BBW Lasertechnik GmbH
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Laserschweißen: Ein Schwerpunkt bei BBW Lasertechnik

Mit über 40 Laseranlagen sind wir als Deutschlands größter Fertigungsdienstleister für innovative Lasermaterialbearbeitung im Kundenauftrag verschiedenster Branchen tätig. Schwerpunkt unseres Leistungsportfolios ist das Laserstrahlschweißen, wofür circa zwei Drittel unserer Laseranlagen ausgestattet sind, dicht gefolgt vom Laserstrahlschneiden.

Beide Laseranwendungen arbeiten grundsätzlich mit derselben Anlagentechnik, da in beiden Fällen fokussiertes Infrarotlicht – die Laserstrahlung – für den Bearbeitungsschritt eingesetzt wird. Den Unterschied macht hauptsächlich die Art der Anwendung eines Prozessgases erkennbar. Während beim Laserstrahlschneiden Schutz- oder Aktivgas mit hohem Druck auf den Bearbeitungsbereich gerichtet wird, um die entstehende Schmelze nach unten wegzublasen, wird beim Laserstrahlschweißen das (ausschließliche) Schutzgas mit weniger Druck und auf einen größeren Bereich verteilt. Die Schmelze soll hierbei nicht entfernt, sondern nur vor Umwelteinflüsse geschützt werden, bevor sie wieder erstarrt.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik strebt jedes System einen Zustand größerer Unordnung an. Während das Laserstrahlschweißen als trennendes Verfahren die Unordnung begünstigt, wirkt das Laserstrahlschweißen als fügendes Verfahren einer Unordnung entgegen und ist dementsprechend der herausfordernde Prozess, da wesentlich mehr Einfluss- und Kontrollgrößen beachtet werden müssen. Im weiteren Verlauf gehen wir zunächst auf die Grundlagen des Laserstrahlschweißens ein und erläutern im Anschluss, welche primären Schweißunregelmäßigkeiten auftreten können.
 

Grundlagen des Laserstrahlschweißens

Laserstrahlung, die auf eine Materialoberfläche trifft, überträgt optische Energie in den festen Körper, wodurch diese in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das Material wird daraufhin lokal aufgeheizt: Wird die Schmelztemperatur erreicht, entsteht Schmelze, wird zusätzlich sogar die Verdampfungstemperatur erreicht, verdampft das Material. Letzteres ist beim Schweißen nur bedingt gewünscht, da verdampftes Material in der Regel verloren geht. Doch dazu später mehr.

Grundlegend wird zwischen Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen unterschieden. Beide Verfahren unterscheiden sich grundsätzlich in der verwendeten Strahlungsintensität, die größer ist, je mehr Leistung bzw. Energie verwendet wird und je kleiner der Fokusdurchmesser, innerhalb der sich die Laserenergie befindet. Beim Wärmeleitschweißen erfolgt nur ein Aufschmelzen oberflächennaher Bereiche, wodurch nach der Wiedererstarrung der Schmelze eine Verbindung realisiert wird. Wärmeleitschweißnähte zeichnen sich durch hohe Oberflächenqualität, aber geringe Einschweißtiefen aus.

Abbildung 1: Schemadarstellung vom Wärmeleitungsschweißen. Die Intensität der Laserstrahlung schmilzt nur oberflächennahe Materialbereiche auf.

Beim Tiefschweißen entsteht im Laser-Materie-Wechselwirkungsbereich aufgrund der höheren Intensität zusätzlich eine Zone verdampfenden Materials, die so genannte Kapillare. Dies kann man sich so vorstellen, dass sich in der Mitte der aufgeschmolzenen Zone eine kleine Dampfkapillare durch das Material bewegt. Um die offene Kapillare fließt die flüssige Schmelze, hinter der Kapillare treffen die Schmelzströme wieder aufeinander und die Schmelze erstarrt wenig später. Innerhalb der Dampfkapillare kann die Laserstrahlung sehr viel tiefer in das Material eindringen, da Strahlungsanteile an der Kapillarwand reflektiert bzw. absorbiert werden und es zu Mehrfachreflexionen kommt. Somit sind wesentlich größere Einschweißtiefen möglich.

Abbildung 2: Schemadarstellung vom Tiefschweißen. Die Intensität der Laserstrahlung verdampft Materialanteile, so dass sich eine Dampfkapillare bildet, die von Schmelze umflossen ist und sich in Vorschubrichtung mit dem Laserspot mitbewegt.

Wichtig ist, hier auch auf die möglichen Einflussgrößen zu achten. Beispiele dafür sind:

Wärmeleitung: Je wärmeleitender ein Material ist, desto schneller verteilt sich die Wärme und desto mehr Energie wird benötigt, um lokal einen Bereich auf Wunschtemperatur zu erhöhen.

Schmelz- und Siedetemperatur: Je höher diese Werte, desto mehr Energie bzw. Leistung muss in das Material eingekoppelt werden.

Absorptionsgrad: Laserstrahlung wird vom Material entweder absorbiert, an der Oberfläche reflektiert oder durch das Material transmittiert. Für das Laserstrahlschweißen ist nur die Absorption von Interesse, der Rest sind verlorene Leistungsanteile.

Materialzusammensetzung: Oftmals liegt kein Reinmetall vor, sondern eine Metalllegierung. Jedes Element in der Legierung weist dabei unterschiedliche Eigenschaften auf, die das Laserstrahlschweißen herausfordernder und sehr materialspezifisch gestaltet. Die Legierung (bzw. die Kombination beider Fügepartner) ist am Ende der wichtigste Faktor, da er Aufschluss darüber gibt, ob eine Materialkombination gut oder schwierig zu schweißen ist.

Wellenlänge der Laserstrahlung: Vereinfacht (und im sichtbaren Bereich) ausgedrückt auch die „Farbe“ des Lasers, ist dies eine wichtige Größe, da jedes Material einen von der Wellenlänge abhängigen Absorptionsgrad vorweist. Bei Kupfer zum Beispiel liegt der relative Absorptionsgrad für einen Standard-Infrarotlaser der Wellenlänge 1064 nm bei nur ca. 5 %, für einen grünen Laser der Wellenlänge 532 nm dagegen bei 40 %.

Während des Schweißprozesses oder auch danach können Unregelmäßigkeiten auftreten, auf die wir abschließend kurz eingehen. Im Detail thematisieren wir diesen Bereich in einem unserer folgenden Artikel.
 

Schweißunregelmäßigkeiten

Die DIN-ISO-Norm 13919 beschreibt für Stahl sowie Aluminium ausführlich das Erscheinungsbild möglicher Unregelmäßigkeiten und welche Grenzwerte nicht überschritten werden dürfen.

Eine der kritischsten Unregelmäßigkeiten ist das Auftreten von Rissen in der Schweißnaht, die im Worst-Case zu einem Bruch des gesamten Bauteils führen. Typische Risserscheinungen sind Kalt- bzw. Heißrisse. Kaltrisse entstehen nicht während des Schweißvorganges, sondern üblicherweise erst später im bereits erkalteten Materialzustand. Die Ursachen sind meist bestehende Spannungen im Bauteil, insbesondere in spröden Materialien. Heißrisse entstehen hingegen bei relativ hohen Temperaturen oder oftmals bei Legierungen, bei denen die einzelnen Elemente stark unterschiedliche Erstarrungstemperaturen aufweisen. Während ein Teil des Gefüges bereits fest ist, werden noch flüssige Bestandteile eingeschlossen. Durch Schrumpfung der festen Bestandteile können die Lücken nicht mehr überbrückt werden und es kommt zum Heißriss.

Eine zweite Unregelmäßigkeit ist die Porenbildung, die zumeist bei Tiefschweißprozessen auftritt. Hier kann es vorkommen, dass die Dampfkapillare instabil wird, wodurch der untere „Bauch“ der Kapillare abreist und als Gasblase in der Schmelze verbleibt. Erstarrt die Schmelze, bevor die Gasblase nach oben entweichen kann, ist das Gas als Pore gefangen.

Dieser Artikel sollte einen ersten Einblick in die Welt des Laserschweißens geben. In den folgenden Beiträgen werden wir konkrete Beispiele vorstellen, die wir bei BBW Lasertechnik bearbeiten.

 

Ein Beitrag von Eric Punzel

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