Laserschweißen mit konzentrischen Brennpunkten erhöht die Produktivität - AWL-Techniek
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Laserschweißen mit konzentri-
schen Brennpunkten erhöht die
Produktivität
AWL ist immer auf der Suche nach vielversprechenden Innovationen, um neue Möglichkeiten
für Kunden im Bereich der Verbindungstechnik realisieren zu können. Eine neue Entwicklung
beim Laserschweißen ist das Schweißen mit konzentrischen Brennpunkten. Was sind die
Möglichkeiten dieser neuen Technologie und was können wir damit erreichen?
Von Wouter M. Zweers - Technology Manager bei AWL-Techniek
Laserschweißen, insbesondere mit Scheiben- und Grundmaterials in der Nähe der Schweißnaht kaum
Faserlasern, wird zunehmend in der Serienfertigung negativ beeinflusst. Die Schweißgeschwindigkeit
eingesetzt. Die metallverarbeitende Industrie kann in vielen Anwendungen bis zu 6 Meter pro
und die Automobilindustrie, auch vorangetrieben Minute betragen. Das ist sehr schnell im Vergleich
durch Elektrofahrzeuge, setzen zunehmend zu herkömmlichen Schweißtechniken, bei denen 1
Laseranwendungen ein. Meter pro Minute bereits eine hohe Geschwindigkeit
bedeutet. Wenn die Schweißgeschwindigkeit noch
Das Laserschweißen ist eine bekannte Technologie, weiter erhöht wird – was dank der Verfügbarkeit
die viele Vorteile bietet, aber natürlich auch von erschwinglichen Hochleistungslasern möglich
ihre Grenzen hat. Ursprünglich wurden in ist – tritt jedoch ein unerwünschtes Phänomen auf.
automatisierten Schweißprozessen hauptsächlich Der Schweißprozess wird instabil und die Spritzer
CO₂-Laser eingesetzt. In den letzten Jahren nehmen zu (Abbildung 1).
sind diese weitgehend durch Scheiben- und
Faserlaser ersetzt worden. Diese sind nicht nur
Spatter
effizienter, sondern haben auch den Vorteil, dass
das Laserbündel über ein Glasfaserkabel zum Metalldampf
Werkstück transportiert werden kann. Das macht
Schweißplatte
den Einsatz von industriellen Schweißrobotern Schlüsselloch
einfacher als bei Verwendung eines CO₂-Lasers.
Hohe Geschwindigkeit, mehr Spritzer
Ein großer Vorteil des Laserschweißens im Vergleich
zu herkömmlichen Schweißverfahren wie MIG/MAG-
Schweißen ist die hohe Schweißgeschwindigkeit
Abbildung 1
und die sehr schmale Wärmeeinflusszone
Laserschweißen erzeugt bei hohen Geschwindigkeiten Spritzer
(WEZ). Dadurch werden die Eigenschaften des
Quelle: Trumpf
Dieses Phänomen führt zu zwei Problemen: Erstens Einbrand beim Schweißen, der äußere Brennpunkt
verschlechtert sich die Schweißqualität durch für ein stabiles Schlüsselloch. Zusammen ergibt
Materialverlust aus dem Schweißbad und das dies einen reibungslosen Schweißprozess, der eine
Auftreten von Porosität. Zweitens verschmutzt die hohe Schweißgeschwindigkeit mit wenig Spritzern
Maschine sehr schnell, insbesondere das Schutzglas ermöglicht (Abbildung 3).
des Laserkopfes. Das Schutzglas ist ein einfaches
Glasfenster, das im Schweißkopf vor der teuren
Fokussierlinse sitzt, um diese zu schützen. Sie bildet
eine mechanische Barriere gegen Schweißspritzer. Zwei-in-Eins-Glasfaserkabel
Dieses Schutzglas sollte regelmäßig ausgetauscht
werden. Die Häufigkeit des Wechsels hängt vom
Spritzerverhalten des Schweißprozesses ab. Das
Innerer Kern des Lasers
Spritzerverhalten hat somit einen direkten Einfluss
Fokussierende Optik
auf die Verbrauchskosten der Maschine.
Um das Spritzerverhalten zu begreifen, ist es sinn- Äußerer Kern des Lasers
voll, den Schweißprozess im Detail zu untersuchen.
Beim Laserschweißen entsteht beim Tiefschweißproz-
ess durch das Laserlicht ein offenes Rohr im
geschmolzenen Material, das sogenannte „Keyhole“.
Um das Spritzerverhalten zu verstehen, ist Abbildung 2
es sinnvoll, den Schweißprozess im Detail zu Laserschweißen erzeugt bei hohen Geschwindigkeiten Spritzer
untersuchen. Beim Laserschweißen entsteht Quelle: Trumpf
beim Tiefschweißprozess durch das Laserlicht
ein offenes Rohr im geschmolzenen Material, Äußerer Kern des Lasers
das sogenannte „Keyhole“ (siehe Abbildung Innerer Kern des Lasers
Metalldampf
1). Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des
Schweißvorgangs zeigen, dass sich dieses Schlüsselloch
Schlüsselloch während des Schweißvorgangs
instabil bewegt und dass bei höheren
Schweißplatte
Schweißgeschwindigkeiten das Keyhole
zunehmend instabiler wird. Ab einer bestimmten
Geschwindigkeit wird es so instabil, dass das
Keyhole vorübergehend durch das flüssige Metall
Abbildung 3
verschlossen wird. In diesem Moment führt der
Laserschweißen mit konzentrischer Fokussierung hält das Schlüsselloch beim
Dampfdruck, der mit Gewalt aus dem Keyhole
Schweißen offen und verhindert Schweißspritzer
zu entweichen versucht, zu Spritzern. Dieses
Bron: Trumpf
unerwünschte Phänomen begrenzt die maximale
Schweißgeschwindigkeit. Auch für verzinkte Bleche und Kupfer
Neben einer höheren Schweißgeschwindigkeit gibt
Verschieben der Spritzergrenze es auch vielversprechende Ergebnisse beim Sch-
Eine aktuelle Innovation hat dafür gesorgt, dass weißen eines dünnen, verzinkten Blechs mit einer
diese „Spritzergrenze“ verschoben werden kann. Überlappungsnaht. Diese wird häufig in der Auto-
Durch das Schweißen mit nicht einem, sondern mobilindustrie verwendet. Die Herausforderung
zwei konzentrischen Brennpunkten bleibt das dabei ist, dass die Zinkschicht beim Schweißen von
Schlüsselloch auch bei höheren Geschwindigkeiten Stahl verdampft, weil der Siedepunkt von Zink nie-
offen, und es entstehen deutlich weniger Spritzer. driger ist als der Schmelzpunkt von Stahl. Wenn der
Dazu wird ein Glasfaserkabel mit einer Kern Zinkdampf, der zwischen den Blechen eingeschlos-
verwendet, um die eine zweite Kern wie ein sen ist, durch das Schweißbad entweicht, entstehen
schlauchförmiger Mantel geformt ist. Das Laserlicht Spritzer. Diesem Effekt wird durch die Anwendung
wird zwischen dem inneren Kern und dem äußeren des Laserschweißens mit konzentrischem Brenn-
Kern aufgeteilt, sodass der Schweißkopf daraus zwei punkt entgegengewirkt, da der Zinkdampf durch
konzentrische Brennpunkte bilden kann (Abbildung das offene keyhole kontrolliert entweichen kann.
2). Der innere Brennpunkt sorgt für einen tiefen
Umfangreiche Tests Kontact
Verschiedene Anbieter haben Laser mit Erfahren Sie mehr über Laserschweißen:
konzentrischen Fasern auf den Markt gebracht. www.awl.nl/de/themen/laserschweissen/
AWL hat in enger Zusammenarbeit mit Trumpf
Niederlande diese Technologie namens BrightLine Haben Sie Fragen zu diesem Artikel?
im AWL Experience Center implementiert. In diesem Fragen Sie Wouter.
Experience Center hat AWL die Möglichkeit, neue
Technologien zu testen und Forschungs- und Wouter M. Zweers
Testläufe für Kunden durchzuführen. Kunden Technology Manager
und Mitarbeiter werden hier geschult, und w.zweers@awl.nl
Studenten arbeiten hier an ihrem Praktikum LinkedIn: Wouter Zweers
oder ihrer Abschlussarbeit. Es stehen Roboter
und Schweißgeräte zur Verfügung, darunter
ein 8-kW-Scheibenlaser, kombiniert mit einem
Industrieroboter. In den nächsten Monaten wird
AWL das BrightLine-System ausgiebig testen, um
so zur Weiterentwicklung der Schweißtechnik
beizutragen.
Referenties
Referenzen
1. N. Speker, P. Haug, S. Feuchtenbeiner, T. Hesse,
D. Havrilla, Spritzerarmes
Spatter reducedHochgeschwindigkeitsschweißen
high speed welding with disk lasers,mit Scheibenlasern,
ICALEO 2017. ICALEO 2017.
2. TRUMPF, BrightLine Weld: Perfekte
Perfect welding
Schweißergebnisse
results in record
in Rekordzeit,
time, Company
Firmenbroschüre,
brochure, 2020.
2020.
3. M. Kogel-Hollacher, Intelligente
Smart solutions
Lösungen
for laser
fürprocessing
die Laserbearbeitung
– beam delivery
– Strahlführung
and sensor,und
Photonic
Sensor,
Technologies
Konferenz
4 intelligent
„Photonic Technologies
processing conference,
4 intelligent 2019.
processing“, 2019.
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