Licht für schwierige Nähte

Bei Aluminium gilt es eine kontrollierte Wärmezufuhr beim Schweißen zu erzielen. Digital gepulste Laser sorgen für das richtige ›licht‹ für schwierige Nähte.

27. Februar 2006

Im Volksmund bezeichnet „zusammengeschweißt“ eine stabile, untrennbare und undurchdringliche Verbindung. Um dieses Ziel in der Realität zu erreichen, müssen beim Schweißen sowohl die Gegebenheiten des Materials als auch die technischen Möglichkeiten der Schweißquellen berücksichtigt werden. Als leichter und stabiler Werkstoff findet Aluminium in den un­terschiedlichsten Branchen häufige Anwendung. Die Eigenheiten dieses Metalls stellen das Schweißen vor ganz besondere Aufgaben. Itochu SysTech, Düsseldorf, vertreibt eine Laserreihe mit einer einzigartigen digitalen Pulsformung, mit der etwa das Schweißen von Batteriegehäusen deutlich verbessert wird.

Herausforderung Aluminium

Das weiche, dehnbare Material Aluminium ist von einer Oxidschicht bedeckt. Dieses Aluminiumoxid Al2O3 ist ein keramischer Stoff, also sehr hart. Das reine Aluminium schmilzt bei 660°C, während die Oxidschicht hierfür über 2.000 °C benötigt. Der Laser muss also zunächst mit hoher Energie die Oxidschicht durchdringen. Wird das Aluminium mit der gleichen hohen Energie geschweißt wie die Oxidschicht, entstehen Verdampfungen und es kann sein, dass die Schweißnaht undicht wird.

Gerade im Bereich der Batteriegehäuse kann eine Gasdichtigkeit so nicht gewährleistet werden. Um eine saubere Schweißnaht zu erhalten, muss der Laser mit deutlich niedrigerer Energie auf das Aluminium treffen. Die Schmelze soll dann kontrolliert abgekühlt werden.

Je besser sich dieser Abkühlvorgang kontrollieren lässt, desto sauberer und damit dichter wird die Schweißnaht. Die Oberfläche wird glatter und Verunreinigungen können ausgeschwemmt werden, anstatt die unerwünschten Lunker zu bilden, die bei zu abrupter Abkühlung Verunreinigungen einschließen. Trifft der Laser mit zu hoher Energie auf das Aluminium, entstehen neben Undichtigkeiten in der Schweißnaht auch Risse im Material selbst, wenn es unkontrolliert wieder abkühlt. Hier ist also eine flexible Schweißtechnologie gefragt. Beim Laserschweißen kann das Ergebnis nur so gut sein wie die Feineinstellung des Lasers möglich ist. Herkömmlich gepulste Laser können Punkte unterschiedlicher Energie nur nacheinander setzen. Um beispielsweise von 30 J über 20 auf 10 J zu kommen, braucht es drei Punkte. Hinzu kommen die jeweiligen An- und Ausschaltzeiten des Lasers. Dies bedeutet unter Umständen relativ lange Bearbeitungszeiten und wird den Besonderheiten beispielsweise von Aluminium nicht gerecht.

Digitale Pulsformung

Die elegante Lösung heiß digitale Pulsformung. Dieses einzigartige Verfahren erlaubt es, jeden einzelnen Schweißpunkt genau nach Bedarf zu formen. So wird die Möglichkeit, auf Materialgegebenheiten zu reagieren, entscheidend verbessert. Die Schweißpunkte werden deutlich homogener. Der gesamte Schweißvorgang wird beschleunigt, weil nur ein Signal aufgebracht wird. Es entsteht eine geschlossene, saubere Naht. Aus dem einzelnen Rechteckpuls kann eine beliebige sinusförmige Kurve werden. Die Bedienung erfolgt über Touchscreen am Gerät oder über eingespeiste Programme. Die Verkürzung der An- und Ausschaltzeiten mittels der digitalen Pulsformung in Verbindung mit der Scannereinheit ermöglicht Geschwindigkeiten beim Laserschweißen, die bis dato nur bei der Laserbeschriftung möglich waren. Jeder Laserpuls kann in bis zu 198 Schritten mit einer minimalen Dauer von 0,1 ms optimal an die Anforderungen jedes Materials angepasst werden. Jeder Schweißpunkt wird somit sehr fein abgestimmt in genau der erforderlichen Intensität und Dauer auf die gewünschte Stelle aufgebracht.

Die Long-Pulse-Option

Schweißpunkte mit gepulsten Lasern erfordern ein Überlappen der Schweißpunkte um mehr als 50 Prozent. Dies verlängert die Prozesszeit und erhöht die thermische Belastung des Bauteils. Durch eine Verlängerung der Pulse und eine schnelle Ablenkeinheit können diese negativen Folgen gering gehalten werden. Eine Verlängerung des Laserpulses auf bis zu 50 ms erlaubt das Schweißen kleiner Kreise mit nur einem Laserpuls. Soll ein solcher kleiner Kreis von beispielsweise 5 mm Durchmesser mehrmals geschweißt werden, muss sich der Laser so einstellen lassen, dass im zweiten Umlauf eine andere Energie aufgebracht wird. Das mehrmalige Schweißen stellt eine zusätzliche Sicherheit dar, dass die Naht ganz dicht ist. Oft werden dann 2,5 Umdrehungen geschweißt, damit Anfangs- und Endpunkt sich nicht überlappen. Da der erste Umlauf eine höhere Festigkeit in der Naht erzeugt als die des Ursprungsgewebes, ist für den zweiten Umlauf eine höhere Energie erforderlich. Gerade für diese Langpulsanwendung ist demnach die digitale Pulsformung außerordentlich interessant. Möglich wird dies erst mit der bei Itochu Systech angebotenen Kombination aus Laser und Scannereinheit.

Fritz Müller

Erschienen in Ausgabe: 02/2006