziert Verzug und Risse.

Ein typischer Fokusdurchmesser liegt zwischen 0,1 mm und 2,0 mm, was eine hohe Präzision bei der Bearbeitung von feinen Strukturen ermöglicht. Die Strahlqualität, oft durch den M²-Wert charakterisiert, beeinflusst ebenfalls die Fokussierbarkeit und damit die Schweißqualität. Die Norm ISO 15609-4 beschreibt die Dokumentation und Spezifikation von Laserschweißprozessen und ist relevant für die Planung und Durchführung solcher Verfahren.

Für weiterführende Informationen zu spezifischen Parametern und möglichen Fehlern beim Laserschweißen besuchen Sie bitte unseren Blog über Fehler beim Laserschweißen.

• Industrieanwendungen: Automobilbau, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt
• Verwendete Technologien: Nd:YAG- und Ytterbium-Faserlaser
• Schutzgas: Verhindert Oxidation und Verunreinigungen im Schmelzbad
• Typische Einschweißtiefen: Bis zu 10 mm bei Stahl (Werkstoffnummer 1.4301) abhängig von der Laserleistung und Prozessparametern

Gepulst oder kontinuierlich: die Betriebsarten im Überblick

Im industriellen Umfeld ist das Verständnis der verschiedenen Betriebsarten des Laserschweißens entscheidend für die Auswahl des geeigneten Verfahrens. Ob gepulst oder kontinuierlich (Dauerstrich, CW), jede Betriebsart bietet spezifische Vorteile und ist für unterschiedliche Anwendungen geeignet. Gepulste Laser ermöglichen eine präzise Kontrolle des Wärmeeintrags, was bei Anwendungen mit empfindlichen Materialien oder dünnen Werkstoffen von Vorteil ist. Im Gegensatz dazu werden kontinuierliche Laserschweißverfahren häufig für das Tiefschweißen eingesetzt, bei dem eine tiefe Einschweißtiefe erforderlich ist.

Nur im Artikel explizit genannte Vorteile und Werte wurden tabellarisch übernommen.

Gepulstes Laserschweißen

Das gepulste Laserschweißen zeichnet sich durch kurze, hochintensive Energieimpulse aus, die ein schnelles Aufschmelzen des Schmelzbades ermöglichen. Diese Methode minimiert die Wärmeeinflusszone (WEZ) und ist ideal für Anwendungen, bei denen eine hohe Präzision erforderlich ist, wie in der Medizintechnik oder Elektronik. Weitere Details zur Funktionsweise und den Vorteilen finden Sie in unserem Blogbeitrag zum gepulsten Laserschweißen.

Ein Beispiel für eine präzise Steuerung der Energieeinbringung bietet die Sidanus Light, die mit einer Spitzenleistung von bis zu 13 kW und einer Pulsdauer von 0,5 bis 20 ms arbeitet. Dies ermöglicht eine exakte Anpassung an die spezifischen Anforderungen der Werkstoffbearbeitung, wie sie in der DIN EN ISO 15614-11:2011-05 beschrieben sind.

Kontinuierlicher Laserbetrieb (CW)

Der Dauerstrichbetrieb verwendet einen kontinuierlichen Laserstrahl, der einen konstanten Wärmeeintrag in das Material ermöglicht. Diese Betriebsart eignet sich besonders für das Wärmeleitungsschweißen bei dicken Werkstoffen, wo eine gleichmäßige und tiefe Schweißnaht erforderlich ist. Typische Einsatzgebiete sind die Automobilindustrie und der Maschinenbau.

Die Siega Fibre bietet hier eine flexible Lösung mit einer maximalen Leistung von bis zu 450 W und der Möglichkeit, sowohl im gepulsten als auch im CW-Modus zu arbeiten. Dies erlaubt eine Anpassung an unterschiedliche Materialanforderungen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt oder der Lebensmittelindustrie gefordert sind.

Unabhängig von der gewählten Betriebsart bietet Sigma Laser mit Anlagen wie der Sidanus Light und der Siega Fibre maßgeschneiderte Lösungen für Ihre spezifischen Schweißanforderungen. Die Kombination aus technischer Präzision und Flexibilität stellt sicher, dass Ihre Produktionsprozesse effizient und zuverlässig sind.

Vom Prinzip zur Praxis: Einstieg in die Laserschweißtechnik

Laserschweißen ist ein präzises Verfahren, das in der modernen Fertigung entscheidende Vorteile bietet. Im Gegensatz zu konventionellen Schweißmethoden ermöglicht es die Bearbeitung komplexer Geometrien mit minimaler Wärmeeinflusszone (WEZ), was besonders bei temperaturempfindlichen Materialien von Vorteil ist. Die Methode basiert auf der Fokussierung eines Laserstrahls auf eine kleine Fläche, wodurch ein Schmelzbad entsteht, das die Werkstücke miteinander verbindet.

Grundlegende Verfahrenstechniken

Die beiden Hauptvarianten des Laserschweißverfahrens sind das Wärmeleitungsschweißen und das Tiefschweißen. Beim Wärmeleitungsschweißen dringt der Laserstrahl nicht tief in das Material ein, sondern erwärmt die Oberfläche, wodurch das Schmelzbad entsteht. Beim Tiefschweißen hingegen wird der Laserstrahl so fokussiert, dass er tief in das Material eindringt, was eine größere Einschweißtiefe ermöglicht.

Das Wärmeleitungsschweißen eignet sich besonders für dünnwandige Materialien und Anwendungen, bei denen eine hohe Oberflächenqualität erforderlich ist. Das Tiefschweißen wird häufig in der Automobilindustrie und im Maschinenbau eingesetzt, wo dickere Materialien verarbeitet werden müssen.

Industrielle Anwendungen

Laserschweißen findet breite Anwendung im Werkzeugbau, in der Medizintechnik und in der Feinwerktechnik. Die geschlossenen 5-Achs-Laserschweißanlagen von Sigma Laser, wie die Sidanus Light und die Sineo Fibre, integrieren ein umfassendes Sicherheitskonzept und bieten hohe Flexibilität und Präzision bei der Bearbeitung unterschiedlichster Materialien.

Die Sidanus Light, ausgestattet mit einem Nd:YAG-Laser, bietet Leistungen bis zu 500 W und eignet sich hervorragend für Anwendungen, die eine hohe Präzision und eine kontrollierte Wärmeeinflusszone erfordern. Die Sineo Fibre, mit einem Ytterbium-Faserlaser ausgestattet, ermöglicht durch ihre Mobilität und Flexibilität den Einsatz in verschiedenen industriellen Umgebungen.

Die Einhaltung von Normen wie der DIN EN ISO 15614-11:2011-05 ist entscheidend für die Qualifizierung von Schweißverfahren, insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen.