Billig wie nie: Laserschweißen lohnt sich

"Im Bereich der Türen- und Klappenfertigung setzt der bayerische Premiumautobauer seit Jahren sowohl bei Stahl wie auch bei Aluminiumtüren und Klappen auf die Fertigung mittels Laserstrahlschweißen", berichtet Dr. Florian Oefele, Leiter Innovationen im Produktionsressort bei BMW.

Lange haben die vergleichsweise hohen Kosten des Verfahrens sowie die notwendige Sicherheitstechnik Anwender in anderen Branchen abgeschreckt. Doch das ändert sich. "Wir sehen Laserschweißen im Allgmeinen als Zukunftstechnologie – denn die Einsatzbereiche nehmen zu und die Kosten für das Verfahren sinken", bestätigt Jan Pitzer, Schweißfachingenieur Anwendungstechnik bei Cloos.

Das Verfahren Laserstrahlschweißen kommt laut Dr. Dirk Dittrich, Gruppenleiter Laserstrahlschweißen am Fraunhofer IWS, immer dann zum Einsatz, wenn hohe Effizienz und eine hohe Verfügbarkeit der Anlagen in der Fertigung erforderlich sind. "Laserstrahlschweißen eignet sich besonders dort, wo die Schweißaufgabe ein Verfahren bedingt, mit dem der Energieeintrag ins Bauteil sehr gering ist, der für Schweißverbindung zulässige Verzug minimal sein soll und hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden müssen", erklärt er. Unter Laserstrahlschweißen werde in diesem Fall das Tiefschweißen, das heißt die Erzeugung großer Nahttiefe bei minimaler Wärmeeinbringung, verstanden.

Gerhard Weihbrecht, Geschäftsführender Gesellschafter von Weihbrecht Lasertechnik, schweißt immer dann per Laser, wenn die konventionelle Schweißverfahren versagen. "Denn die Laserschweißnaht ist im Verhältnis unschlagbar und lohnt sich vor allem bei langen Nähten, dünnwandigen Werkstoffen und wenn hohe Präzision gefordert ist." Es sei auch möglich, beim Laserschweißen Material zu­zuführen. "Dies ist gefordert, wenn es um Tiefenverschweißungen geht. Dann wird Schweißdraht zugeführt wie beim WIG-Schweißen." Weihbrecht nutzt diese Technik zum Beispiel beim Verschweißen von Drahtgewebe für Filter per Laser.

Für Pitzer von Cloos lohnt sich Laserschweißen grundsätzlich bei großen Stückzahlen, zum Beispiel als Alternative zum WIG-Schweißen. "Das Verfahren eignet sich für anspruchsvolle Materialien wie Chrom-Nickel Stähle, hochfeste Stähle, Aluminium oder wenn der Auftrag im Hygienic Design ausgeführt werden muss", verrät der Schweißfachingenieur. Denn beim Laserschweißen entstehe eine glatte und saubere Schweißnaht ohne Spritzer. Daher kommt das Verfahren zum Beispiel auch beim Bau von Anlagen für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie zum Einsatz, die strengen hygienischen Richtlinien entsprechen müssen.

Doch auch die Elektronikbranche kann in Zukunft von der thermischen Fügetechnik profitieren. So hat das Fraunhofer ILT mit LIMBO (Laser Impulse Metal Bonding) ein Laserschweißverfahren entwickelt, das nur ein Minimum an Energie in das Bauteil einbringt. "Es erschließt völlig neue Anwendungsfelder beim Fügen von temperaturempfindlichen Bauteilen – etwa im Bereich der Elektronikfertigung", erklärt Simon Britten, Leiter des Projekts LIMBO.

Mit dem Verfahren könnten nun auch Verbinderleiter mit einer Dicke von 200 μm und mehr auf dünne Metallisierungen thermisch gefügt werden. "Wir steuern den insgesamt nur weniger als 20 Millisekunden dauernden Prozess so, dass die Anbindung im Wesentlichen durch einen Schmelzetransfer erfolgt", sagt Britten.

Speziell bei Schweißaufgaben mit dickwandigen Materialien setzt Kuka Industries wiederum auf das sogenannte Laserhybrid-Schweißverfahren. Es bietet laut dem Anlagenbauer Vorteile hinsichtlich Prozessstabilität, -geschwindigkeit und -kosten. So konnten bereits Projekte im Schienenfahrzeugbau wie etwa das Schweißen des Fahrgestells sowie der Außenhaut realisiert werden. Aber auch in der Bauindustrie ergeben sich ganz neue Anwendungsfelder für die Lasertechnik wie dem Schweißen von Schaufeln, Auslegern und Baggerarmen. Die Kundenanforderung setzte voraus, dass es lediglich eine geringe bis keine Nachbearbeitung der Nähte geben soll. Das bedeutet hochpräzise Bearbeitung der Bauteile mit minimaler Nahtüberhöhung, da diese teleskopmäßig ineinandergefügt werden.

Wie Dittrich vom Fraunhofer IWS mitteilt, sind Berechnungssätze vorhanden, um die Wirtschaftlichkeit einer Laserschweißanwendung zu beurteilen. "Das Know-how liegt dabei in der Berücksichtigung der individuellen Rahmenbedingungen, die für das Bauteil oder ausführende Unternehmen anzusetzen sind. So könne ein Bauteil, welches besondere Leichtbaukriterien erfüllt, hohe Belastungen erträgt und verzugsarm gefügt wird, auch bei geringen Stückzahlen wirtschaftlich darstellbar sein. Grundsätzlich sei bei der Entwicklung der Lasertechnik in den vergangenen Jahren eine Steigerung des Preis-Leistungs-Verhältnisses zu verzeichnen, so auch Dittrichs Fazit.

Laserschweißen in der Praxis

Produktion: Herr Oefele, welche Vor- und Nachteile hat Laserschweißen grundsätzlich?

Neben den bekannten Vorteilen der Lasertechnik ist aus meiner Sicht vor allem die Möglichkeit der berührungslosen und einseitigen Fügetechnik über den sehr präzise führ-, positionier- und regelbaren Laserstrahl hervorzuheben. Dadurch werden qualitativ hochwertige Anwendungen wie zum Beispiel die BMW-Türaußenhautschweißungen in Stahl oder sogar Aluminium möglich.

Durch die berührungslose Fügetechnik ist der Laserstrahl dabei sehr einfach und schnell auf dem Bauteil positionierbar, wodurch die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu konventionellen Fügeverfahren wie Punktschweißen drastisch verbessert wird. Des Weiteren sind durch die präzise und regelbare Energieeinbringung völlig neue Konstruktionsprinzipien mit deutlichen Kundenvorteilen etwa in Bezug auf Gewicht, Sichtwinkel, Qualität, Korrosionsbeständigkeit möglich.

Diese Vorteile gehen jedoch mit einer höheren System- und Fügekomplexität einher, die durch erhöhte Schulungs- und Ausbildungsmaßnahmen beherrscht werden muss. In vielen Fällen sind die Gesamtkosten der Applikation durch aufwändige Bauteilspannkonzepte, Lasersicherheitsmaßnahmen und zusätzliche Qualitätssicherheitssysteme höher als bei konventionellen Fügekonzepten.

Bitte beschreiben Sie eine neue Laserschweiß-Applikation bei BMW.

Im Bereich der Türaußenhaut wird das Türinnenblech mit der Türaußenhaut mittels taktilem Laserstrahlschweißen durch eine qualitativ hochwertige Laserstrahlsichtnaht verschweißt. Im neuen BMW 7er wird diese Sichtnaht erstmalig in der Automobilindustrie mit einer 6000er Aluminiumlegierung realisiert.

Hierdurch wird die Korrosionsbeständigkeit, die Steifigkeit und die Qualität der Tür gesteigert und die Fertigungskosten durch die Reduzierung der Fertigungsschritte und die Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit reduziert.

Dr. Florian Oefele arbeitet als Leiter Innovationen im Produktionsressort beim Autobauer BMW in München.