Laserline, OTS-5 Schweißoptik

Mit speziellen Bearbeitungsoptiken wie dieser von Laserline lassen sich optisch einwandfreie Schweißnähte fertigen. - Bild: Laserline

Neue Werkstoffe, herausfordernde Materialien, Elektromobilität und flexible Prozesse bringen Unternehmen, die sich mit Laserschweißen beschäftigen, immer neue Aufgaben. Das Schweißen soll ohne zusätzlichen Werkstoff möglich sein, um Zeit und Kosten zu sparen. Häufig sind eine hohe Prozess-Stabilität und Reproduzierbarkeit das Ziel.

"Im Bereich Laserschweißen erreichen uns momentan vor allem Anfragen zum Batterie-Schweißen in der Elektromobilität", berichtet Kerstin Schaumberger, Leiterin Prozesstechnik Metalle am Bayerischen Laserzentrum. "Dort müssen Kupfer und Aluminium verbunden werden, was metallurgisch schwer ist, da beide Metalle hoch reflektiv sind." Generell seien Aluminium und dessen Legierungselemente ein großes Thema, beispielsweise in der Elektronikproduktion, denn dort müssen besonders feine Geometrien hergestellt werden.

Lasertechnik stellt sich neuen Herausforderungen beim Schweißen

In den vergangenen Jahren wurden hauptsächlich neue Laser mit immer mehr Leistung oder anderen Wellenlängen entwickelt, um neue Prozesse möglich zu machen. Doch die momentanen Herausforderungen beim Laserschweißen lassen sich allein damit nicht lösen. Daher arbeiten Laser-Hersteller ebenfalls an neuen Verfahren, die präziser und sauberer sind als die bisherigen.

"Um besonders exakte Schweißnähte zu erstellen, müssen diese frei von Spritzern, Einschlüssen oder Rissen sein", so Kerstin Schaumberger. "Dafür werden geringe Fokusdurchmesser und hohe Energie-Intensitäten des Laserlichts eingesetzt.  Auch ein speziell geformter Laserstrahl, der zum Beispiel im Außenbereich eine niedrigere Intensität hat und in der Mitte eine besonders hohe, kann die Schweißnaht-Qualität ebenfalls positiv beeinflussen."

Laser mit speziellen Strahlprofilen optimieren den Prozess

Auf solche inhomogene Intensitätsprofile bei Lasern setzt beispielsweise die Clean-Weld-Technologie von Coherent. Sie ist eine Weiterentwicklung des Faserlaserschweißens, der ein integrierter Ansatz zugrunde liegt. Das Programm zielt darauf ab, Faserlaser-Schweißverfahren zu entwickeln, die weniger Spritzer und Risse erzeugen und optimierte Porosität, verbesserter Prozesskonsistenz und geringere Kosten für viele verschiedene Anwendungen möglich machen.

Coherent, Zahnrad-Schweißen, Laser
Bei der Clean-Weld-Technologie setzt Coherent Rofin auf unterschiedliche Strahlintensitäten, wodurch weniger Spritzer und eine geringere Porosität erreicht werden können und Mikrorisse vermieden werden. - Bild: Coherent

Kern der Lasertechnologie sind einzigartige Strahlintensitätsprofile, die mithilfe von Faserlasern mit einstellbarem Ringmode (Adjustable Ring Mode, ARM) erreicht werden. Der Strahl eines solchen Lasersystems hat ein zentrales Gaußsches Intensitätsprofil, das umgeben ist von einem intensiven, konzentrischen Ring.

Dabei kann die Leistung des Lasers im Kern und im Ring bei Bedarf unabhängig voneinander eingestellt werden. Kern- und Ringstrahl des Lasers können sogar unabhängig voneinander mit einer Wiederholungsrate von bis zu 5 kHz moduliert werden.

Es gibt auf diese Weise eine nahezu unbegrenzte Anzahl möglicher Kombinationen für das Leistungsverhältnis des inneren und äußeren Strahls. Dies ermöglicht es, beim Laserschweißen immer ein auf die jeweilige Anwendung angepasstes Profil parat zu haben.

Laserschweißen mit individuell angepassten Intensitäten überzeugt

Diese anwendungsoptimierten Intensitäten der Laser haben sich in Untersuchungen als effektiv erwiesen: Exemplarisch konnte beim Tiefschweißen von Aluminium-Batteriegehäusen mit einem ARM-Laser eine stabile Schweißnaht, die frei von Verformungen ist, produziert werden. Die vordere Zone des Ringstrahls erhöht dabei die Aluminiumtemperatur ausreichend, um die Absorption bei der Laser-Wellenlänge zu erhöhen. Die Mitte des Laserstrahls erzeugt dann das Schlüsselloch, das dank der Vorerwärmung sehr stabil ist. Der hintere Teil des Laserstrahls verlängert die Schmelzzone, damit das Gas besser entweichen kann. Daraus resultiert ein gleichmäßiger, gut kontrollierbarer Laser-Tiefschweißprozess, der Schweißnähte mit höherer Qualität, ohne Porosität und Spritzer erzeugt.

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Doch nicht nur Laser mit inhomogenen Strahlprofilen können die Nahtqualität beim Laserschweißen verbessern, sondern auch optische Elemente wie der Fokusdurchmesser, die Rayleigh-Länge oder besondere Arten der Strahlformung.

"Die Formung des Laserlichts in Linien, mehrere Spots oder Ähnliches bietet eine Vergrößerung des Wirkraumes und die Intensitätsverteilung kann eingestellt werden", erklärt Sarah Nothdurft, Leiterin der Gruppe Fügen und Schneiden von Metallen des Laser Zentrum Hannover. "Mit diesen Verfahren ist eine Wärmebehandlung des Materials, das Vorwärmen und Nachwärmen und eine Oberflächenaktivierung im Fügeprozess möglich."

Spezielle Optiken für hochwertige Ergebnisse beim Laserschweißen

Ein solches Verfahren ermöglichen die Bearbeitungsoptiken von Laserline. Das Unternehmen hat sich auf Diodenlaser spezialisiert und möchte mit speziell auf die jeweiligen Fertigungsprozesse zugeschnittenen Optiken hochwertige Ergebnisse beim Schweißen realisieren. Dabei spielt außer der Leistung der Laserstrahlung vor allem auch die Wahl einer geeigneten Fokusgeometrie eine große Rolle.

Video: Laserschweißen im Einsatz

Neben Fokussen mit homogener Intensitätsverteilung in Kreis-, Linien- oder Rechteckform sind auch Ring-, Doppel- oder Triple-Fokusse möglich. Diese werden mithilfe von Strahlformungsmodu­len oder einem Multi-Spot-Modul erzeugt. Besonders innovativ ist der Triple-Spot, bei dem der Laserstrahl in zwei kleine Spots mit geringer Leistung und einen größeren, rechteckigen Spot mit hoher Leistung aufgeteilt wird.

Laserline, Triple-Spot-Strahl
Der mit der Triple-Spot-Optik erzeugte Laserstrahl besteht aus zwei kleinen Punkten, die das Material vorwärmen und einem großen Rechteck-Fokus mit hoher Intensität zum eigentlichen Schweißen. - Bild: Julia Dusold

Die kleinen Laser-Spots dienen dazu, das Material anzuschmelzen, der große ist für den eigentlichen Schweiß­vorgang zuständig. Diese besondere Kombination ermöglicht hohe Prozessgeschwindigkeiten bei gleichzeitig qualitativ hochwertigen Bearbeitungsergebnissen.

Die genannten Beispiele zeigen, dass nicht nur die Laserleistung al­lein für optimales Laserschweißen sorgen kann. Eine intelligente Strahlformung des Lasers wird in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen.

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