Manuelles Arbeiten

Laserschweißen von Kleinserien und Großbauteilen mit dem Handlaser. Laser sind aus der heutigen Schweißtechnik nicht mehr wegzudenken. Vielfältige Möglichkeiten der Bauteilgestaltung und ein...

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Laserschweißen von Kleinserien und Großbauteilen mit dem HandlaserLaser sind aus der heutigen Schweißtechnik nicht mehr wegzudenken. Vielfältige Möglichkeiten der Bauteilgestaltung und ein vergrößertes Spektrum an einsetzbaren Werkstoffen verbunden mit einer hohen Produktivität machen den Laser als Fügewerkzeug populär. Einzig die bisherige Handhabungstechnik schränkt das Universalwerkzeug Laser in seinen Einsatzmöglichkeiten ein. Roboter und Portalanlagen können in der Großserie ihre Vorteile ausspielen. Was aber ist, wenn kleine Serien oder sehr große Bauteile bearbeitet werden müssen? In der konventionellen Fertigungstechnik kommen dann handwerkliche Verfahren zum Einsatz. Sie bieten für Unikate und kleine Serien unabhängig von der Größe der Bauteile eine kostengünstige Lösung.Ein ähnlicher Weg wird von der Mobil Laser Tec GmbH, Wolfsburg, für die Nutzung des Werkzeuges Laser beschritten. Neuartige handgeführte Laserbearbeitungsköpfe in Verbindung mit fasergekoppelten Nd:YAG-Lasern machen die Lasertechnik auch an bisher nicht umsetzbaren Bearbeitungsaufgaben zum idealen Werkzeug. Die Idee der Geräte ist denkbar einfach. Man nehme einen Laser, der über einen Ausgang mit Lichtleitfaser verfügt sowie eine miniaturisierte Bearbeitungsoptik und schon ist man in der Lage zu schweißen.Ganz so einfach ist es dann doch nicht, weil der Mensch als ,,Führungsmaschine" einen starken Einfluss auf den Bearbeitungsprozess ausübt. Dies ist bei anderen Verfahren natürlich genauso, allerdings ist der Laserschweißprozess durch die sehr kleine Bearbeitungszone erheblich kritischer. Umfangreiche Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Mensch und Laserbearbeitungsprozess zeigen auf, dass eine freihändige Bearbeitung mit dem Laser nur zu unbefriedigenden Bearbeitungsergebnissen führt [1]. Schon kleine Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit oder des Arbeitsabstandes lassen den Prozess zusammenbrechen. Das Ergebnis sind Nähte, die an einigen Stellen nicht richtig verschweißt sind, während an anderer Stelle das Material so stark erwärmt worden ist, dass ein Loch entsteht.Bearbeitungskopf ermöglicht enge RadienAus diesem Grunde hat man bei Mobil Laser Tec verschiedene Hilfseinrichtungen zur Stabilisierung des Prozesses entwickelt und umgesetzt, wobei für die so genannte Dauerstrichbearbeitung (continuous wave cw), bei dem der Laser immer eine konstante Leistung emittiert, und der gepulsten Bearbeitung (pulsed wave pw) unterschiedliche Konzepte verwirklicht wurden.Bei dem cw-Bearbeitungskopf SN3000D wurde zur Realisierung eines konstanten Bearbeitungsprozesses ein einrolliger Antrieb integriert, dessen Antriebsrolle sich sehr nah am Bearbeitungsprozess befindet (Bild 1). Dadurch sind sowohl enge Radien als auch gekrümmte Geometrien zu bearbeiten. Der Kopf beinhaltet alle Funktionen, die ein stationär eingesetzter Bearbeitungskopf auch aufweist. Dazu gehören Schutzglasschnellwechsler, Cross-Jet zum Schutz der Optiken sowie eine Schutzgaszuführung. Nur sind alle diese Komponenten deutlich kleiner und somit auch leichter als bei Standardsystemen. Dies ist notwendig, da ein ermüdungsfreies Arbeiten gewährleistet sein muss.Bei der gepulsten Bearbeitung (pw) mit den Köpfen OF200 (Bild 2) und OF500 wird der Effekt der diskret erstarrenden Schmelzbäder genutzt. Dies bedeutet, dass bei niedrigen Pulsfrequenzen unter 10 Hz und kurzen Pulsdauern kleiner als 10 ms der aufgeschmolzene Werkstoff nach jedem Puls wieder erstarrt. Durch die Aneinanderreihung einzelner Schweißpunkte wird somit eine Naht erzeugt. Der Prozess und das Bearbeitungsergebnis reagieren auf Schwankungen der Vorschubgeschwindigkeit deutlich toleranter. Der richtige Arbeitsabstand wird über eine Abstandsnadel eingestellt, die auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt wird. Mit diesem Verfahren lassen sich sowohl Verbindungsschweißungen als auch Auftragsschichten herstellen.Neben der Prozesssicherheit spielt auch die Arbeitssicherheit eine wichtige Rolle. Für alle Bearbeitungssysteme werden Sicherheitssensoren eingesetzt, die den Laserstrahl nur freigeben, wenn der Kopf auf dem zu bearbeitenden Werkstück aufliegt, so dass ein freies Propagieren des Strahles nicht möglich ist.Handgeführtes Lasersystem für den PrototypenbauDas cw-Handsystem SN3000D wird in der Blechbearbeitung eingesetzt. Durch die einfache Handhabung sind auch an komplizierten Geometrien - beispielsweise an Prototypenautokarosserien - effektive und qualitativ hochwertige Schweißungen möglich. Weitere Anwendungsbeispiele finden sich im Metallbau (Bild 3) zum Beispiel für das Herstellen von Stahlmöbeln oder Objekten aus Schwarz- und Edelstahl sowie anderer metallischer Werkstoffe.Am Beispiel der Einschweißung eines abgewinkelten Haltebleches in einen rechteckigen Gehäusedeckel soll das Vorgehen verdeutlicht werden. In die Innenseite des Gehäusedeckels wird das Befestigungsblech eingelegt. Der Bearbeitungskopf wird dann einfach auf den auf dem Blech liegenden Schenkel positioniert. Ist das Gerät richtig aufgesetzt, erfolgt eine Freigabe des Gerätes durch interne Sensoren. Durch die Betätigung eines Tasters wird der Antrieb eingeschaltet, so dass sich der Kopf mit konstanter Geschwindigkeit auf dem Blech fortbewegt. Durch die Betätigung eines zweiten Tasters wird der Laserstrahl eingeschaltet, der die beiden Bleche miteinander verschweißt. Das Ergebnis ist eine Laserschweißnaht, die einen Vergleich mit einer Roboternaht nicht zu scheuen braucht.Das gepulste Laserstrahlschweißen wird für zwei Verfahrensvarianten eingesetzt: Erstens zum Auftragschweißen mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff für die Reparatur von Werkzeugen und Formen und zweitens für das Verbindungsschweißen dünnwandiger Bauteile zum Beispiel aus austenitischen Edelstählen.Schweißprozess wird durch CCD-Kamera beobachtetIm Falle des Reparaturschweißens von Werkzeugen und Formen wird der Draht per Hand zugeführt (Bild 4). Der Prozess wird dabei über eine im Kopf integrierte CCD-Kamera beobachtet. Der Bearbeiter kann das Kamerabild auf einem kleinen Monitor verfolgen. Dieser lässt sich frei mittels eines Statives oder eines Magneten im Arbeitsbereich platzieren. Die richtige Positionierung des Drahtes und des Laserstrahles wird durch ein eingeblendetes Fadenkreuz erleichtert. Somit kann der Bearbeiter in jeder Lage, also auch in Zwangslage, den Schweißprozess beobachten. Etwas Übung vorausgesetzt, bietet dieses Verfahren die Möglichkeit auch in sonst nicht zugänglichen Stellen mit dem Laser zu schweißen.Mobil Laser Tec praktiziert dies bei unterschiedlichen Kunden an Großformen, die beispielsweise noch in der Spritzgießmaschine eingebaut sind. Durch das handgeführte Verfahren mit einem gepulsten Trumpf-Nd:YAG-Laser vom Typ HL204P sind so erhebliche Zeitersparnisse bei der Reparatur von Schäden an Werkzeugen und Formen möglich. Allein durch den Verzicht auf den Ausbau und den Transport der bis zu 40 t schweren Formen zum Laserschweißer werden viele Stunden eingespart, die in der Produktion der Herstellung von Teilen zugute kommen. Auch das eigentliche Schweißen erfolgt per Hand an den meist komplexen Geometrien deutlich schneller als mit anderen Systemen bei Nutzung aller Vorteile des Laserschweißens.Literatur[1] Schmid, C.: Mobile handgeführte Lasersysteme für die Materialbearbeitung. Drittes Industriekolloqium SFB 362, Fertigen in Feinblech, Clausthal, 6.-7. Februar 2002.