FAQ Laserbearbeitung – Stand November 2015
Vorwort
Dieses FAQ soll dem interessierten Leser einen kurzen Überblick über das weite Feld der industriellen Laserbearbeitung geben. Aufgrund der weitreichenden Einsatzgebiete der Laserstrahlung in den verschiedensten Branchen und Bereichen sind hier nur die wichtigsten Informationen, Anwendungsfelder und Verfahren genannt und knapp erklärt.
Sollten Sie weitergehende Fragen rund um die Laserbearbeitung haben, stehen Ihnen unsere Laserexperten jederzeit gerne beratend zur Verfügung. Nehmen Sie einfach Kontakt mit uns auf.
1.1 Laserschweißen, Laserfeinschweißen, Lasermikroschweißen, Laserkunststoffschweißen
1.2 Laserschneiden, Laserfeinschneiden, Laserschmelzschneiden, Laserbrennschneiden
1.3 Laserbohren, Lasermikrobohren
1.4 Laserumschmelzen, Laserentgraten, Laserverrunden
1.5 Laserabtragen, Laserstrukturieren, Laserabgleichen, Laserritzen, Lasergravieren
1.6 Laserabisolieren, Laserreinigen, Laserbeschriften
1.7 Laserlegieren
1.8 Laserpulverbeschichten, Laserpulverauftragsschweißen, Laserdrahtbeschichten
1.9 Lasergaslegieren LCVD
1.10 Lasersintern
1.11 Laserhärten (partiell)
1.12 Laserlöten
1.13 Laserwarmzerspanen (Fräsen, Drehen)
1.14 Flexible Blechumformung, biegen (kalibrieren) von Federn
Für praktisch alle Materialien gehört heutzutage das Laserschweißen wegen der genau definierten Schmelzbadgeometrien, zu den am weitesten verbreiteten Verfahren. Durch geeignete Steuerung der Schweißparameter lassen sich tiefe, schlanke oder flache und breite Schweißnahtprofile erzeugen. Dabei hat die Laserleistung einen entscheidenden Einfluss auf die möglichen Schweißgeschwindigkeiten und damit auf das aufgeschmolzene Nahtvolumen und die Nahtausformung.
Nachstehende Tabelle zeigt die Einflüsse der Laserparameter:
Strahlparameter Auswirkung
Pulsleistung Schweißtiefe Pulsdauer Breite ,Tiefe Pulsenergie Schmelzvolumen, Pulsfrequenz Wärmeeinbringung mittlere Leistung Pulsfolge, Bearbeitungszeit Pulsform Beeinflussung der Abkühlrate der Schmelze, Gleichmäßigkeit der Naht, Wärmeeinflusszone, Bearbeitungsgeschwindigkeit Fokuslage Schweißfleckdurchmesser, Schweißtiefe, Gleichmäßigkeit der Naht Wellenlänge Reflexion der Laserstrahlung
Bearbeitung der Werkstücke ohne mechanischen Kontakt Das Werkzeug Laser verschleißt nicht Bearbeitung auch an schwer zugänglichen Stellen, beispielsweise in Vertiefungen Bearbeitung in beliebiger Lage Bearbeitung auch durch ein durchsichtiges Medium wie Glas möglich Bearbeitung unter Schutzgas mit Über- oder Unterdruck Minimale wärmebeeinflusste Zone – geringer Wärmeverzug Laserkonturen und Schweißparameter frei programmierbar und schnell änderbar In der Regel keine oder geringe Werkzeugkosten
Nachteile:
Hohe Kosten für Anlagen, Energie und Prozessgase Expertenwissen notwendig
Der erreichbare Fokusdurchmesser wird durch folgende Gleichung definiert.
Fokusdurchmesser = (Brennweite des Objektivs / Brennweite der Kollimation) x Kerndurchmesser des Laserlichtkabels
Die Beobachtung der Schweißstelle mit einem Okkular oder einem Kamerasystem wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel zwischen der Kollimation und dem Objektiv ermöglicht.
Stumpfstoß mit I-Naht Überlappstoß mit Kehlnaht Überlappstoß mit I-Naht T-Stoß mit Kehlnaht Stirnflächennaht Etc.
Die Vorbereitung der Fügestelle hat einen großen Einfluss auf die Qualität der Schweißverbindung. Bei Spalten größer als 1/10 der Blechdicke kann die erzeugte Schmelze den Spalt nicht füllen, so dass Nahtfehler in Form von Lunkern oder Spritzer entstehen. Zusätzlich kann die Schmelze nach unten wegsacken, es können sich starke Nahteinfälle bilden oder der Laserstrahl koppeln nicht ins Material ein.
Oxydschichten können die Reflexion vermindern, wenn sie direkt vom Strahl getroffen werden. In der Fuge können sie jedoch zu Spritzer- und Lunkerbildung führen.
Je nach Werkstoff und Nahtform werden zur Optimierung der Schweißnaht Stickstoff (Austenitische CrNi-Edelstähle), Argon (für Titan und titanhaltige Werkstoffe), Helium (für Aluminium) oder entsprechende Gemische verwendet. Kupfer und Kupferlegierungen werden in der Regel ohne Schutzgas geschweißt.
Entlang der vorgegebenen Kontur wird dabei das Material durch den Laserstrahl aufgeschmolzen und mit dem Schneidgas und mit dem unter bis zu 18 bar Druck stehenden Schneidgas nach unten ausgeblasen oder aufgrund der hohen Pulsleistung und des hohen Druckes unmittelbar verdampft und ausgetrieben.
Zum Vermeiden von Überhitzungen in filigranen Bereichen z. B. Ecken muss proportional zur Schneidgeschwindigkeit die Laserleistung reduziert werden. Dies kann soweit führen, dass bei Arbeiten im cw-Dauerstrich-Modus an den Ecken in den gepulsten Betrieb übergegangen werden muss. Die ins Material eingebrachte gepulste Laserleistung beträgt nur einen Bruchteil der Leistung im kontinuierlichen Laserbetrieb. Im gepulsten Betrieb ist der Wärmeeintrag deshalb niedriger, da der Werkstoff in den Pausen zwischen den Pulsen abkühlen kann. Der durch den Wärmeeintrag hervorgerufene Verzug ist dadurch geringer. In Abhängigkeit von der Art des Schneidgases wird die einzustellende Fokuslage (Brennfleck) auf der Werkstückoberfläche unterschieden. Wird Sauerstoff eingesetzt (Brennschneiden) ist die Fokuslage auf der Werkstückoberseite einzustellen, während bei der Verwendung von Stickstoff oder inerten Edelgasen die Fokuslage auf die Unterseite des zu schneidenden Materials eingestellt wird.
Da Edelstähle nicht mit Sauerstoff reagieren, sind sie für dieses Verfahren nicht geeignet.
Beim Remoteschneiden wird der Laserstrahl sehr schnell mittels ScannerSpiegelsystemen von einem Bearbeitungspunkt zum andern umgelenkt und so eine sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzeugt. Wie beim Sublimierungsschneiden wird auch bei diesem Verfahren die Schmelze nach oben und unten aus der Schnittfuge ausgetrieben. Das Verfahren wird nur für die Bearbeitung dünner Folien bis ca. 0,3 mm angewendet. Die Teiletaktzeit ist dann jedoch um mehr als eine Größenordnung geringer als beim Schneiden mit Formcutter- oder konventionellen Achssystemen. Aufgrund des fehlenden Schneidgasdruck eines konventionellen Schneidlasers kommt es jedoch mit zunehmender Foliendicke zu einem Aufwurf entlang des Schnittspalts, da die Sublimation des Materials nicht zu 100% gelingt und so Materialreste zurückbleiben.
Herstellung filigraner Geometrien möglich Hohe Flexibilität leicht veränderliche Geometrie durch CAD/CAM-Anbindung Gute Werkstoffausnutzung Saubere, meist nachbearbeitungsfreie Schnittkanten Kein Werkzeugverschleiß Keine Werkzeugwechsel erforderlich Härte des Werkstückes nicht relevant
Nachteile:
Hohe Kosten für Anlagen, Energie und Prozessgase Für hochreflektive Materialien sinkt die Bearbeitungsgeschwindigkeit rapide Expertenwissen notwendig
Durch Einbringen von Additiven in die zu verbindenden Werkstücke wird das obenliegende Teil für die Wellenlänge des Lasers transparent und für das untenliegende Bauteil absorbierend hergestellt. Beim Auftreffen des fokussierten Laserstrahls auf das absorbierende Bauteil wird dieses plastifiziert und dort eine Schweißnaht erzeugt.
Je nach Art der Energiezuführung in das Werkstück unterscheidet man Kontur-, Simultan- und Quasisimultanschweißen. Bei letzterem finden hochdynamische Spiegelsysteme wie für die RemoteBearbeitung bei metallischen Erzeugnissen Verwendung. Hohe Prozessgeschwindigkeiten in Verbindung mit der Speicherung der Wärme in der Schweißnaht des Thermoplasts erlauben das quasi simultane Aufschmelzen komplexer Schweißnahtgeometrien. Durch Ausdehnung der Schmelze bei gleichzeitig aufgebrachtem mechanischem Druck ergibt sich eine Verbindung.
Für größere Werkstücke bei denen die quasisimultane Bearbeitung nicht eingesetzt werden kann, wird die Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl durch frei programmierbare Achsensysteme erzeugt. Man spricht dann vom Konturschweißen. Der durch Volumenvergrößerung in der Schweißnaht erzeugte Druck und der Fügedruck sorgen auch hierbei für eine feste Verbindung der Bauteile.
Bei allen Verfahrensvarianten lässt sich die Schweißnahtbreite durch variieren des Fokusdurchmessers beeinflussen.
Beim Quasisimultan-Laserschweißen kann die Qualität der Schweißverbindung durch geeignete Spannmittel zur Erzeugung des erforderlichen äußeren Drucks in Verbindung mit einer Setzwegmessung gewährleistet werden. Nach dem Programmieren der Nahtkontur kann diese mit einem langsam sich bewegendem sichtbaren Pilotstrahl überprüft werden. Wie beim Ultraschallschweißen müssen auch hier die Fügepartner bezüglich Maßtoleranzen, Fließraum für die Schmelze, Knicksteifigkeit der Wände und Werkstoffeignung konstruktiv für den Laserschweißprozess ausgelegt werden.
Durch die berührungslose Bearbeitung können auch sehr harte Werkstoffe ohne Werkzeugverschleiß bearbeitet werden.
Downloads
Hier finden Sie unter anderem weiterführende Quellen rund um das Thema Laserbearbeitung, Materialkunde, uvm.
Die Informationsstelle Edelstahl Rostfrei (ISER) informiert zu:
Schweißen von Edelstahl Rostfrei
[PDF, 390 kb]
Fallbeispiel des Referenten Wolfram Bickert (Seissenschmidt AG, Plettenberg) zum Thema:
Komponente Flanschwelle als Verbundwerkstück mittels EB – Schweißen in der Automobilindustrie (Fallbeispiel)