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Laserschweißen

WIG-Schweißen, Hochfrequenzschweißen, Laserschweißen … Schwer, bei den vielen verschiedenen Schweißverfahren noch den Überblick zu behalten. Stefan Ziesemer, Product Manager Profile Welding von Rofin-Sinar, erklärt, welcher Laser für welche Anwendung besonders geeignet ist und welche Vorteile im Speziellen CO2- und Faserlaser beim Schweißen von Rohren und Profilen mit sich bringen.

17. März 2014

Herr Ziesemer, welche Anwendungen gibt es in der industriellen Materialbearbeitung beim Rohr- und Profilschweißen, für die man das Laserschweißverfahren heute bevorzugt?

In der Mitte der 80er-Jahre etablierte sich das Laserschweißen von Edelstahlrohren im Automobilzulieferbereich. Es wurden aufgrund der guten technologischen Eigenschaften und der relativ hohen Produktionsgeschwindigkeiten ferritische Materialien, die schlecht oder nur eingeschränkt HF-, also hochfrequenzschweißbar waren, mit dem Laser geschweißt.

Heute wird eine große Bandbreite unterschiedlichster edelstahlbasierender Werkstoffe in hoher Qualität und Geschwindigkeit mit dem Laser geschweißt. Eine andere Anwendung, für die schon seit Jahren der Laser eingesetzt wird, ist die Edelstahl-Kabel-Ummantelung, zum Beispiel von Unterwasserkabeln. Diese speziellen kilometerlangen Glasfaserkabel bekommen eine metallische Ummantelung und werden dann zu Komponenten eines Seils verarbeitet, das auch in großen Wassertiefen verlegt werden kann.

Schweißlängen von mehreren Kilometern lassen sich hier in der geforderten Qualität nur mittels Laserschweißprozess herstellen. Ebenso wird der Laser seit ungefähr 15 bis 20 Jahren zur Herstellung von Aluminium-Verbundrohr eingesetzt.

Hier wird der Aluminiummantel entweder WIG- oder lasergeschweißt, heutzutage wird aber vor allem letzteres wegen der sehr guten Regelbarkeit des Prozesses bevorzugt. Das Verbundrohr ist eine der ersten Anwendungen im Rohrbereich, bei der Aluminium mit dem Laser geschweißt wurde.

Heute ist der Laserschweißprozess in der Rohr- und Profilherstellung eine feste Größe, die es ermöglicht, gezielt Eigenschaften eines Werkstoffs und gewünschte Geometrien zu beeinflussen und herzustellen.

In den letzten Jahrzehnten haben sich viele verschiedene Schweißverfahren entwickelt. Kann man sagen, welches sich wofür am besten eignet?

Das kann man so nicht sagen. Am Markt stehen sich verschiedene konkurrierende Verfahren gegenüber, wie das Laser- neben dem WIG- und dem HF-Schweißen. Während die Schweißung von Edelstahlrohren als der klassische Bereich für das Laserschweißen bezeichnet werden kann, ist gerade in den letzten 15 Jahren der Lasereinsatz an Stählen im Profilbereich stetig angestiegen. Der Wandstärkenbereich, der hier typischerweise mittels Laser bearbeitet wird, liegt bei 0,1 bis 8 mm.

Produktbezogen muss beurteilt werden, ob das Laserschweißen der richtige Prozess ist, da zum Beispiel Baustähle in einfachen Geometrien und Qualitäten oft sehr effizient mittels HF-Schweißen gefügt werden können.

Auf der anderen Seite lassen sich per Laserschweißen Verbindungen schaffen, die allein durch die Gefügeeigenschaften der Naht eine möglichst hohe Umformbarkeit gewährleisten, wie es zum Beispiel mit WIG-Schweißen wegen des drohenden Nahtmittenbruchs nicht möglich ist.

Es kommt also immer darauf an, für welche Anwendung man das Schweißverfahren benötigt. Sie haben je nach Anwendung ihre Vor- und Nachteile.

Was bietet das Laserschweißen im Rohr- und Profilbereich im speziellen für Vorteile?

Der Vorteil des Laserschweißens ist, dass es, was Qualität und Geschwindigkeit angeht, eine Mittelstellung zwischen bestehenden Verfahren wie WIG-Schweißen und HF-Schweißen einnimmt. Hinsichtlich der Prozessgeschwindigkeit liegt man zwischen den beiden vorgenannten Verfahren und ist aber deutlich schneller als das verbreitete WIG-Schweißen.

Bei einem Qualitätsvergleich zwischen einer Laser- und einer WIG-Schweißung gibt es verschiedene Meinungen, wobei es allerdings vermehrt Anwender gibt, die ganz gezielt den Laser einsetzen, wenn sie Korrosionsbeständigkeit oder Umformbarkeit als Kriterium festlegen.

Das Laserschweißen hat heute ein breites Anwendungsfeld aufgetan, sowohl hinsichtlich der Nahtgeometrie, also der Gefügestruktur, als auch des Korrosionsverhaltens und der erzielbaren Festigkeiten.

Hat denn das Laserschweißen auch Nachteile?

Für das Laserschweißen gilt eventuell die Einschränkung, dass man durch die enge Nahtgeometrie typische Lasereffekte sieht, das heißt, dass sich etwa an Rohrschweißungen zwischen Naht und Grundwerkstoff leichte Kerben bilden oder bei ungenügender Einformung oder Kantenvorbereitung ein Nahteinfall entsteht.

Da häufig Folgeprozesse nach der eigentlichen Schweißung, wie das Reduzieren der Geometrie, das sogenannte Kalibrieren oder eine Oberflächenbearbeitung durch Schleifen oder Glätten durchgeführt werden, können diese Effekte am fertigen Produkt verringert oder verhindert werden, so dass sie keine technologischen oder optischen Nachteile mehr darstellen.

Woher kommt diese Kerbenbildung? Der Laser tut doch nichts anderes, als das Material aufzuschmelzen, oder?

Das hängt damit zusammen, dass der Laser durch die Entstehung der Dampfkapillare oder des sogenannten ›Keyholes‹ – ein schmaler metalldampfgefüllter Zylinder, der durch das Material bewegt wird – ein sehr konzentriertes, schmales, Schmelzbad entstehen lassen kann.

Der Vorteil ist, das dadurch, dass nicht so viel Materialvolumen aufgeschmolzen wird, ein effizienterer Schweißprozess als beim WIG-Schweißen entsteht. Dies führt allerdings auch dazu, dass sich, wenn dieses schmale Schmelzbad erstarrt, auf der Nahtober- und Unterseite eine sphärische Oberfläche einstellen kann, die geometrisch dann an den Übergängen diese beschriebenen Effekte zeigt – unter anderem durch gezielte Parameterwahl lässt sich dies aber so einstellen, das sie keine Prozessnachteile darstellt.

Was unterscheidet das Laser- und das WIG-Schweißen physikalisch und metallurgisch voneinander?

Während beim WIG-Schweißen beim Aufschmelzen des Materials Temperaturen unter 3000 °C erreicht werden, entstehen in der durch den Laserprozess erzeugten Dampfkapillare, dem Keyhole, Temperaturen, die ein Vielfaches dessen betragen und zu einer Ionisierung, also zu einer ›lokalen Verdampfung‹ des festen Werkstoffes, führen.

Dadurch entsteht eine ganz andere Kopplung der Energie an das Material, weshalb wir beim WIG-Schweißen von einem Induktions- oder Wärmeübergangsschweißprozess und beim Laserschweißen von einem Tiefschweißprozess mit einem überdurchschnittlichen Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis der Naht sprechen.

Zitat: »Lasernähte lassen starke Umformungen zu.« Stefan Ziesemer, Rofin-Sinar

Wo wird das Laserschweißen im Rohr- und Profilbereich heutzutage hauptsächlich eingesetzt?

Mit dem Laser werden heute zum Beispiel im Profilbereich tiefziehbare Stähle, mit oder ohne Beschichtung, geschweißt, wenn beispielsweise Geometrien und Abmessungen gefordert werden, die durch WIG- und HF-Schweißen nicht möglich sind oder sich aufgrund der geforderten Produktionskette nicht wirtschaftlich herstellen lassen.

Während mittels HF-Schweißen bei einer Wandstärke von 1,5 bis 2 mm Vorschubgeschwindigkeiten von zirka 200 m/min gefahren werden können, liegen diese beim Laserschweißen typischerweise im Bereich von 15 bis 30 m/min. In einer verketteten Produktion liegt aber diese Größe häufig im Bereich der mittleren Produktionsgeschwindigkeit oder ergibt sich durch andere technologische Bedingungen, zum Beispiel durch Integration anderer Prozesse wie ›Stanzen in Linie‹ oder eines kühl- und schmiermittelfreien Produktes.

Wonach definiert sich, was noch HF-geschweißt werden kann und was besser mit Laser schweißt werden sollte? Oder sind die Grenzen fließend?

Das ist nicht einfach definierbar. Neben den geometrischen Bauteilbedingungen und gegebenen oder geforderten Werkstoffeigenschaften muss hier auch die Wirtschaftlichkeit zugunsten des Laserschweißprozesses gegenüber dem HF-Schweißprozess darstellbar sein – ist dies gegeben, dann raten wir zum Laserschweißen.

Wenn man sich für das Laserschweißen entschieden hat, woher weiß man dann, welche Laserstrahlquelle die richtige für die jeweilige Rohr- oder Profil-Anwendung ist?

Wenn es um diese Frage geht, erarbeiten wir mit dem Kunden sein laserspezifisches Anforderungsprofil. In einem Besuch bei uns im Haus oder beim Kunden können wir dann je nach Art der Anwendung sagen, ob unsere Empfehlung ein CO2- oder Faserlaser ist, und können dies dann in unserer Anwendungstechnik durch entsprechende Versuche bestätigen oder ermitteln. Heute setzen wir nicht auf eine bestimmte Laserstrahlquelle, sondern können das Optimum für den Anwender qualifizieren.

Für die Wahl der richtigen Laserstrahlquelle sind zum Beispiel Fragen wichtig wie: Lassen sich die gewünschten Geometrien schweißen? Welche Toleranzen sind einhaltbar? Kann man den Werkstoff schweißen? Was lässt sich an Schweißgeschwindigkeiten realisieren?

In Zusammenarbeit mit dem Profilanlagenhersteller und dem Kunden wird dann festgelegt, welche Prozessgeschwindigkeit erreicht werden muss, damit der Schweißvorgang effizient ist.

Entscheidend ist auch, dass wir unterschiedliche Anwendungsfelder der verschiedenen Laserquellen darstellen können, so dass zum Beispiel der Faserlaser, den wir heute mit einer Ausgangsleistung bis 6000 W liefern können, bei Schweißungen von Edelstahlrohr und Wandstärken, die zum Beispiel zwischen 0,4 und 0,6 mm liegen, deutliche Prozessvorteile gegenüber dem CO2-Laser zeigt.

Der CO2-Laser andererseits, mit einer Ausgangsleistung bis 8000 W, ist die richtige Wahl, wenn es um die Realisierung bester Schweißnahtqualitäten bei mittleren bis dicken Wandstärken im Edelstahlrohr geht.

Zitat: »Aktueller Fokus: Faserlaser für dünnwandige Edelstahlrohre« Stefan Ziesemer, Rofin-Sinar

Was ist dann der Vorteil des Faserlasers? Der geringere Temperatureintrag?

Weniger der Temperatureintrag, das heißt die Verringerung der Nahtgeometrie unter Nutzung der sehr guten Fokussierbarkeit, ist ausschlaggebend, denn man muss bauteilbezogen ein bestimmtes Volumen aufschmelzen. Das heißt, wenn die Anforderung vorliegt, eine bestimmte Nahtgeometrie zu erzeugen, die ein sicheres Verschweißen beider gefügter Kanten gewährleistet, liegt die gleiche Anforderung wie beim CO2-Laser vor.

Die Wellenlänge des Faserlasers wird allerdings einfach besser vom Material absorbiert. Das bedeutet, dass weniger Leistung benötigt wird, um eine bestimmte, vergleichbare Geschwindigkeit zu erreichen.

Was hat das Absorptionsverhalten mit dem Faserlaser zu tun? Kommt es nur auf die Wellenlänge an?

Verschiedene Materialien haben ein unterschiedliches Absorptionsverhalten. Abhängig vom Material, ob es nun Aluminium oder Stahl ist, gibt es sogenannte Absorptionskurven. An ihnen kann man sehen, dass bestimmte Wellenlängen gut oder weniger gut angekoppelt oder reflektiert werden.

Wir wissen seit zirka 20 Jahren, dass die kürzere Wellenlänge eines Festkörperlasers, sei es nun Scheiben- oder Faserlaser, ein besseres Ankoppelverhalten an Stahl-, Aluminium- oder Kupfermaterialien hat. Dies besagt aber noch nicht, ob ich dieses Werkzeug auch, etwa hinsichtlich der erzielbaren Schweißanforderung, im Bereich Rohr- und Profilschweißen richtig einsetzen kann.

Welchen Schwerpunkt setzen sie auf der Tube und der Wire dieses Jahr?

Unser Fokus liegt ganz aktuell auf dem Thema Faserlaser für dünnwandige Edelstähle im Rohrbereich. Wir wollen den Besuchern zeigen, was man mit dem kurzwelligen Laser macht und warum gerade mit diesem Laser. Wir können zum Beispiel im Bereich des dünnwandigen Wärmetauscher-Rohres heute sagen, dass das Schweißen mit dem Faserlaser ein effizienterer Prozess ist als mit dem CO2-Laser.

Wir wollen den Besuchern aber auch zeigen, warum das CO2-Schweißen weiterhin den Markt bestimmt. Hier geht es vor allem um die Qualitätsschweißung im mittleren und dickwandigen Edelstahlrohrbereich. Diese klassischen Laseranwendungen werden hier nach wie vor nur mit dem CO2-Laser bearbeitet, und das ist nicht nur aus Tradition!

Sarah Werner

Erschienen in Ausgabe: 02/2014