Grundlagenwissen Wie funktioniert Laserschweißen? Kosten & Vor- und Nachteile

Laserschweißen ist ein Fügeverfahren für Metalle. Wie alle Schweiß-Füge-Verfahren arbeitet das Laserschweißen mit punktuell eingeführter Wärme.

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Beim Laserschweißen werden zwei Bauteile miteinander gefügt. Dafür werden beide Seiten des anstoßenden Werkstoffs aufgeschmolzen. Die Schmelze fließt ineinander und stellt so den Fügeverbund her. Das Laserstrahlschweißen ist seit etwa 30 Jahren im Einsatz. Es war bislang punktuell im Einsatz und stand stets in harter Konkurrenz zu den traditionellen Schweißverfahren. Durch moderne, additive Produktionsverfahren wie dem 3D-Druck von metallischen Objekten gewinnt das Laserschweißen gegenwärtig rapide eine zunehmende Bedeutung.

Trumpf zeigt in diesem Video das Laserschweißen eines Thekensegments aus Edelstahl.

Geschichte des Laserschweißens

Der geistige Vater des Lasers ist niemand geringeres als Albert Einstein. Vor ziemlich genau 100 Jahren veröffentlichte er seine ersten Gedanken zum Thema Lichtbündelung. Es dauerte bis zum Jahr 1928 bis das erste Experiment zum Beweis von Einsteins Theorien gelang. Von dort an dauerte es aber nochmals 32 Jahre, bis im Jahr 1960 tatsächlich der erste Laserstrahl mit Hilfe eines Rubins erzeugt werden konnte. Der teure Rubin wurde bereits kurze Zeit später durch Gas ersetzt, was die Herstellung von Laser-Geräten deutlich billiger werden lies.

Das mehrteilige Video „Faszination Laser“ ist ein Film der Berthold Leibinger Stiftung über ein faszinierendes Werkzeug, wie es funktioniert, seine Geschichte und Anwendungen.

Berthold Leibinger gilt als einer der Wegbereiter des Lasers in der industriellen Anwendung. Er hat den Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf zum Weltunternehmen gemacht: Berthold Leibinger ist im Oktober 2018 kurz vor seinem 88. Geburtstag verstorben.

Optimierte Schutzgasanwendungen beim Laserschweißen

"Faszination Laser" Teil 2

"Faszination Laser" Teil 3

Air Liquide

Optimierte Schutzgasanwendungen beim Laserschweißen

Die Nutzbarmachung dieser neuen, faszinierenden Lichtform lies nicht lange auf sich warten. Zunächst brachten die Laser in der Messtechnik enorme Fortschritte. Erstmals war es möglich, präzise Messungen über riesige Entfernungen durchzuführen. So installierten beispielsweise die NASA-Astronauten einen Spiegel auf dem Mond. Mit dessen Hilfe und einem auf der Erde stationierten Laser konnte so der Abstand zwischen den beiden Himmelskörpern auf den Zentimeter genau ermittelt werden. Auch die ersten Versuche zum Laserstrahlschweißen entstanden bereits in den 1960er Jahren. Zunächst waren es aber die Laserschnitt-Verfahren, mit denen das neue Werkzeug überzeugen konnte.

Der DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren ist ein technisch-wissenschaftlicher Fachverband, der in allen Bereichen der Fügetechnik aktiv ist.

Der Lasercut ist die präziseste Art einen Werkstoff zu schneiden. Aufgrund seiner enormen Energiedichte ist das Lasercut-Vefahren sehr schnell. Nicht nur der Schnittspalt selbst ist äußerst gering. Auch die seitlichen Wärmeeinflusszonen fallen bei diesem Trennverfahren so minimal aus, dass sie in der Regel vernachlässigt werden können. Das unterscheidet den Laserschnitt beispielsweise vom Schneidbrennen. Die per Schneidbrenner getrennten Platten müssen in der Regel entgratet und anschließend abgefräst werden, um weiter verwendbar zu sein. Trotz der enormen Vorzüge in Präzision, Geschwindigkeit und Materialschonung hatte der Lasercut und das Laserschweißen lange Zeit ein Nischendasein. Eine nennswerte Verbreitung von Anlagen zum Laserschnitt und Laserstrahlschweißen fand erst Mitte der 1980er Jahre statt. Vorher waren diese Anlagen nur in Forschungsinstituten und Spezialfirmen im Einsatz.

Innovative Programmierung bringt Roboter-Schweißzelle auf Trab

Trumpf

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Allen voran waren es die Flugzeughersteller, die große Fortschritte mit diesem innovativen Trenn- und Fügeverfahren erreichen konnten. Hier spielt allerdings auch der in der Avionik standardmäßig verwendete Werkstoff eine treibende Rolle: Das auf Aluminium basierende Dural ist mit seinen gerade einmal 600° C Schmelztemperatur wesentlich einfacher zu verarbeiten als der im herkömmlichen Maschinenbau verwendete Stahl. Dieser braucht mit 1400° C Schmelztemperatur mehr als das Doppelte an Energie, um sich schmelzfügen zu lassen. Dennoch: Um auch im Stahlbau effizient Laserschweißanlagen einsetzen zu können, war der Umweg über das Aluminium-Schweißen geradezu ideal.

Heute ist das Laserschweißen zwar immer noch kein flächendeckend eingesetztes Standard-Schweißverfahren. Jedoch hat es seinen experimentellen Status längst hinter sich gelassen. Lohndienstleister und Blechverarbeiter setzen zunehmend auf dieses High-Tech verfahren, das mit Effizienz, Qualität und Präzision immer weiter überzeugen kann.

Weitere Informationen zum Verfahren Laserschweißen finden Sie hier.

Das vor knapp 10 Jahren flächendeckende Verfahren der additiven Fertigung findet mit dem Laserschweißen gegenwärtig seinen Höhepunkt. Der 3D-Druck war lange Zeit nur für Keramiken und Kunststoffe verfügbar. Um metallische Objekte per 3D-Druck herstellen zu können, blieb bis vor wenigen Jahren nur der Umweg über die Verwendung dieser Werkstoffe zur Herstellung von Gießkernen. Metallpulver-Laserschweißen ermöglicht aber nun die direkte Herstellung beliebig geformter Produkte im 3D-Druck. Diese Entdeckung gibt dem Laserschweißen gegenwärtig einen weiteren, enormen Schub nach vorne.

Rund um das Schweißen geht es bei den beiden Messen Schweisstec in Stuttgartund der Schweißen und Schneiden in Essen

Prozessüberwachung und Sicherheit beim Laserschweißen

Das Laserstrahlschweißen ist ein größtenteils automatisierter Prozess. Er ist nicht mit den Hand geführten traditionellen Schweißverfahren zu vergleichen. Das macht dieses Fügeverfahren zu einem sehr sicheren Produktionsschritt. Das Werkstück ist beim Laserstrahlschweißen fest in einer Vorrichtung eingespannt. Der Bediener hält in der Regel einen großen Abstand. Die einzige Gefahr, die bei diesem Verfahren für Anwesende besteht, ist den Laserstrahl versehentlich in die Augen zu bekommen. Dazu wurden spezielle Schutzbrillen entwickelt, die das eintreffende Laserlicht absorbieren, abdämpfen und zerstreuen. Solange alle anwesenden Personen auf ihre persönliche Schutzausrüstung achten, ist das Laserstrahlschweißen ein besonders sicheres Verfahren.

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Welcher Laser eignet sich für meine Blechbearbeitung?

Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen

Das Laserstrahlschweißen ist ein berührungsloses Fügeverfahren. Es wird grundsätzlich automatisiert durchgeführt. Moderne Laserstrahl-Schweißanlagen verfügen über ein integriertes Messystem, welches selbstständig die Abmaße des hergestellten Bauteils kontrolliert. Das macht diese Anlagen zu besonders präzisen Systemen, die eine gleich bleibende Qualität garantieren können.

gesponsertVorteile Kamerabasierter Nahtprüfung

Automatisiertes Schweißen und Löten mit optischer Nahtprüfung

Zwei Schweißverfahren in einem Prozess

Hybrid-Schweißen

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Kosten für eine Laserstrahl-Schweißanlage

Die Kosten sind nach wie vor der größte Nachteil dieser innovativen Verfahren. Es hängt stark davon ab, was und welches Material mit der Laserschweißanlage verarbeitet werden soll. Selbst einfache Micro-Anlagen die beispielsweise zum Gravieren von Eheringen verwendet werden, schlagen schon mit mehreren Tausend Euro zu Buche. Fabrikneue Hochleistungsanlagen kosten selten unter 100.000 Euro, eher mehr. Diesen Kosten steht eine exzellente Fertigungsqualität und eine hohe Produktivität gegenüber. Tatsächlich geht das Laserschweißen in der Regel in einer weitaus höheren Geschwindigkeit, als die herkömmlichen Elektro- oder Schutzgas-Schweißverfahren.

Richtige Spanntechnik macht Laserschweißen bei kleinen Losgrößen wirtschaftlich

Laser

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Wie funktioniert Laserschweißen?

Im Grunde ist das Schweißen per Laserstrahl besonders einfach: Zwei präzise auf Maß geschnittene Bleche werden aneinander gehalten. Der Laser bringt die Ränder der Blechkanten zum Schmelzen. Die Schmelze fließt ineinander - fertig ist der Fügeverbund.

Der VdLB Verband deutscher Laseranwender – Blechbearbeitung e.V. ist eine Interessenvertretung von Inhabern, Geschäftsführern und betrieblichen Führungskräften aus dem umfangreichen Markt der Materialbearbeitung – in diesem Falle Blech. Ziel ist es, ein positives Zusammenwirken zum Nutzen aller Beteiligten zu erreichen. Kooperation, Erfahrungsaustausch durch intensiven Dialog, technische Informationen und Weiterbildung stehen dabei im Vordergrund.

Aluminiumbleche werden durchgehend verschweißt. Bei Stahlblechen, insbesondere bei dickeren Querschnitten, geht dem Nahtschweißen ein Heftschweißen voraus. Die Anheftungen stabilisieren die Blechteile zueinander und garantieren eine gleich bleibende Präzision beim Fügen.

Weitere Informationen zum Laser finden Sie hier.

Bestandteile einer Laserschweißanlage

Eine Laserschweißanlage besteht aus der Laseroptik, einer motorischen Führung und ggf. einem Arbeitstisch. In jedem Fall müssen die zu verschweißenden Halbzeuge fest eingespannt sein, um eine präzise Fügung zu ermöglichen. Man unterscheidet deshalb zwischen mobilen und stationären Laserschweißanlagen. Bei mobilen Laserstrahl-Schweißanlagen wird das Gerät an ein Produkt heran geführt. Stationäre Laserschweißanlagen verfügen über den Arbeitstisch mit Spannvorrichtung. Das Einlegen und Einspannen geschieht bei den stationären Laserschweißanlagen wahlweise motorisch oder automatisch. Die Größe des Arbeitstisches begrenzt jedoch die Dimensionen der zu verarbeitenden Produkte. Neben der Schweißoptik und den präzise arbeitenden Servos des Roboterarms ist die Steuerung der wichtigste Bestandteil einer Laserstrahl-Schweißanlage. Sie führt den Arm zu den vorgesehenen Stellen und regelt Dauer und Intensität des Laserstrahls.

Laserschneiden und -schweißen in einer Aufspannung

Weil Engineering auf der Tube 2018

Laserschneiden und -schweißen in einer Aufspannung

Die ideale Ergänzung zu einer Laserschweißanlage ist eine Laserschneidanlage. Die präzisen Lasercut-Formteile bieten genau die exakte Geometrie, mit der eine Laserstrahl-Schweißanlage die bestmöglichen Ergebnisse produzieren kann.

Rund um den Laser als Werkzeug geht es bei den Messen Lasys in Stuttgart und der Laser World of Photonics in München.

Welche Geschwindigkeit ist beim Laserschweißen möglich?

Neben der Präzision und dem geringen Wärmeeintrag ist die Arbeitsgeschwindigkeit einer der herausragenden Eigenschaften des Laserschweißens. Unter idealen Umständen, der langen, gerade Endlos-Naht, können bis zu 60 m/Minute an Schweißgeschwindigkeit erreicht werden. Da die Intensität des Laserstrahls variiert werden kann, ist der Werkstoff für die Arbeitsgeschwindigkeit einer Laserschweiß-Anlage weniger entscheidend. Selbst dicke Bleche können mit diesen Verfahren in sekundenschnelle präzise miteinander verfügt werden.

Alles im Griff – Laserschweißen vom Rohr-Halbzeug bis zum Türgriff

Rofin

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Welche Temperatur wird beim Laserschweißen erzeugt?

Um einen Werkstoff schweißen zu können, muss eine Temperatur knapp über seinem Schmelzpunkt erreicht werden. Bei den herkömmlichen Schweißverfahren ist die Schmelztemperatur des Werkstoffs deshalb ein limitierender Faktor: Es lässt sich nicht jeder Werkstoff mit jedem Schweißverfahren verarbeiten. Lediglich das Elektroschweißen hat einen gewissen Spielraum, welche Punktwärme es an seinen Elektroden abgeben kann. Beim Laserstrahlschweißen ist dies anders: Von allen Schweißverfahren bietet es im Punkt Schweißtemperatur die größte Flexibilität. Um die Bandbreite der durch Laserstrahlschweißen verarbeitbaren Werkstoffe zu verdeutlichen, hier eine Überblick über verbreitete angewendete Materialien und ihre Schmelzpunkte:

• Kunststoff: 150 bis 350 °C

• Aluminium: 600°C

• Glas: 600 bis 800°C

• Kupfer: 1085 °C

• Stahl: 1400 °C

In der Praxis werden zwar beim Laserstrahlschweißen wesentlich höhere Temperaturen eingebracht. Dennoch zeigt dieses Spektrum deutlich, wie variabel dieses Fügeverfahren ist.

Vorteile des Laserschweißens:

• Hohe Präzision

• Verwindungsfreiheit

• Hohe Fügegeschwindigkeit

• Keine Gratbildung

• Gleich bleibende Qualität

• Große Materialtoleranz

Die gleichbleibend hohe Präzision beim Laserschweißen ist seine herausragende Eigenschaft. Neben der besonders feinen Naht ist der geringe Temperatureintrag der wichtigste Faktor bei diesem Vorteil. Im Gegensatz zum Schutzgas-Schweißen, bei dem langsam gearbeitet und viel Wärme eingetragen wird, geschieht das Laserschweißen extrem schnell und minimal-invasiv. Dadurch wird das Grundmaterial nicht durchgewärmt. Eine punktuelle Wärmeausdehnung findet deshalb nicht statt, was ein Verziehen der Konstruktion nach dem Erkalten ebenfalls vermeidet. Eine Nachberabeitung der verschweißten Konstruktion auf einer Richtbank entfällt daher beim Laserstrahlschweißen.

Faszination Schweißen

Schweißen & Schneiden 2017

Faszination Schweißen

Der gleichmäßige, gepulste Strahl sorgt beim Laserschweißen auch für eine besonders saubere Naht. Schweißperlen oder Grate, wie sie beim Schutzgas- oder Elektroschweißen häufig unvermeidlich sind, bleiben bei diesem Fügeverfahren aus. Schließlich lässt sich jedes schweißbare Material auf einer Laserschweißanlage verarbeiten. Von allen Fügeverfahren bietet das Laserschweißen die größte Bandbreite an verarbeitbaren Werkstoffen. Glas oder Kunststoff sind beispielsweise mit keinem anderen Verfahren überhaupt fügbar.

Weitere Informationen zu den Vorteilen des Laserschweißens finden Sie hier.

Nachteile des Laserschweißens

Ein großer Nachteil beim Laserstrahlschweißen sind die hohen Kosten für die Anlagen. Die Investition muss sehr gut überlegt sein. Der ROI sollte bereits vor dem Kauf einigermaßen gesichert sein, sonst kann eine Laserschweißanlage schnell zu einem Verlustgeschäft werden. Sollte ein Lohndienstleister deshalb überlegen, eine Laserschweißanlage in seinen Maschinenpark aufzunehmen, ist ein entsprechend hohes Investieren in eine passende Marketing-Kampagne empfehlenswert. Dem Laserschweißen kommt entgegen, dass die Ansprüche der Kunden bei den Toleranzen in der Fertigung immer weiter steigern. Es ist absehbar, dass für viele Anwendungen die herkömmlichen Schweißverfahren nicht mehr in Frage kommen. Eine Investition in das Laserschweißen ist deshalb zwar immer noch ein Risiko, jedoch wird es immer überschaubarer.

Ein limitierender Faktor beim Laserschweißen ist die Anwendung: Die Bedienung von einer Laserschweißanlage ist vergleichbar mit der einer CNC-Fräse. Zwar können durch Fehlbedienung nicht so enorme Schäden entstehen wie bei einer falsch programmierten Zerspanungsmaschine. Dennoch bedarf es einer fundierten Ausbildung, einem mathematisch-technischem Vorwissen und einer gründlichen Einarbeitung, um wirklich effizient mit einer Laserschweißanlage umgehen zu können.

Die gesundheitlichen Gefahren sind hingegen beim Laserstrahlschweißen überschaubar. Dass zum Laserschweißen von Aluminium eine leistungsstarke Absaugung gehört, ist selbstverständlich. Ebenso sollte bekannt sein, dass man Abstand zu motorisch betriebenen Kinematiken hält. Ein Mitarbeiter hat sich aus dem Arbeitsbereich eines tätigen Roboterarms fern zu halten. Dies ist Grundwissen im Umgang mit modernen, automatisierten Fertigungsprozessen. Schließlich gehört zum Laserschweißen grundsätzlich das Tragen einer Laser-Schutzbrille. Damit werden Unfälle durch eintreffendes Laserlicht in das Auge zuverlässig vermieden. Solange diese Sicherheitsregeln eingehalten werden, geht vom Laserschweißen keine besondere Gefahr aus.

Dicke Bleche für leichte Schiffe: Stahl an Aluminium laserschweißen

Laserschweißen

Dicke Bleche für leichte Schiffe: Stahl an Aluminium laserschweißen

Was gilt es zu beachten beim Laserschweißen der folgenden Materialien und Werkstoffe?

Laserschweißen von Metallblechen

Das Schweißen beschreibt das Fügen von Werkstoffen durch Wärmeeintrag. Dünne Bleche lassen sich grundsätzlich besser vollflächig Nahtschweißen als Dickbleche. Das Laserschweißen kann heute bereits erstaunliche Materialstärken verarbeiten. Aufgrund seiner variablen Schweißtemperatur ist es gegenüber den einzelnen Metallsorten relativ unempfindlich. Gleichgültig ob Edelstahl, Baustahl, Kupfer oder andere Blechsorten verschweißt werden sollen, das Laserstrahlschweißen bewältigt dies mit der gleich bleibenden Präzision. Die einzigen Voraussetzungen sind ein ausreichend enger Schweißspalt und eine präzise eingestellte Schweißtemperatur und -frequenz. Ist der Fügespalt zu groß, kann per Auftrags- oder Füllschweißen auch mit den Laserschweiß-Verfahren noch ein zufrieden stellendes Ergebnis erreicht werden.

Laserschweißen von Aluminium

Beim Laserstrahlschweißen von Aluminium kann nur eine Aluminium-Mangan-Legierung ohne Zusatzwerkstoff verschweißt werden. Alle anderen Legierungen lassen sich nur mit Zusatzstoffen Laserschweißen. Das gilt vor allem für die Aluminium-Silizium Verbindungen. Nur bedingt per Laserschweißen verarbeitbar sind Aluminium-Legierungen mit Mangan.

Laser-Anwender-Forum in Bremen wächst

Bias

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Anwendungsgebiete für das Laserschweißen

Das Laserstrahlschweißen findet eine immer breitere Anwendung. Typische Gebiete sind:

• Werkzeugbau

• Automobilindustrie

• Stahlbau

• Schiffbau

Das Laserschweißen ist im Werkzeugbau vor allem wegen seiner Präzsion so beliebt. Es steht damit in direkter Konkurrenz zum Erodier-Verfahren. Das Herstellen präziser Stanz-, Press- und Gusswerkzeuge per additiven oder subtraktiven Laserschweißen ist die Antwort auf die Herausforderungen der Industrie 4.0.

In der Automobilindustrie überzeugt das Laserschweißen wegen seiner werkzeuglosen Arbeitsweise. Anders als beim Elektroschweißen müssen beim Laserschweißen nichts ständig die Köpfe gereinigt oder getauscht werden. Der Stahlbau erlebt durch das Laserschweißen ganz neue Dimensionen in Sachen Präzision und Produktivität. Schnelle Verabreitung von Dickblechen in höchsten Toleranzen sind durch das Laserstrahlschweißen keine Fiktion mehr. Dies gilt ebenso für den Schiffbau: Hier sind es vor allem die auf Präzsision gefertigten Teile wie Ruder, Steuer- und Antriebsschrauben, die durch das Laserschweißen ihre gewünschte Toleranz erreichen. Das Ergebnis sind höhere Geschwindigkeiten und niedrigerer Kraftstoffverbrauch der Schiffe.

Laserschweißen von Kabelführungsrohren senkt die Kosten im Vergleich zum Löten

Laserschweißanlagen gebraucht kaufen

Gebrauchte Maschinen kaufen und verkaufen

Aufgrund des werkzeuglosen Verfahrens beim Laserschweißen ist der Verschleiß in den Anlagen vergleichsweise gering. Beim Laserschweißen fährt der Werkzeugkopf praktisch berührungslos die gewünschte Bahn entlang. Der Übertrag auf das Werkstück geschieht durch die Luft. Führung und Lager des Roboterarms ist deshalb kaum einem wirklichen Verschleiß ausgesetzt. Was jedoch enormen Belastungen ausgesetzt ist, ist die Laser-Optik. Hier werden die hohen Temperaturen durch das Bündeln des Lichts erzeugt. Wenn besonders preiswerte Anlagen zum Laserschweißen angeboten werden, hat diese meistens die fehlende oder defekte Optik als Ursache. Es bleibt dann eine Kalkulationssache: Mit frischer Optik und überholtem Laser-Generator ist eine gebrauchte Anlage zum Laserschweißen annähernd neuwertig.

Noch mehr Wissen zum Schweißen können Sie in der Fachbuchreihe des DVS nachlesen.

Außerdem empfehlenswert ist das Fachbuch „Schweißen mit Laser“.

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