Das Fügen ist entscheidender Schritt in der Fertigung, da an diesem Punkt zahlreiche Produktionsketten zusammenlaufen. Das Laserschweißen ist ein Fügeverfahren, das aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften häufig in der automatisierten Industrie zum Einsatz kommt.
Dieser Beitrag ordnet das Laserschweißen im Vergleich zu anderen Fügeverfahren ein. Dazu wird zunächst das Laserschweißen als Stoffschlüssiges Verfahren den anderen grundlegenden Verbindungstypen Kraftschluss und Formschluss gegenübergestellt. Anschließend werden die drei wichtigsten stoffschlüssigen Fügeverfahren – Schweißen, Löten und Kleben – miteinander verglichen. Schlussendlich werden in diesem Beitrag die Unterschiede zwischen dem Laserschweißen und anderen bedeutenden Schweißverfahren herausgearbeitet.
Das Laserschweißen ist ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, bei dem die Verbindung der Bauteile durch atomare oder molekulare Bindungen erfolgt. Die entstehende Verbindung ist in der Regel nicht lösbar und zeichnet sich durch eine hohe Belastbarkeit sowie einen geringen Platzbedarf aus.
Im Fall des Formschluss entsteht die Verbindung durch die geometrische Form der Bauteile, die ein gegenseitiges Verrutschen in eine oder mehrere Richtungen verhindert. Solche Verbindungen sind meist leicht lösbar und daher gut geeignet, wenn eine Demontage notwendig ist. Allerdings ist die Belastbarkeit begrenzt und die Abmessungen der Bauteile ist oft größer als bei einem Stoffschlüssigen Verfahren.
Bei Kraftschlüssigen Verbindungen wird die Reibungskraft ausgenutzt, die entsteht, wenn zwei Bauteile aneinandergepresst werden. Dieses Fügeverfahren ist normalerweise lösbar und erzeugt eine Verbindung ohne Spiel. Die Belastbarkeit ist jedoch abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Fügepartner und kann Schwankungen unterliegen.
| Stoffschluss | Formschluss | Kraftschluss |
Vorteile | Hohe Festigkeit, geringer Platzbedarf | Lösbar | Meist lösbar, kein Spiel |
Nachteile | Nicht lösbar | Hoher Platzbedarf | Schwankende Belastbarkeit |
Beispiele | Schweißen, Kleben | Nieten, Bolzen | Schrauben, Klemmen |
Beim Schweißen wird das Material der beiden Verbindungspartner durch lokales Erhitzen zum Schmelzen gebracht, welches sich vermischt und wieder abkühlt. Häufig wird ein Schweißzusatzwerkstoff verwendet, der in der Regel dem Grundwerkstoff ähnelt und die Verbindung zusätzlich verstärkt. Die daraus resultierende Verbindung zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit aus, die mit dem Grundwerkstoff vergleichbar ist. Eine Herausforderung ist der oft hohe Energieeintrag, der einen Verzug im Bauteil bewirken kann.
Löten ist sehr ähnlich zum Schweißen – jedoch mit dem Unterschied, das als Zusatzstoff eine Metalllegierung benutzt wird, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Bauteile verwendet wird. Der Grundwerkstoff der Bauteile selbst wird daher nicht aufgeschmolzen, wodurch auch eine Verbindung von unterschiedlichen Werkstoffen möglich ist. Allerdings ist die Festigkeit der Lötverbindung in der Regel geringer als die einer Schweißverbindung.
Beim Kleben wird ein Klebstoff zwischen den Bauteilen eingebracht, der anschließend aushärtet. Die Verbindung entsteht durch Haftung des Klebstoffs und durch den inneren Zusammenhalt der Klebstoffmoleküle. Der genaue Mechanismus der Haftung ist abhängig von der spezifischen Kombination aus Klebstoff und Werkstoff. Im Gegensatz zum Schweißen und Löten ist die Prozessgeschwindigkeit durch die Aushärtezeit des Klebstoffs begrenzt.
Laserschweißen funktioniert, indem ein Laserstrahl mittels einer Optik präzise auf das Werkstück fokussiert wird. Dadurch entstehen hohe Leistungsdichten, wodurch das Material nicht nur schmilzt, sondern sogar teilweise verdampft. Durch den austretenden Metalldampf entsteht ein Loch im Schmelzbad, die sogenannte Kapillare, durch die der Laserstrahl tief in das Material eindringen kann, wo er absorbiert wird. Damit einhergehend ist eine besonders tiefe, schlanke Naht möglich. Zudem sorgt die präzise Fokussierung für einen geringen Wärmeeintrag, was den Verzug im Bauteil minimiert und exakte Schweißverbindungen ermöglicht.
Bei dem Lichtbogenschweißen wird mit Hilfe einer elektrischen Spannung zwischen einer Elektrode und dem Bauteil ein Lichtbogen hergestellt, welcher die benötigte Hitze zum Schmelzen des Metalls erzeugt. Beim Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) und Metall-Aktivgas-Schweißen fungiert ein Metalldraht als Elektrode, der beim Schweißen schmilzt und als Schweißzusatzwerkstoff dient, während beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) die Wolframelektrode erhalten bleibt. Das Lichtbogenschweißen wird sehr universell eingesetzt und kann per Hand bedient oder auch automatisiert werden. Durch den hohen Wärmeeintrag ist es jedoch nicht für sehr feine Nähte geeignet.
Elektronenstrahlschweißen ist ein Schweißverfahren, bei dem ein fokussierter Elektronenstrahl unter Vakuum auf das Werkstück trifft. Die kinetische Energie der Elektronen wird in Wärme umgewandelt, wodurch das Material schmilzt. Dieses Verfahren ermöglicht tiefe und saubere Schweißnähte, ist aber durch die Notwendigkeit des Vakuums sehr aufwändig und kostenintensiv.
Zusammenfassend ermöglicht das Laserschweißen als stoffschlüssiges Verfahren die Herstellung von Verbindungen mit minimalem Platzbedarf, die gleichzeitig sehr hohen Belastungen standhalten. Durch die speziellen Eigenschaften des Lasers als Werkzeug ist es zudem möglich, selbst schwierige Nahtgeometrien in der automatisierten Produktion wirtschaftlich zu fertigen.
