Einleitung – Historische Entwicklung des Laserschweißens

Die ersten Laborversuche zum Laserschweißen fanden kurz nach der Entwicklung der ersten Laserprototypen Anfang der 1960er Jahre statt. Deutlicher setzten sich die Anwendungen des Laserschweißens jedoch erst nach der Erfindung des Nd:YAG-Lasers im Jahr 1964 und mit der schrittweisen Steigerung der Leistungen von CO₂-Lasern durch, zunächst in Laboren und gegen Ende der 1960er Jahre auch im industriellen Einsatz. Zu dieser Zeit und in den folgenden Jahrzehnten wurden zum Schweißen auch CO₂-Laser eingesetzt, vor allem aufgrund der höheren absoluten Leistungen, die damit erreicht wurden. Ein Nachteil von CO₂-Lasern für Schweißanwendungen ist die Tatsache, dass die Absorption der meisten Konstruktionswerkstoffe im Wellenlängenbereich des CO₂-Lasers (10,6 µm) im Vergleich zu Festkörperlasern mit einer Wellenlänge von ca. 1,06 µm relativ gering ist. Siehe die Diagramme zur Materialabsorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge, die im vorherigen Teil der Serie vorgestellt wurden. Der Wirkungsgrad von CO₂-Lasern ist zudem aufgrund ihres Funktionsprinzips um eine Größenordnung geringer als beispielsweise bei Faserlasern. Ein großer Vorteil von Festkörperlasern ist zudem die Möglichkeit, den Strahl über eine optische Faser zur Schweißstelle zu leiten, im Gegensatz zu den komplizierten Spiegelanordnungen, die bei der Strahlführung eines CO₂-Lasers erforderlich sind.

Vorteile des Laserschweißens

Mit der Weiterentwicklung und Leistungssteigerung von Festkörperlasern (insbesondere Faserlasern) in den letzten zehn Jahren hat das Laserschweißen eine relativ rasante Entwicklung erlebt. Dies ist zum Teil auf die Entwicklung leistungsstärkerer und neuer Lasertypen zurückzuführen, zum Teil aber auch auf den breiteren Einsatz neuer, moderner Werkstoffe, die mit anderen Verfahren nur schwer zu schweißen sind. Zu dieser Entwicklung haben in nicht unerheblichem Maße auch die steigenden Anforderungen an die Steigerung der Produktionsproduktivität und die Wiederholbarkeit des technologischen Prozesses beigetragen. Der Hauptvorteil des Laserschweißens liegt in der Qualität der Schweißnaht, der größeren Durchschweißtiefe, der deutlich geringeren Wärmeeinflusszone (HAZ – Heat Affected Zone), hohe Produktivität, einfachere Automatisierbarkeit und nicht zuletzt das Oberflächenbild sowie das Schweißen ohne Zusatzwerkstoff.

Andere Schweißverfahren

Das bedeutet jedoch nicht, dass auch andere (klassische) Schweißverfahren keinen festen Platz in industriellen Anwendungen haben. Beispielsweise das Elektronenstrahlschweißen in der Luftfahrtindustrie – die Schweißnahtqualität ist im Allgemeinen besser, obwohl die Anschaffungs- und Betriebskosten höher sind und die Schweißgeschwindigkeit deutlich geringer ist. Im Gegensatz dazu ist das Schweißen mit WIG- und MIG-Verfahren für die meisten gängigen Anwendungen im Maschinenbau völlig ausreichend, und die Anschaffungs- und Betriebskosten sind deutlich niedriger. Die jeweilige Anwendung, die Anforderungen an Automatisierung und Positionierung, die Schweißnahtkonstruktion und nicht zuletzt die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen bestimmen somit im Voraus den Einsatz der geeigneten Schweißtechnik.

Neben dem Schweißen von metallischen Werkstoffen und Legierungen wird der Laser auch erfolgreich beim Schweißen nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere verschiedener Kunststoffe, eingesetzt. Auf diese Thematik wird jedoch in einem speziellen Teil unserer Serie eingegangen.

Das Prinzip des Laserschweißens

In der folgenden Abbildung sind zwei grundlegende Prinzipien bzw. Mechanismen des Laserschweißens schematisch dargestellt.

Beim Wärmeleit-Schweißen (linker Teil der Abbildung) wird das Material durch Absorption und Wärmeleitung des einfallenden Laserstrahls geschmolzen. Dieses Verfahren ermöglicht das Schweißen nur bis zu relativ geringen Einbrandtiefen. Allerdings kann die Schweißgeschwindigkeit höher sein, und für manche Anwendungen ist das Verhältnis von Einbrandtiefe und Schweißgeschwindigkeit zufriedenstellend. Dies gilt insbesondere in Fällen, in denen die Schweißgeschwindigkeit wichtiger ist als eine schmale und tiefe Einbrandtiefe.

Durch Erhöhung der Leistungsdichte erreichen wir einen kritischen Wert (empirisch: 1–5 × 10⁶ W/cm²), bei dem es zur Bildung von Metalldämpfen über der Oberfläche des zu schweißenden Materials kommt. Zusammen mit der Einwirkung der hohen Flächenenergie des fokussierten Laserstrahls entsteht dann Plasma, und es kommt zu einer tiefen Durchschweißung. Der Laserstrahl erzeugt eine Kapillare, deren Durchmesser das 1,5- bis 2-fache des Durchmessers des Laserstrahlfokus beträgt. Der Druck der aus der Kapillare austretenden Gase verhindert dann deren Verschluss. Das Plasma über der Materialoberfläche beeinflusst wiederum die Form der Kapillare. Von den Wänden der Kapillare gelangt die vom Laserstrahl eingebrachte Energie anschließend durch Wärmeleitung in die Schmelze und weiter in das feste Material. Durch diesen Prozess kann der Laserstrahl tief in das Material eindringen und ein sogenanntes „Keyhole“ erzeugen. (Anmerkung: Die deutsche Übersetzung „Schlüsselloch“ wäre hier wohl nicht ganz passend, daher behalten wir den englischen Begriff bei.) Dadurch wird – auch dank der mehrfachen Reflexion im Inneren der Kapillare – die Absorption am Auftreffpunkt des Laserstrahls deutlich verbessert. So entsteht eine relativ schmale und tiefe Schweißnaht. Dies ist dann der Hauptgrund dafür, dass der Laserstrahl schmaler ist als die erwartete und theoretische Bahn des Laserstrahls hinter seinem eigentlichen Brennpunkt. Bei der Bewegung des zu schweißenden Materials selbst oder des fokussierten Laserstrahls entsteht eine Schweißnaht.

Der eigentliche Schweißprozess und seine Stabilität hängen von vielen Eingangsparametern ab:

Die Energieeinbringung des Laserstrahls wird beim Laserschweißen durch das Schutzgas (Assistenzgas) positiv beeinflusst. Allgemein verwendete Schutzgase (Ar, N₂, CO₂ oder He) erhöhen und stabilisieren den Absorptionsgrad des laserinduzierten Plasmas. So kann die Energie des Laserstrahls nach der Plasmabildung fast vollständig in das Material eindringen und somit den Effekt des tiefen Durchschweißens – Keyhole – verstärken. Zudem dient das Schutzgas gleichzeitig dazu, die abkühlende Schmelze vor Oxidation zu schützen. Einige Werkstoffe lassen sich jedoch auch ohne Schutzatmosphäre schweißen, sofern die Plasmaentstehung dies zulässt und eine Oberflächenoxidation akzeptabel ist.

Schweißbarkeit von Werkstoffen

Unter Berücksichtigung der oben genannten Punkte spielt auch die Kombination der zu schweißenden Werkstoffe eine entscheidende Rolle. In der folgenden Tabelle sind grundlegende empirische und Richtwerte aufgeführt. Diese gelten im Wesentlichen auch für Legierungen dieser Grundwerkstoffe. In der angegebenen Tabelle werden weitere Anforderungen an die Schweißnähte selbst, d. h. z. B. hinsichtlich der Festigkeit der Schweißnähte, der Dichtheit, des Aussehens usw., nicht näher berücksichtigt.

  Al Ag Au Cu Pd Ni Pt Fe Be Ti Cr Mo Te W
Al V                          
Ag U U                        
Au U V V                      
Cu U U V V                    
Pd   V V V                    
Ni U   V V V V                
Fr   Fr V V V V V              
Fe     U U D D D V            
Be     U U U U   U            
Die U U U U U U U U   V        
Cr     U   D D V V   D        
Mo           U V D   V V      
Te         D D U U   V   V    
W         U U D U   U V V V V

V – sehr gut, D – gut, U – befriedigend

Mit welcher Art von Laser sollte geschweißt werden (und mit welcher Leistung)?

Bei metallischen Werkstoffen eindeutig mit einem Festkörper- bzw. Diodenlaser mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich (ca. 800–1070 nm). Eines der Hauptargumente ist zweifellos die geringe HAZ. Und gegebenenfalls auch die hohe Effizienz von Festkörperlasern. Vor allem von Faserlasern.

Weitaus wichtiger als die eigentliche Laserleistung (bei Dauerstrichlasern) oder die Energie pro Impuls (bei gepulsten Lasern) ist die sogenannte Leistungsdichte bzw. Energiedichte. Das heißt, auf wie kleinen Punkt wir die Leistung bzw. Energie der jeweiligen Laserquelle bündeln können. Neben vielen anderen Parametern, die in den Prozess des Laserschweißens einfließen und in den vorangegangenen Absätzen aufgeführt wurden.

Wie aus dem vorangegangenen Absatz hervorgeht, lassen sich Festkörperlaser (Nd:YAG, Scheibenlaser, Faserlaser) aufgrund ihrer Beschaffenheit in gepulste und kontinuierlich strahlende Laser unterteilen. Jeder von ihnen hat seinen eigenen, einzigartigen Anwendungsbereich in der Industrie. Dieses Thema wurde in den vorherigen Teilen dieser Serie ausführlicher behandelt.

Nd:YAG-Laser – gepulst und kontinuierlich (CW)

Der Ausgangsstrahl kann von der Laserquelle in mehrere optische Ausgangsfasern geleitet werden, zwischen denen umgeschaltet werden kann, und/oder die Ausgangsleistung der Laserquelle selbst kann in einem definierten Verhältnis auf die einzelnen optischen Fasern aufgeteilt werden. Lampengepumpte gepulste Nd:YAG-Laser nehmen in vielen industriellen Anwendungen des Laserschweißens nach wie vor einen unersetzlichen Platz ein, vor allem dank einer Pulsenergie von bis zu 70 Joule.

Derzeit werden kontinuierliche Nd:YAG-Laser von keinem größeren Laserhersteller mehr produziert und wurden in allen Anwendungen durch Faserlaser ersetzt. Eine Ausnahme bilden die sogenannten Scheibenlaser, die im nächsten Absatz beschrieben werden.

Scheibenlaser

Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um eine Modifikation des Nd:YAG-Lasers mit einer einzigartigen Lösung für den Laserresonator selbst und dem Ersatz des aktiven Mediums in Form eines Stabs durch eine dünne Scheibe mit deutlich kleineren Abmessungen und einem vorteilhafteren Pumpprinzip mittels eines Feldes aus Laserdioden.

Infolgedessen wurde auch die Qualität des Laserausgangsstrahls im Vergleich zu kontinuierlichen Nd:YAG-Lasern deutlich verbessert. Das Prinzip des Lasers selbst ist zweifellos einzigartig und hat zum Zeitpunkt seiner Entstehung gewisse Anerkennung verdient; allerdings ist dieses Prinzip in der mechanischen Fertigung relativ aufwendig, und die Effizienz selbst ist im Vergleich zu Nd:YAG-Lasern nicht wesentlich höher. Derzeit wird dieser Lasertyp nur von einem einzigen Unternehmen angeboten. Vermutlich liegt das daran, dass dieses Unternehmen den Entwicklungsschritt im Bereich der Faserlaser verpasst hat. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis diese Lasertypen aus dem Angebot des ungenannten Unternehmens verschwinden und durch Faserlaser ersetzt werden.

Diodenlaser

In den letzten Jahren kommen für bestimmte Anwendungen zunehmend Diodenlaser bzw. Laser-Dioden-Arrays zum Einsatz. Dies geschieht entweder durch direkte Strahlführung in die Fokussieroptik oder durch den Anschluss an eine optische Faser. Der Bereich, in den der Strahl fokussiert werden kann, ist im Vergleich zu klassischen Lasern größer, weshalb diese Laser vor allem zum Schweißen, zum Auftragen von Materialien und zum Oberflächenhärten eingesetzt werden. Dank der kürzeren Wellenlängen (808 nm, 940 nm) lassen sich diese Laser auch erfolgreich beim Schweißen bestimmter Kunststoffe einsetzen. Ein weiterer großer Vorteil ist der hohe Wirkungsgrad sowie das geringe Gewicht und die kompakten Abmessungen, was eine geeignete Kombination mit robotergestützten Arbeitsplätzen ermöglicht. 

Faserlaser

In den letzten rund 10 Jahren findet im Bereich der industriellen Lasertechnologien eine recht interessante Diskussion statt, die sich in der Anzahl der installierten Lasersysteme mit verschiedenen Laserquellen widerspiegelt: Faserlaser im Vergleich zu CO₂-Lasern, Nd:YAG-Lasern und Scheibenlasern. Es ist offensichtlich, dass gepulste Nd:YAG-Laser nach wie vor einen unersetzlichen Platz in industriellen Schweißanwendungen einnehmen. Es ist kein Zufall, dass kontinuierliche Nd:YAG-Kilowatt-Laser aus den Produktportfolios aller führenden Laserhersteller verschwunden sind. Ebenso nehmen die Anwendungen im Bereich des Schweißens mit CO₂-Lasern ab.

Es handelt sich um einen einzigartigen Lasertyp, bei dem die Strahlenerzeugung im Inneren einer mit Seltenen Erden dotierten optischen Faser stattfindet. Solche Generatoren bieten im Vergleich zu klassischen Systemen eine ganze Reihe von Vorteilen:

Bereits heute sind bewährte und voll funktionsfähige Systeme mit Leistungen von bis zu 50 kW handelsüblich. Dabei ist ihre Größe mit der eines Getränkeautomaten vergleichbar. Selbst die im Vergleich zu anderen Lasertypen höheren Anschaffungskosten stehen einem breiteren Einsatz bereits heute nicht mehr im Wege.

Fazit

Es ist unbestritten, dass sich das Laserschweißen in den Industrieländern dauerhaft etabliert hat, und es ist erfreulich, dass es auch in Tschechien nicht nur bei Technologen, sondern auch bei den Konstrukteuren selbst Anklang findet. Es ist heute nichts Ungewöhnliches mehr, wenn in einer Produktzeichnung direkt eine Schweißnaht mittels Lasertechnik vorgeschrieben wird. In vielen Fällen ist es bereits bei der Konstruktion des Produkts erforderlich, die entsprechende Schweißnaht unter Berücksichtigung des Lasereinsatzes zu entwerfen.

Im nächsten Teil „Laserschweißen II“ unserer Serie werden einige spezielle Aspekte des Laserschweißens und vor allem bestimmte konkrete Anwendungen behandelt; außerdem werden einige praktische Erfahrungen in Bezug auf konkrete Situationen vorgestellt.