Tiefschweißen mit dem Diodenlaser

Symposium in Luzern zeigt aktuelle Trends beim Laserstrahlschweißen auf. Der Stellenwert des Lasers in der industriellen Anwendung wird steigen, darüber waren sich die Referenten des Lasersymposiums...

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Symposium in Luzern zeigt aktuelle Trends beim Laserstrahlschweißen aufDer Stellenwert des Lasers in der industriellen Anwendung wird steigen, darüber waren sich die Referenten des Lasersymposiums an der HTA in Luzern sicher. Sicher schien auch, dass der Festkörperlaser dem CO2-Laser in den nächsten Jahren einiges an Arbeit abnehmen wird. Gleichwohl wird der CO2-Laser sich aufgrund seiner Qualitäten weiter auf dem Markt behaupten.Der relativ preisgünstige Diodenlaser mit seinem hohen Wirkungsgrad von zirka 35 % wird zwar zunehmend höhere Leistungen im einstelligen kW-Bereich bringen, aber wegen seiner schlechten Laserqualität nur bestimmten Aufgabenbereichen vorbehalten bleiben. In Zukunft werden diodengepumpte Nd:YAG-Laser von den leistungsfähigen Diodenlasern profitieren. Dadurch kann deren bisher schlechter Wirkungsgrad erheblich steigen bei gleichzeitig hoher Strahlqualität.Diodenlaser, die sich gegenüber anderen Lasertypen unter anderem wegen ihrer höheren Absorption auf metallischen Werkstoffen auszeichnen, befinden sich zur Zeit international in einer hochdynamischen Entwicklungsphase. Dr. Friedrich Bachmann von der Rofin-Sinar Laser GmbH brachte es auf den Punkt: Der Diodenlaser ist günstig, kompakt, besitzt mittlerweile hohe Leistungen im kW-Bereich und hat einen sehr guten Wirkungsgrad. Aber er hat eine schlechte Laserqualität und damit eine geringe Energiedichte. Deshalb eignet er sich beispielsweise nicht für das Tiefschweißen. Aber selbst hier deutet sich eine Wendung an, wie sich später noch zeigen wird. Und aufgrund seiner schlechten Fokussierbarkeit kann der Diodenlaser nicht für Bohren, Schneiden, Tiefschweißen und Markieren verwendet werden. Anwendungsbereiche dagegen, bei denen es nicht auf eine hohe Fokussierung ankommt, wie Sintern, Löten, Härten, Umschmelzen, Hartlöten, Beschichten, Schweißen und Kunststoffschweißen, sind dagegen sehr gut mit dem Diodenlaser abzudecken. Der schlechte Fokus muss nicht unbedingt ein Nachteil sein. Der Diodenlaser eignet sich zum Beispiel beim Einschweißen von Becken in Küchenspülen aufgrund seines rechteckigen oder quadratischen Fokus ausgezeichnet. Hier kommt es nicht auf eine tiefe Schweißung an, sondern auf eine breite Schweißnaht mit perfekter Oberfläche. Bei dieser Schweißanwendung wurde das WIG-Verfahren durch den Laser substituiert. Denn gerade bei dünnen Blechen, bei denen es nicht auf den Tiefschweißeffekt ankommt und Toleranzen am Stoß zu überbrücken sind, können hervorragend aussehende Nähte mit dem Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) geschweißt werden. Bessere Absoption beim OberflächenhärtenAuch beim Härten zeigt der Diodenlaser seine Stärken. Aufgrund seiner spezifischen Strahlverteilung ist er speziell für das Oberflächenhärten geeignet. Und im Vergleich mit dem CO2-Laser wirkt sich die kürzere Wellenlänge des Diodenlasers positiv auf die Absorption aus. Ein Beispiel aus der industriellen Anwendung ist das 170°-Umfangshärten von Torsionsfedern für Auto-Türschaniere. Die Laserhärtung bot in diesem Anwendungsfall eindeutig die besten wirtschaftlichen Voraussetzungen. Das Herstellen von Verschleißschutz- oder Reparaturschichten ist ebenfalls ein interessantes Betätigungsfeld für den Diodenlaser. Eine bereits erfolgreich eingesetzte Methode ist die Abscheidung von Stellit aus Pulver. Bisher wurden hier vorwiegend CO2-Laser eingesetzt. Es zeigt sich aber, dass die Diodenlaserstrahlung eine höhere Effektivität hat, und bei gleicher Leistung wie ein CO2-Laser doppelt so schnell beschichten kann. Eine Anwendung aus der Fertigungstechnik wurde beim Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik realisiert. Dort hat man einen 600-W-Diodenlaser in eine Drehmaschine integriert und in unmittelbarer Nähe zum Werkzeug das Werkstück aus hartem und sprödem Si3N4-Keramik aufgewärmt und gleichzeitig zerspant. Doch zurück zum Schweißen. Nicht ein Laserhersteller, sondern das Unternehmen Linde Gas AG, in der Schweiz durch Pangas vertreten, zeigte in eindrucksvollen Zeitlupenaufnahmen wie mit einem Diodenlaser durch geeignete Gaswahl tiefgeschweißt werden konnte. Für den (Tief-) Schweißprozess ist die Leistung und die Strahlqualität von Bedeutung. Hochleistungslaser wie der CO2-Laser eignen sich ausgezeichnet zum Tiefschweißen, weil sie eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Durch die hohe Leistungsdichte der Laserstrahlung bildet sich infolge Werkstoffverdampfung ein Dampfkanal (Keyhole). Der verdampfte Werkstoff absorbiert die Laserenergie, dadurch entsteht ein laserinduziertes Plasma, das die Energie an den angrenzenden Werkstoff abführt. Nicht so der HLDL, er hat eine niedrigere Leistungsdichte und ist für das Tiefschweißen denkbar schlecht geeignet. CO2-Laser erreichen im Fokus Intensitäten von 108 W/cm2. Nd:YAG-Laser erreichen noch Werte um 107 W/cm2. Im Vergleich zum CO2-Laser ist die Intensität der HLDL (105 W/cm2) etwa 1000-mal schwächer und gegenüber dem Nd:YAG-Laser 100-mal schwächer. Der typische Tiefschweißprozess kann aber erst ab 106 W/cm2 erzeugt werden. Aus diesem Grund ist der Diodenlaser scheinbar ungeeignet.Dem Diodenlaser den Turbo eingebautDementsprechend beindruckend waren die Ergebnisse von Dr. Wolfgang Danzer (Linde Gas AG), Thema: Tiefschweißen mit Diodenlasern durch geeignete Gaswahl. Dass Prozessgase das Schweissbad beeinflussen, ist bekannt. Aber in der Regel ist die Hauptaufgabe der Prozessgase beim Laserschweißen das Schweißbad zu schützen und die Entstehung eines abschirmenden Plasmas zu verhindern. Aktive Gase unterstützen zusätzlich den Schweißprozess durch exotherme Reaktionen im Schweißgut. Bei Untersuchungen am Technologiezentrum des Unternehmens in Zusammenarbeit mit weiteren Instituten zeigte sich, dass die Prozessgase bei HLDL-Schweißungen einen starken Einfluss auf die Schmelze in der Schweißnaht haben. Bei steigendem Aktivgasanteil wird die Schweißnaht zunehmend schmaler und zugleich tiefer. Die rein chemische Reaktion durch das Aktivgas war nicht die alleinige Ursache für die Schweißnahttiefe. Vielmehr ist die Ausbildung einer starken Schmelzbadströmung Ursache für die tiefe Schmelzleistung. Denn der Wärmetransport beim Wärmeleitungsschweißen erfolgt nicht nur durch Leitung, sondern auch durch Konvektion (Strömung). Mit Hilfe der Gaszusammensetzung kann die Strömungsaktivität und -richtung der Schmelze sehr stark beeinflusst werden. Für eine tiefe Schweißnaht muss die Schmelze von außen nach innen strömen. Durch die Strömung vom Schweißnahtrand zur Badmitte hin wird thermische Energie in die Tiefe des Schmelzbades getragen, wodurch sich die Naht tiefer und schlanker ausbildet. Die Strömung selbst entsteht durch elektrostatische Prozesse, bei denen die Oberflächenspannung und Temperaturverteilung der Schmelze Einfluss nehmen.Scannertechnik mit 5-kW-CO2-LaserAuch Enrico Wyss von Trumpf betonte die zunehmende Bedeutung des Laserschweissens. Ein Highlight ist das Remote Welding mit Scanner und 5-kW-CO2-Laser. Die Kombination hoher Laserleistung mit der Scannertechnik erweitert das Spektrum der modernen Produktionstechnologien um ein sehr schnelles und flexibles Fügeverfahren. Das Wiederstandspunktschweißen ist zwar ein kostengünstiges Standardverfahren, schränkt jedoch das Design und die Funktionalität der gefügten Bauteile durch die großen Störkonturen der Zangenwerkzeuge ein. Auch die geringe Verwindungssteifigkeit der Punktverbindungen kann einen großen Nachteil bedeuten. Werden die Punktverbindungen durch lasergeschweißte Steppnähte ersetzt, steigt zum einen die Festigkeit und Steifigkeit, wodurch Blechdicken reduziert und letztlich Gewicht eingespart werden kann. Zum anderen lässt sich die wesentlich bessere Zugänglichkeit des Laserschweissverfahrens nutzen, um einfachere sowie wirtschaftlichere Konstruktionen zu realisieren. Bei kartesisch oder mit Roboter geführten Arbeitsoptiken bleiben unproduktive Nebenzeiten für Verfahrwege zwischen den Fügestellen. Mit dem Einsatz der Scannertechnik jedoch lassen sich die Verfahrwege - und damit die unproduktiven Nebenzeiten - eliminieren. Beim Schweißen mit Scanner wird ein langbrennweitig fokussierter Laserstrahl hoher Strahlqualität frei über das dreidimensionale Werkstück gelenkt. Anders als beim herkömmlichen Laserschweißen bewegt sich hier also nicht die Fokussieroptik, sondern nur der Fokuspunkt. Hybridschweißen: Laser mit MIG gekoppeltDas östereichische Schweißunternehmen Fronius hat das MIG-Schweißen mit dem Laserschweißen erfolgreich verknüpft. Beim sogenannten Hybridverfahren haben sich bereits verschiedene Anwendungfelder in der Automobilindustrie gefunden. Durch die Zusammenführung der beiden Schweißverfahren kommen die Vorteile beider Verfahren zum Tragen. Das Laserschweißen führt zu einer sehr schmalen tiefen Schweißnaht mit hohen Schweißgeschwindigkeiten. Das MIG-Verfahren sorgt für eine optimale Spaltüberbrückung, bei der das Laserverfahren an seine Grenzen stößt. Bei der Laserwahl spielen verschiedene Aspekte eine Rolle. Nötig ist eine starke Fokussierung, das heisst gute Strahlqualität um den Tiefschweißeffekt zu garantieren und eine relativ hohe Laserleistung. Wobei die Laserleistung um einiges geringer sein kann als beim reinen Laserschweißen, da durch das MIG-Verfahren ebenfalls Leistung zugeführt wird. Dadurch werden die Investitionskosten reduziert. In Frage kommen im Prinzip der CO2-Laser und der Nd:YAG-Laser. Der Nd:YAG-Laser kann flexibler eingesetzt werden, weil sein Laserlicht mit Lichtleitkabeln übertragen werden kann. Der CO2-Laser wird weiterhin in geometrisch einfachen 2D- und 3D-Strukturen zum Einsatz kommen. Beim Zusammenwirken des Laserschweißens mit dem MIG-Schweißen wird sowohl die Schweißtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit gegenüber den beiden Einzelverfahren erhöht. Die Vorteile des Hybrid- gegenüber dem Laserschweißen sind:- Bessere Spaltüberbrückung- Breiterer und tieferer Einbrand- Wesentlich höheres Anwendungsspektrum- Geringere Investitionskosten durch Einsparung der Laserleistung- Höhere Zähigkeit der NahtVorteile des Hybrid- gegenüber MIG-Schweißen:- Höhere Schweißgeschwindigkeit- Tieferer Einbrand- Geringere Wärmeeinbringung- Höhere Festigkeit- Schmälere NahtUm den gleichen Einbrand beim Hybridschweißen zu erzielen wie beim MIG-Schweißen, wird lediglich die halbe Drahtfördergeschwindigkeit benötigt. Je nach Leistungsverhältnis kann der Laser- oder Lichtbogencharakter überwiegen. Es besteht gleichzeitig eine Wechselwirkung zwischen den beiden Verfahren. Der durch die Laserstrahlung entstehende Metalldampf wirkt auf das Lichtbogenplasma des MIG-Verfahrens zurück. Eine mögliche Absorption der Laserstrahlung im Bearbeitungsplasma bleibt vernachlässigbar. Durch die kleinere Schmelzbadgröße ergibt sich gegenüber dem MIG-Verfahren eine geringere Wärmeeinbringung, was eine geringeren Verzug zu Folge hat.