Pro Diodenlaser

Technik/Laserschweißen

Für das schweißen von Tailored Blanks kommen prinzipiell alle Lasertypen in Frage. In puncto Schweißleistung und Energieeffizienz zeigen sich jedoch erhebliche Unterschiede. Arcelormittal Tailored Blanks ersetzt seine bisherigen CO2-Laser jetzt durch Diodenlaser von Laserline. Sie sind robuster und bieten wirtschaftliche Vorteile.

13. Oktober 2015

Wer ins fertige Auto einsteigt, weiß selten, welch enormer technischer Aufwand im Karosseriebau steckt. Wohlgeformt und ansprechend lackiert lassen Türen oder Seitenbleche nicht erkennen, wie weit der Weg vom Rohstoff über das Halbzeug zum fertigen Bauteil war. Das muss auch so sein. Gleichwohl erwartet der Kunde natürlich, dass ihm die Karosserieteile optimalen Schutz bieten – und das Auto trotzdem bezahlbar bleibt. Ziel des Karosseriebaus ist es, attraktive Formgebung, maximale Stabilität und hohe Wirtschaftlichkeit in ein ideales Verhältnis zu bringen.

Vorstufe zum fertigen Karosserieteil

Ein Schlüssel zum Erreichen dieses Ziels sind Tailored Blanks – Fixmaßbleche, die erst im nächsten Arbeitsschritt zum eigentlichen Karosseriebauteil umgeformt werden. Diese Halbzeuge setzen sich aus verschweißten Blechplatinen verschiedener Werkstoffdicke und Werkstoffgüte zusammen. Mit ihrer Gestaltung wird die punktspezifische Materialstärke und Materialfestigkeit der späteren Bauteile bereits präzise festgelegt. Das verbessert zum einen die mechanischen Eigenschaften der Bauteile und erhöht die Sicherheit in Unfallsituationen. Zum anderen werden Stahl- und Aluminiumverbrauch optimiert und die Kosten gesenkt.

Der entscheidende Vorteil von Tailored Blanks liegt aber in der Gewichtsreduktion durch den gezielten Einsatz von hochfesten Stählen oder Blechen unterschiedlicher Dicke entsprechend der lokalen Anforderungen an das Bauteil. Da Gewichts- und Verbrauchsreduktion Hand in Hand gehen, wächst parallel zur Sicherheit auch die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs. Bei der Fertigung von Tailored Blanks wird das Verschweißen der verschiedenen Blechplatinen überwiegend mit Hilfe von Lasern durchgeführt. Hier werden wahlweise Dioden-, Festkörper- oder CO2-Laser eingesetzt. Letztere werden aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads von etwa zehn Prozent allerdings zunehmend als unwirtschaftlich angesehen. Diese Einschätzung teilt auch Arcelormittal Tailored Blanks (AMTB). Das global agierende Tochterunternehmen des Stahlproduzenten Arcelormittal entschied sich deshalb dafür, die bis dato eingesetzten CO2-Laser gegen neue Laserstrahlquellen auszutauschen.

Entscheidung für Diodenlaser

Ausgangspunkt der Modernisierung war die Wahl des zukünftig einzusetzenden Lasertyps. Unter den Festkörperlasern kamen hier auch diodengepumpte Scheiben- und Faserlaser in Frage: Beide Lasertypen sind im Anwendungsgebiet Schweißen etabliert und weisen Wirkungsgrade von rund 30 Prozent auf. Favorit von AMTB waren zunächst die Faserlaser, mit denen man bereits erste Erfahrungen gesammelt hatte.

Dennoch entschied sich AMTB letztlich nicht für die erprobten Faserlaser, sondern für fasergekoppelte Diodenlaser von Laserline. Das 1997 gegründete Unternehmen aus dem rheinland-pfälzischen Mülheim-Kärlich in der Nähe von Koblenz ist Pionier in der Entwicklung industrieller Diodenlaser und hat den Fortschritt dieser Technologie entscheidend mitgeprägt. Gegenüber den anfangs bevorzugten Faserlasern punktete Laserline zuerst durch erfolgreiche Testläufe im hauseigenen Applikationslabor: In Abstimmung mit AMTB wurden Probeschweißungen mit verschiedenen Werkstoffen sowie mit wechselnden Prozessparametern durchgeführt. Schweißqualität und Prozessstabilität überzeugten in sämtlichen Tests, sodass Ende Dezember 2011 der erste CO2-Laser durch einen Laserline-Diodenlaser vom Typ ›LDF 5000-40‹ mit 400-Mikrometer-Faser und fünf Kilowatt Laserleistung ausgetauscht wurde. Da sich die positiven Ergebnisse dann auch in der Produktion vollumfänglich bestätigten, blieb es nicht bei dieser einen Installation. Mittlerweile werden in mehreren AMTB-Produktionswerken in Europa, Indien und Australien Diodenlaser von Laserline eingesetzt.

Mehrfach überlegen

Im Schweißprozess sind Diodenlaser anderen Lasertypen in mehreren Punkten überlegen. Ein Prozessvorteil ist zum Beispiel das besonders ruhige Schmelzbad: »Diodenlaser verursachen trotz ihres moderaten Arbeitsabstands weniger Metallspritzer auf Blechplatine und Laseroptik, und die erzeugten Schweißnähte sind sauberer und glatter. Außerdem lassen sich größere Spalte überbrücken als mit kleiner fokussierten Lasern«, erläutert Dr. Andre Eltze, Laserline Vertriebsleiter Europa.

Als Gründe für diese Prozessvorteile und die hohe Stabiliät des Schweißvorgangs werden häufig das Top-Hat-Strahlprofil sowie der für Diodenlaser typische Mix aus vier Wellenlängen zwischen 930 und 1060 Nanometern genannt. Da die Wellenlängen kürzer sind als bei Faser- oder Scheibenlasern (mit typischen Wellenlängen zwischen 1030 und 1070 Nanometern), wird beim Diodenlaser darüber hinaus die Leistung besser absorbiert.

»Um sich für den Einsatz im Karosseriebau zu qualifizieren, dürfen Laser aber nicht nur gute Schweißergebnisse bieten«, merkt Anne Kathrin Krause vom Laserline-Applikationslabor an. »In einer derart rauen Arbeitsumgebung spielt auch die Robustheit gegenüber Verschmutzungen eine wichtige Rolle.« Hier überzeugen Diodenlaser durch ihre Widerstandsfähigkeit: Da in sensiblen Bereichen des Lasers gezielt Druckluft zugeführt wird, können Staub und Spritzwasser nicht eindringen (Schutzart IP 54), und die Funktionsfähigkeit des Lasers bleibt auch bei widrigen Umgebungsbedingungen uneingeschränkt erhalten. Die Einhausung in einen luftdichten, klimatisierten Container – eine Lösung, die zusätzliche Kosten verursacht und im Wartungsfall den Zugang zum Laser erschwert – ist im Gegensatz zu anderen Lasern nicht erforderlich.

Hohe Gesamtanlageneffektivität

»Ausschlaggebend für AMTBs Entscheidung zugunsten von Laserline waren indes nicht nur Robustheit und Schweißqualität der Diodenlaser. Ein mindestens ebenso wichtiges Argument war deren Wirtschaftlichkeit«, ergänzt der Vertriebsleiter von Laserline Europa. Der höhere Wirkungsgrad der Diodenlaser von 39 Prozent senkt den Energieaufwand pro Kilowatt Laserleistung und reduziert gleichzeitig den Kühlbedarf samt der damit einhergehenden Kosten. Zudem sind Diodenlaser im Vergleich zu CO2-Lasern deutlich weniger wartungsintensiv und auch in dieser Hinsicht wirtschaftlicher zu betreiben. Laserline empfiehlt beispielsweise, einmal jährlich eine Präventiv-Wartung durchzuführen, die etwa einen halben Tag in Anspruch nehmen sollte.

Zuverlässige Laser

Für AMTB war es letztendlich nur folgerichtig, sich für Diodenlaser zu entscheiden, zumal die Laserline-Anlagen auch in Sachen Schweißgeschwindigkeit überzeugen und die Prozessanforderungen vollständig erfüllen. Neben Diodenlasern des Typs Laserline LDF 5000-40, die sich mit einer Leistung von fünf Kilowatt eher zum Schweißen dünnerer Blechplatinen eignen, setzt AMTB auch ›LDF 6000-40‹-Laser mit sechs Kilowatt Leistung ein. Damit stehen für die typischen Materialstärken von 0,5 bis 2,8 Millimeter zuverlässige Schweißlaser zur Verfügung.

Für die kommenden Jahre ist geplant, nach und nach alle CO2-Laser durch Diodenlaser zu ersetzen. Zugunsten von Laserline spricht neben der Robustheit, Schweißqualität und Wirtschaftlichkeit auch die Gewährleistungszeit: Während andere Hersteller üblicherweise Zeiträume zwischen zwei und drei Jahren einräumen, bietet Laserline auf die Dioden standardmäßig eine Garantie von fünf Jahren. AMTB hat damit eine Lösung installiert, die neben einer hervorragenden Prozessqualität und Wirtschaftlichkeit auch eine hohe Planungssicherheit garantiert.

Blechexpo Halle 3, Stand 3106

Erschienen in Ausgabe: 06/2015