Um auch die schwierigsten Schweißaufgaben in der Automobilindustrie und im Bereich der E-Mobilität erfolgreich zu bewältigen, ist eine präzise Steuerung der Laserleistungsabgabe an das Werkstück erforderlich.

Der Einsatz von Faserlasern in der Automobilfertigung ist sehr erfolgreich – sie wurden für eine Vielzahl von Schweiß- und Schneidanwendungen eingesetzt, darunter das Schweißen von Karosserien, Aufhängungskomponenten, Antriebskomponenten und vielem mehr. Das ist keine Überraschung. Faserlaser bieten gegenüber den meisten bisher verwendeten Technologien – sowohl laserbasierten als auch nicht-laserbasierten – mehrere Vorteile.

Die Automobilindustrie ist jedoch nach wie vor eine wichtige Quelle für Innovationen. Obwohl Hochleistungs-Faserlaser bereits seit einiger Zeit erfolgreich in der Automobilfertigung eingesetzt werden, erfordern die komplexesten Schweißprozesse, die nun zur Förderung der E-Mobilität und des Gewichtsabbaus zum Einsatz kommen, mehr als nur rohe Leistung und rohe Kraft. Auch wenn es in der Realität eine relativ große Anzahl unterschiedlicher individueller Anwendungen gibt, umfassen die meisten davon in der Regel:

Um diese anspruchsvolleren Aufgaben bewältigen zu können, muss der Laser zwei grundlegende Eigenschaften aufweisen. Die erste ist eine ausreichende Leistung, die die erforderliche Produktionskapazität gewährleistet. Eine hohe Leistung ist zudem erforderlich, um bei der Bearbeitung dickerer Werkstücke eine ausreichende Materialdurchdringung zu erreichen. Die zweite ist die Fähigkeit, die Verteilung der Laserleistung auf die Arbeitsfläche präzise zu steuern – sowohl räumlich als auch zeitlich.

Leistung mit Präzision

Coherent hat den Faserlaser mit einstellbarem Ringmodus (ARM) speziell entwickelt, um sowohl Leistung als auch Präzision zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, nutzt der ARM einen dualen Strahlaustritt – er erzeugt einen zentralen Punkt, der von einem weiteren konzentrischen Ring aus Laserlicht umgeben ist. Die Leistung sowohl am zentralen Punkt als auch am Ringpunkt lässt sich unabhängig voneinander steuern und sogar modulieren.

Die Faserlaser der Coherent HighLight FL-ARM-Serie sind mit einer Gesamtleistung von bis zu 10 kW erhältlich. Das ist mehr als ausreichend, um praktisch alle kritischen Schweißaufgaben bei einer brauchbaren Durchlässigkeit durchzuführen. Tatsächlich wird bei den meisten der heikelsten und anspruchsvollsten Anwendungen typischerweise weniger als die Hälfte dieses Wertes benötigt. Coherent ARM-Laser bieten somit die Möglichkeit, ausreichend Laserleistung genau dorthin zu lenken, wo sie benötigt wird – und zwar genau dann, wenn sie benötigt wird.

Ein Beispiel dafür, wie dies funktioniert, lässt sich beim Schweißen von Kupfer beobachten. Einige Hersteller sind beim Schweißen von Kupfer auf den Einsatz eines grünen Lasers umgestiegen, da diese Strahlfarbe von Kupfer besser absorbiert wird als die Infrarotstrahlung eines Faserlasers. Dies gilt jedoch nur bei Raumtemperatur. Sobald sich das Kupfer erwärmt, absorbiert es Infrarotlicht gut, und sobald sich ein Schlüsselloch gebildet hat, ist die Absorption sogar noch besser. Dann wird die geringere Absorption sogar zu einem Vorteil, da sie ein tieferes Eindringen des Laserlichts ermöglicht, was das Schweißen dickerer Werkstücke erleichtert.

Das Szenario des ARM-Laserschweißens von Kupfer beginnt also damit, dass die Leistung ausschließlich im Ringstrahl liegt, der das Material erwärmt, bis es schmilzt. Anschließend wird der hochleistungsfähige Zentralstrahl zugeschaltet, der das Schlüsselloch erzeugt. Während des Schweißvorgangs wird jedoch eine gewisse Leistung im Ringstrahl aufrechterhalten, da dies das Schlüsselloch stabilisiert, sodass es weniger turbulent und chaotisch ist. Dadurch wird das Spritzen reduziert und es werden konsistentere Ergebnisse erzielt. Wenn der Strahl das Ende der Schweißnaht erreicht, wird die Leistung des Rings vollständig abgeschaltet und die Leistung des Kerns stufenlos reduziert, um ein sauberes, gleichmäßiges Ende zu erzeugen.

Die gleiche Fähigkeit – das Erwärmungsprofil des Materials so anzupassen, dass die Stabilität und Gleichmäßigkeit des Schlitzes maximiert wird, sowie die Leistung am Ende der Schweißnaht zu erhöhen und zu verringern – bietet ähnliche Vorteile auch beim Schweißen anderer schwieriger Werkstoffe wie Aluminium und verzinktem Stahl. Außerdem ermöglicht sie das äußerst präzise Schweißen dünner, feiner oder wärmeempfindlicher Werkstoffe.

Die Logik der Überleistung

Einige Hersteller von Faserlasern geben an, dass ihre Produkte – ähnlich wie der Coherent ARM – 100 % der Gesamtleistung in den Kern- oder Ringstrahl umwandeln können, als wäre dies ein Vorteil. Das ist jedoch nicht der Fall – der ganze Reiz des ARM-Lasers liegt darin, dass er die Leistung zwischen Kern und Ring aufteilt und dadurch die Wärmezufuhr in das Werkstück so verteilt, dass bessere Ergebnisse erzielt werden als mit einem einzigen Strahl – genau wie im zuvor beschriebenen Beispiel des Schweißens von Kupfer. Warum sollte man sonst nicht einen standardmäßigen (und günstigeren) Ein-Strahl-Faserlaser verwenden?

Es wurden auch Bedenken geäußert, dass die Coherent-ARM-Architektur nicht „flexibel“ sei. Um diese Behauptung zu verstehen, muss man wissen, dass ARM-Laser tatsächlich aus zwei oder mehr Faserlasermodulen aufgebaut sind, von denen jedes entweder in den Kern oder in den Ring geschaltet ist, um unterschiedliche maximale Leistungsverhältnisse zu erreichen. (Im Betrieb lässt sich die Leistung in jedem dieser Module dann stufenlos von 0 % bis 100 % dieses Maximalwerts variieren.)

Die Anzahl der Module, die in den Kern und den Ring geschaltet werden, wird bei der Herstellung des Systems festgelegt. So kann ein ARM-Laser mit einer Leistung von 8 kW, der aus vier Modulen mit einer Leistung von jeweils 2 kW aufgebaut ist, mit drei verschiedenen maximalen Leistungsverhältnissen zwischen Kern und Ring konfiguriert werden. Diese betragen 6 kW/2 kW, 4 W/4 kW oder 2 kW/6 kW. Und diese Gesamtverhältnisse lassen sich nachträglich nicht mehr ändern, daher die angebliche „Unflexibilität“.

Die für den Laser eines bestimmten Kunden verwendete Konfiguration basiert jedoch auf Prozessversuchen, die lange vor dem Kauf des Lasers durchgeführt wurden. Diese legen die Leistungsstufen und Leistungsverhältnisse fest, die für die erfolgreiche Durchführung des angestrebten Produktionsvorgangs erforderlich sind. Und sie bieten ein ausreichend großes Prozessfenster, um alle Änderungen vornehmen zu können, die zur Anpassung an Prozessänderungen erforderlich sind (beispielsweise Änderungen bei den Rohstoffen zwischen einzelnen Chargen). Darüber hinaus lässt der jeweilige Laser in der Regel sehr viel Spielraum für nachträgliche Änderungen am Prozess selbst. Entscheidend ist, dass die Festlegung der richtigen Leistung und des richtigen Leistungsverhältnisses zu Beginn die Notwendigkeit späterer großer Änderungen der Laserleistung beseitigt.

Die Konkurrenz mag behaupten, dass das Produkt von Coherent kein „echter“ 8-kW-Faserlaser sei. Und sie haben Recht – es ist ein 8-kW-ARM-Faserlaser. Das bedeutet, dass er besser als jedes andere Gerät die Laserleistung genau so einsetzt, wie es für die jeweilige Aufgabe die besten Ergebnisse liefert. Und derselbe 8-kW-Faserlaser wird auch dann weiterhin bessere Ergebnisse liefern, wenn sich Ihre Anforderungen ändern oder weiterentwickeln.

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Quelle:coherent.com