Schweißen mit dem Laserstrahl

Lasertechnik - Welcher Laser paßt zu welcher Schweißanwendung? Ein Überblick.

23. März 2005

Mit Diodenlasern, Festkörperlasern und CO2-Lasern stehen heute dem Anwender Laserstrahlquellen zur Verfügung, die sich hinsichtlich ihres Anwendungsspektrums weitgehend überlappen. Doch wie findet der Anwender die geeignete Strahlquelle für seine individuelle Schweißaufgabe? Neben den technischen Eigenschaften der Laser spielen natürlich auch die Kosten eine wesentliche Rolle bei der Auswahl. So sind Investitions- und Betriebskosten beim CO2-Laser gering, beim Diodenlaser die Investitionskosten gering und die Betriebskosten moderat und beim Festkörperlaser sowohl Betriebs- als auch Investitionskosten als moderat zu bezeichnen.

Technikparameter

Wesentliche technische Daten der Laser sind Wellenlänge, Laserleistung sowie Strahlqualität. Die Wellenlänge (um 10 mm bei CO2-Lasern, um 1 mm bei Festkörper- und Diodenlasern) bestimmt zum einen die Systemtechnik, da sich nur Festkörper- und Diodenlaserleistungen über flexible Lichtleitfasern transportieren lassen und hat zum anderen Einfluß auf das Absorptionsverhalten der Werkstoffe. Die Laserleistung hat einen wesentlichen Einfluß auf die Schweißgeschwindigkeit und das Schmelzvolumen.

Die Strahlqualität beschreibt das Ausbreitungsverhalten des Laserstrahls, vor allem jedoch seine Fokussierbarkeit. Diese Strahlqualität wird als Strahlparameterprodukt (SPP) angegeben. Größere Werte führen zu größeren Fokusdurchmessern. Die physikalische untere Grenze ist wellenlängenbestimmt und beträgt λ/∏ also 3,4 mm.mrad für CO² Laser und 0,34 mm.mrad für Nd:YAG-Laser. Darüber hinaus werden Laser höherer Strahlqualität auch mit der Kennzahl K oder M²=1/K charakterisiert, wobei gilt: M²= SPP / (λ/∏). Im allgemeinen nimmt das Strahlparameterprodukt mit zunehmender Leistung zu. CO²-Laser haben die beste Strahlqualität das heißt Fokussierbarkeit. Diodengepumpte Stablaser haben ein etwa dreimal größeres Strahlparameterprodukt als CO²-Laser mit K=0,9. Und lampengepumpte Stablaser besitzen ungefähr ein doppelt so großes Strahlparameterprodukt wie die diodengepumpten Stablaser. Diodenlaser besitzen zwar kompakte Abmessungen und einen hohen Wirkungsgrad, allerdings auch das größte Strahlparameterprodukt.

Wärmeleit- und Tiefschweißen

Beim Laserschweißen wird zwischen zwei Prozessen unterschieden: dem Wärmeleitschweißen und dem Lasertiefschweißen. Beim Wärmeleitschweißen wird ein Teil der fokussierten Laserstahlung von der Werkstückoberfläche absorbiert, in Wärme umgewandelt und mittels Wärmeleitung und Schmelzbadkonvektion in das Werkstück transportiert. Wellenlänge, Werkstoff, Oberflächenbeschaffenheit, Einstrahlwinkel und Polarisationsrichtung sind für den Absorptionsgrad bestimmend. Generell gilt für metallische Werkstoffe, daß die Absorption für kürzere Wellenlängen höher ist als für längere Wellenlängen. Das Lasertiefschweißen wird beobachtet, wenn die absorbierte Laserleistung zur Verdampfung des Werkstoffes ausreicht und dadurch eine Dampfkapillare in das Werkstück hinein gebildet wird. Hier sind komplizierte Absorptionsmechanismen an den Kapillarwänden und im Metalldampf dafür verantwortlich, daß die fokussierte Laserleistung zu einem hohen Prozentsatz absorbiert und effizient in das Werkstück transportiert wird. Während früher diese Schwelle durch kritische Intensitäten angegeben wurde, zeigen neuere Arbeiten am ISFW Stuttgart, daß diese Schwelle durch die Größe Leistung geteilt durch Fokusradius besser beschrieben wird. Beim Tiefschweißen wird also ein deutlich größerer Anteil der angebotenen Laserleistung vom Werkstück absorbiert als beim Wärmeleitschweißen. Daher ist der Absorptionsunterschied zwischen kurzen und langen Wellenlängen für Stahlwerkstoffe nicht bedeutend und selbst bei gängigen Aluminiumwerkstoffen nicht ausschlaggebend. Dies wird zum Beispiel beim Schweißen von verzinkten »tailored blanks« deutlich, bei denen Nd:YAG-Laser mit im Vergleich zu CO²-Lasern geringerer Leistung ähnliche Schweißergebnisse erzielen. Trotzdem ist der CO²-Laser aufgrund des Kostenvorteils für lineare »tailored blanks« die dominante Strahlquelle. Nur bei zweidimensionalen Schweißkonturen werden die Vorteile der Lichtleitfaser genutzt.

Die richtige Wellenlänge

Die Auswahl der Wellenlänge wird also zunächst vom Prozeß bestimmt. Oberflächenprozesse wie Härten, Umschmelzen und Wärmeleitschweißen können die bessere Absorption der kürzeren Wellenlänge gut umsetzen. Diodenlaser oder Festkörperlaser sind hier die richtigen Strahlquellen.

Beim Lasertiefschweißen eignen sich lange und kurze Wellenlängen gleichermaßen. Die Wahl der Wellenlänge wird hauptsächlich durch das Maschinenkonzept bestimmt. Investition und Betriebskosten sowie Flexibilität von kartesischen Laserbearbeitungsmaschinen sind mit robotergeführten Lichtleitfasern zu vergleichen und auszuwählen. Größere Einschweißtiefen (>6 mm) sind mit CO²-Lasern leichter zu realisieren als mit den heute gebräuchlichen Festkörperlasern.

Die maximale zulässige Bestrahlungsstärke für das menschliche Auge ist bei Nd:YAG-Lasern 20 Mal geringer als bei CO²-Lasern. Außerdem gibt es für 10,6 mm Abschirmfenster aus preiswertem Kunststoff, so daß ein weiträumiger Blick in die Anlagen preiswert zu realisieren ist. Der Sicherheitsaufwand für Laserzellen mit Dioden- oder Festkörperlasern ist also höher als der in CO²-Laseranlagen.

Strahlqualität und Fokus

Die Strahlqualität, beschrieben durch das Strahlparameterprodukt, bestimmt die Art der Fokussierung sowie den Fokusdurchmesser. Vergleicht man zwei Laser die sich in ihrer Strahlqualität um einen Faktor 2 unterscheiden, so sind die Effekte bei halbem Strahlparameterprodukt hinsichtlich Fokusgröße und Fokusieroptik die folgenden: Gleicher Fokus ergibt die doppelte Brennweite oder den halben Linsendurchmesser sowie die doppelte Tiefenschärfe. Bei halbem Fokus ist die Fokussierung gleich. Für das Lasertiefschweißen bedeutet ein kleinerer Fokusdurchmesser größere Einschweißtiefen oder höhere Schweißgeschwindigkeiten und somit geringerer Wärmeeintrag und Verzug.

Die damit verbundenen geringeren Nahtbreiten erfordern andererseits geringere Toleranzen der Fügepartner und höhere Genauigkeitsanforderungen an die Maschine. Einige Schweißanwendungen müssen aus metallurgischen Gründen mit höheren Streckenenergien geschweißt werden. Dies kann den Einsatz größerer Fokusdurchmesser erforderlich machen.

Bei CO²-Lasern ist außer dem Fokusdurchmesser auch die Intensitätsverteilung im Fokus von Bedeutung. Deshalb gibt es die CO²-Slab-Laser sowohl mit »Gauß«--Mode mit der Strahlqualität K=0,9 beziehungsweise 3,5 mm.mrad als auch mit »Donut-Mode« mit K=0,45 oder 7 mm.mrad mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung, die nicht so schlanke, tiefe Einbrände erzeugt.

Bei diesen Betrachtungen ist zu beachten, daß eine breitere Naht eine entsprechend größere Laserleistung erfordert. Beim Wärmeleitschweißen wird meistens ein großer Fokus gefordert, weil Wärmeleitschweißnähte häufig aus ästhetischen Gründen eine gewisse Breite und gleichzeitig eine hohe Gleichmäßigkeit bei höchster Oberflächengüte aufweisen sollen. Die richtige Auswahl für diese Anwendungen ist daher häufig der Diodenlaser, der große Fokusabmessungen mit kurzer Wellenlänge kostengünstig bereitstellt.

Angepaßte Laseroptiken

Für einige Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, Sonderoptiken zur strahlformenden Fokussierung einzusetzen, um bestimmte Qualitätsoptimierungen zu erreichen. Dazu zählen hier Doppelfokustechniken für das auswurffreie Aluminiumschweißen und zur Spaltüberbückung, sowie die Verbreiterung oder Verlängerung von Schmelzbädern mittels elliptisch geformter Fokusgeometrie. Mit scannenden Systemen sind sehr breite Spaltüberbrückungen zu erreichen, beispielsweise für das sichere Dichtschweißen von Benzinfiltern aus Reinaluminium, die zur Vermeidung von Schmelzbadauswürfen mit Bifokaloptik und CO²-Slab-Laser geschweißt werden.

Schutzgas

Schutzgas kann beim Laserschweißen aus zwei Gründen notwendig sein. Zum einen gibt es die rein metallurgische Schutzgaswirkung, die, wie bei anderen Schweißverfahren auch, aufgrund der Wechselwirkung des Schmelzbades mit dem Schutzgas -zustande kommt.

Marangoniströmung, Oxidation, Wärmeleitung und Viskosität sind Größen, die mit Hilfe des Schutzgases beeinflußt werden können. Dabei ist die kurze Schmelzbadlebensdauer und damit die geringere Wechselwirkungszeit des Schmelzbades mit dem Schutzgas beim Laserschweißen zu berücksichtigen.

Eine weitere Funktion des Schutzgases beim Laserschweißen besteht in der Wechselwirkung mit dem aus der Dampfkapillare austretenden Metalldampf und Metalldampfplasma. Hier zeigt sich, daß im Falle kurzer Festkörperlaserwellenlängen häufig auf ein Gas verzichtet werden kann, weil die Metalldampfplasmadichte geringer ist als beim Schweißen mit CO²-Lasern und aufgrund der kürzeren Wellenlänge eher Brechung als Absorption im Plasma zu einer Störung des Schweißprozesses beiträgt. Wenn mit dem CO²-Laser bei langen Wellenlängen geschweißt wird, muß in der Regel mit einem Schutzgas zur Plasmakontrolle gearbeitet werden. Liegen Maschinenkonzept und Wellenlänge fest, kann man unter Berücksichtigung der gewünschten Produktivität oder Schweißgeschwindigkeit mit Hilfe von Schweißkurven eine geeignete Strahlquelle und die Laserleistung auswählen Zu beachten ist hierbei noch die ausgezeichnete Möglichkeit aller CO²- und Festkörperlaser innerhalb etwa 50 bis 150 ms von einer Schweißstation auf eine andere umgeschaltet werden zu können um eine höhere Auslastung zu erreichen.

Laserhybridschweißen

Die Verfahrenskombination von klassischen Schmelzschweißverfahren wie Plasma, WIG, MIG/MAG mit dem Laserschweißen in einer Wechselwirkungszone nennt man Laserhybridschweißen. Durch diese Verfahrenskombination werden die Vorteile des Laserschweißens - tiefe schlanke Nähte, geringer Wärmeeintrag - mit den Vorteilen klassischer Schmelzschweißverfahren - hohe Spaltüberbrückbarkeit - kombiniert. Mit dem Laserhybridschweißen ist es etwa möglich, tiefe Schweißverbindungen mit hoher Spaltüberbrückbarkeit (1 mm) in Einlagentechnik herzustellen. Sowohl CO²-Laser als auch Festkörperlaser werden für das Laserhybridschweißen eingesetzt. Auch hier besitzen CO²-Laser den Vorteil der größeren Schweißtiefen. Festkörperlaser haben demgegenüber das größere Prozeßfenster, weil Plasmaeffekte einen geringeren Einfluß auf die fokussierte Laserleistung haben.

Remote-Laserschweißen

Das Remote-Laserschweißen überträgt die vom Markieren bekannten Scannertechniken auf das Schweißen größerer Bauteile mit Laserleistungen im Bereich von 3 kW bis 6 kW. Im Remote-Welding-System (RWS) wird beispielsweise der aufgeweitete Strahl eines CO2-Slab-Lasers (K=0,9) mit einer langbrennweitigen Linse zunächst fokussiert und anschließend mittels eines um zwei Achsen drehbaren Scannerspiegels auf die Schweißstelle des Werkstücks gelenkt. Durch die schnelle Sprungbewegung von einem Schweißpunkt zum nächsten werden sehr kurze Prozeßzeiten für Bauteile wie Kfz-Türen, -Klappen und -Säulen erreicht. Die Arbeitsfeldgröße wird von der Strahlqualität der verwendeten Laser maßgeblich bestimmt, so daß Anlagen mit Lasern höchster Stahlqualität anderen deutlich überlegen sind.

Heute stellen CO² Laser die kostengünstigen Arbeitspferde zum Lasertiefschweißen in allen Bereichen dar, wo die Strahlführung durch Lichtleitfasern nicht notwendig ist. Neueste Entwicklung für diesen Lasertyp ist das »Remote Welding System«, das die hohe Strahlqualität modernster, leistungsstarker CO²-Laser höchster Strahlqualität nutzt, um flexible Schweißaufgaben im Blechbereich zu realisieren. Festkörperlaser bieten als diodengepumpte Laser die höhere Strahlqualität und einen größeren Wirkungsgrad als lampengepumpte Laser (Einsatz, wenn robotergeführte Systeme den Vorteil der flexiblen Lichtleitfaser nutzen können). Modernste Variante ist der Scheibenlaser, der bei hohen Wirkungsgraden (18 %) Strahlqualitäten erreicht, die herkömmlichen CO²-Lasern entsprechen.

Dr. Wolfram Rath

Erschienen in Ausgabe: 01/2005