Laserschweißen
Das Verfahren

Vom Automobilbau bis hin zur Luft- und Raumfahrt, die Einsatzgebiete des Laserschweißens sind vielfältig. Entscheidende Vorteile bietet diese Technologie bei der Produktion von mittleren und großen Losgrößen.

Auf dieser Seite möchten wir Ihnen das Verfahren näherbringen und aufzeigen,
welche Möglichkeiten für Ihre Fertigung und Ihre Bauteile daraus resultieren.
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Technische Grundlage

Das Laserstrahlschweißen (EN ISO 4063: Prozess 52) gehört zu den  Schmelzschweißverfahren. Charakteristisch hierfür ist, dass es ohne Aufwendung äußerer Kraft erfolgt, die Fügefläche(n) angeschmolzen werden muss (müssen) und gegebenenfalls geschmolzener Schweißzusatz zugeführt wird. Im Falle des Laserstrahlschweißens erfolgt die Energiezuführung für das Schmelzen der Oberfläche bzw. der Fügepartner über einen Laser. Die in Wärme umgesetzte Energie des Laserstrahls wird durch Absorption des Lichtes am zu bearbeitenden Werkstück lokal begrenzt und gut regelbar eingebracht.

 

Um eine für die Absorption am Werkstück ausreichende Intensität des Laserstrahls zu erzielen, wird die Laserstrahlung mittels einer Optik fokussiert. Die Werkstückoberfläche der Stoßkante, also der Fügestoß der zu verschweißenden Bauteile, muss in der unmittelbaren Nähe des Fokus der Optik (im Brennfleck) positioniert werden. Die exakte Lage des Fokus relativ zur Werkstückoberfläche (oberhalb oder unterhalb) ist ein wichtiger Schweißparameter und legt neben der verwendeten Laserleistung die Einschweißtiefe fest. Der typische Brennfleckdurchmesser ist ca. 0,1 mm – 1,0 mm. Die erforderliche Laserleistung liegt, je nach Anwendung, im Bereich von mehreren Kilowatt. Die Absorption der Laserleistung führt auf der Werkstückoberfläche zu einem extrem schnellen Temperaturanstieg über die Schmelztemperatur hinaus. Die Schmelze erfährt im Anschluss typischerweise eine hohe Abkühlgeschwindigkeit und bildet die Schweißnaht aus. Je nach Werkstoff bedingen die hohen Abkühlgeschwindigkeiten metallurgische Veränderungen mit unerwünschten Werkstoffeigenschaften in der Fügezone, wie sie auch vom konventionellen Schweißen bekannt sind. Die Aufhärtung des Schweißgutes und somit reduzierte Zähigkeit, aber auch weiche Zonen neben der Schweißnaht, Kalt- und Warmrisse, Bildung von Poren oder auch der Verzug am Bauteil sind Beispiele für unerwünschte Effekte. Die Schweißeignung von Werkstoffpaarungen, die fertigungsgerechte Konstruktion bzw. Nahtvorbereitung und eine anforderungsgerechte Prozessführung sind beim Laserstrahlschweißen grundsätzlich zu beachten. Um die Schweißstelle vor Oxidation zu schützen, wird sie mit inerten Arbeitsgasen (teilweise auch Gasgemischen) umspült (wenige Liter/min), welche schwerer als Luft sind und somit Sauerstoff verdrängen.

 

Das Laserstrahlschweißen wird vor allem an metallischen Bauteilen eingesetzt. Herausragende Eigenschaften des Verfahrens sind die hohe Schweißgeschwindigkeit, schmale und schlanke Schweißnahtformen mit einem vergleichsweise geringen thermischen Verzug, sehr hohe Reproduzierbarkeit der erzielbaren Qualität, einfache Prozessführung und -kontrolle sowie eine sehr gute Automatisierbarkeit.

 

Das häufig auch Laserschweißen genannte Verfahren wird in der Regel ohne Zusatzwerkstoff ausgeführt. Je nach Anwendungsfall kann es jedoch sinnvoll sein, Zusatzwerkstoffe in Draht- oder Pulverform einzusetzen, insbesondere um metallurgische Eigenschaften des Schmelz- bzw. Schweißguts zu beeinflussen und somit die Schweißbarkeit der Verbindung zu verbessern.

Prozessvarianten

Für das Laserstrahlschweißen gibt es mehrere Verfahrensvarianten, die in Abhängigkeit von der genutzten Strahlquelle, der Fokussierung und der Verwendung von Zusatzmaterialien zu unterschiedlichen Nahtgeometrien und Gebrauchseigenschaften führen.

Lasertiefschweißen

Bei hohen Strahlintensitäten im Fokus (bei Stahlwerkstoffen und Verfahrgeschwindigkeiten größer 1m/min ca. 2 - 4 MW/cm²) bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare (mit Metalldampf oder teilionisiertem Metalldampf gefüllter, schlauchförmiger Hohlraum, auch "Keyhole" genannt) in der Tiefe des Werkstückes aus. Der Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, die Schmelzzone kann tiefer als breit sein. Die Dampfkapillare erhöht aufgrund von Mehrfachreflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material, wodurch ein gegenüber dem Wärmeleitungsschweißen vergrößertes Schmelzvolumen erzeugt wird. Über entsprechende Optiken kann die Qualität der Schweißung online durch Begutachtung des Keyholes beurteilt werden. Es gelingen große Einschweißtiefen von bis zu 8 Millimetern und gleichzeitig geringer Schweißnahtbreiten (Breite/Höhe = 1/10).

Die Verwendung von draht- oder pulverförmigen Zusatzwerkstoff dient der Spaltüberbrückung, der Oberflächenbeschichtung oder dem gezielten Legieren der Schmelze.

Wärmeleitungsschweißen
Laserschweißen mit Zusatzdraht

Materialpaarungen aus der Praxis

ERLAS ist ein führender Dienstleister für das Laserstrahlschweißen mit langjähriger Erfahrung durch die Bearbeitung vielseitigster Anwendungen sowohl in der Lohnfertigung als auch im Bau von Sondermaschinen. Die Integration von Sonderlösungen und Entwicklung vieler Prozessen machen ERLAS zu einem Experten der Laserschweißtechnik. Die im Hause ERLAS und dessen Partner verfügbaren Laserstrahlquellen und Führungsmaschinen bieten größtmögliche Anwendungsflexibilität. Nahtbreiten und Einschweißtiefen sind gezielt einstellbar, so, dass sowohl Folien als auch Zentimeter starke Dickbleche gefügt werden können. Verbindungen von Materialkombinationen, die mit anderen Schweißverfahren nicht prozesssicher möglich sind, lassen sich dank des lokal begrenzten Energieeintrages beherrschen. Auch die Verwendung von Zusatzmaterial kann bei der Lösung von Fügeaufgaben hilfreich sein. Nachfolgend einige Beispiele von Werkstoffpaarungen, die erfolgreich angewandt wurden:

Fügepartner 1 Fügepartner 2 Hinweise
Baustahl S235 – S355  Baustahl S235 – S355  auch in Paarungen mit unterschiedlichen Festigkeitsklassen
Baustahl S235 – S355  Korrosionsbest. Edelstahl
(z.B. 1.4016, 1.4301)
als Schwarz-Weiß-Verbindung mit und ohne Schweißzusatz
Baustahl S235 – S355  16 MnCr 5 in der Regel ohne Schweißzusatz
Baustahl S235 – S355  C35 ggf. unter (Laser-)Vorwärmung
HC420LA HC420LA auch in Verbindungen mit Baustählen
S420MC  DD13 (Tiefziehstahl)  
16 MnCr5  16 MnCr5  
20 MnCr5  20 MnCr5 ggf. unter (Laser-)Vorwärmung
20 MnCr5  22 MnB5 ggf. unter (Laser-)Vorwärmung
20 MnCr5 16CrNi4 ggf. unter (Laser-)Vorwärmung
18CrNiMo5 22MnB5 ggf. unter (Laser-)Vorwärmung
Fügepartner 1 Fügepartner 2 Hinweise
1.4301 1.4301  
1.4301 1.4404 oder andere der Legierungsklasse
1.4541 1.4541  
1.4571 1.4571  
1.4828 1.4828  
1.4542 Inconel 718 und andere Mischverbindungen (ggf. auf Anfrage)
Fügepartner 1 Fügepartner 2 Hinweise
Al 99,5 (EN AW 1050) Al 99,5 (EN AW 1050)  
Al 99,5 (EN AW 1050) AlMg3 (EN AW 5754)  
Al 99,5 (EN AW 1050) AlMg4,5Mn (EN 5083)  
AlMg5 (EN AW 5019) AlMg5 (EN AW 5019) und andere naturharte Al-Legierungen
AlMgSi (EN AW 6082) AlMgMn (EN AW 5182) mit Schweißzusatz
AlSi10Mg (EN AC 43000) AlSi5 (EN AW 4043)  
Fügepartner 1 Fügepartner 2 Hinweise
Ti 99,5 (Grade 2) Ti 99,5 (Grade 2)  
TiAl6V4 (Grade 5) TiAl6V4 (Grade 5)  
Ti 99,5 (Grade 2) Nb  
Fügepartner 1 Fügepartner 2 Hinweise
E-Cu E-Cu auch andere reine Cu-Grade

Von der Produktidee zur Serie

Besonders lohnt sich das Laserstrahlschweißen, wenn die Bauteilkonstruktion die verfahrensspezifischen Vorteile nutzt. ERLAS unterstützt Sie als Kunden sowohl bei der laserschweißgerechten Konstruktion, der Herstellung von Prototypen oder Musterteilen als auch später in der Serienfertigung.


Bauteilspezifische Spanntechnik liefert der ERLAS-eigene Maschinenbau.
Hohe Fertigungsqualitäten garantieren unter anderem das Vorhandensein einer eigenen Metallographie sowie eines 3D-Koordinatenmessarmes.

Noch Fragen?

Haben wir Ihr Interesse geweckt oder sind noch Fragen offen? Dann nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf. Wir beraten Sie in allen Fragen zur Laserbearbeitung.
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