Anwendung von Laserwelding auf rostfreiem Stahl 2

Anwendung von Laserschweißen auf Edelstahl

Grundlagen des Laserschweißens

Das Verständnis der Grundlagen des Laserschweißens ist entscheidend, um feste und gleichmäßige Schweißnähte im Edelstahl zu erzielen. Der Prozess basiert auf eng kontrollierten Parametern, die die Eindringtiefe, die Schweißnahtbreite und die Größe der wärmeeinflussten Zone bestimmen. Die folgenden Konzepte definieren, wie ein Laser mit Edelstahl interagiert, und wie unterschiedliche Einstellungen die Ergebnisse beeinflussen.

Leitungs- vs. Tiefenschweißmodus

Leitungsmodus: Die Laserenergie schmilzt die Metalloberfläche, und die Wärme dringt hauptsächlich durch Wärmeleitung in das Material ein. Dies erzeugt flache, breite Schweißnähte mit geringer Verdampfung – ideal für dünne Materialien, geringe Wärmezufuhr und ästhetische Schweißnähte.

Tiefenschweißmodus: Bei höheren Leistungsdichten verdampft der Laser das Metall im Fokuspunkt des Strahls und erzeugt einen kleinen Hohlraum (Schlüsselloch). Der Strahl dringt tief in das Material ein und ermöglicht schmale, tiefe Schweißnähte in dickeren Materialabschnitten. Dieser Modus bietet maximale Eindringtiefe, erfordert jedoch eine präzise Steuerung, um Porosität und Instabilität zu vermeiden.

Dauerwelle (CW) vs. gepulst

Dauerwelle (CW): Liefert konstante, ununterbrochene Leistung. Ideal für lange, durchgängige Nähte, bei denen Geschwindigkeit und gleichmäßige Durchdringung im Vordergrund stehen – üblich in automatisierten Produktionslinien.

Gepulst: Liefert Energie in kontrollierten Impulsen. Nützlich für wärmeempfindliche Teile, feine Detailarbeiten oder Punktschweißen. Das gepulste Schweißen reduziert Verzug und Wärmeverfärbung und eignet sich daher für Präzisionsbaugruppen und dünne Edelstahlteile.

Strahlqualität, Spotgröße und Energie pro Längeneinheit

Strahlqualität: Eine höhere Strahlqualität (gemessen durch M²) erzeugt einen kleineren, besser fokussierten Spot, wodurch feinere Schweißnähte und eine tiefere Durchdringung bei geringerer Leistung ermöglicht werden.

Spotgröße: Kleinere Spots erhöhen die Energiedichte und verbessern die Durchdringung. Größere Spots verteilen die Wärme und verringern das Risiko von Durchschmelzen bei dünnen Materialien.

Energie pro Längeneinheit: Das Verhältnis aus Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit bestimmt die eingebrachte Gesamtenergie. Zu viel Energie verursacht Verformungen und ein zu großes Wärmeeinflussgebiet (HAZ); zu wenig führt zu schwacher oder unvollständiger Schmelze.

Wobble- und Scanning-Optiken

Wobble-Schweißen: Dabei wird der Laserstrahl während der Nahtführung in kleinen Mustern oszilliert. Verbessert das Überbrücken von Spalten, reduziert die Empfindlichkeit gegenüber Fügeungenauigkeiten und kann breitere, großzügigere Schweißnähte erzeugen.

Scanning-Optiken: Nutzen Spiegel oder Galvanometer, um den Laserstrahl mit hoher Geschwindigkeit über das Werkstück zu bewegen. Ermöglichen schnelle Musterveränderungen, mehrere Schweißstellen und die Integration in automatisierte Systeme. Sie sind insbesondere in der Serienfertigung und bei komplexen Geometrien von großem Wert.

Die Leistung des Laserschweißens hängt davon ab, wie Sie die Wechselwirkung zwischen Strahl und Material kontrollieren. Der Leitmodus eignet sich für feine, flache Schweißnähte, während der Schlüssellochmodus eine tiefe Durchdringung ermöglicht. Dauerstrich (CW) bietet Geschwindigkeit und Konsistenz, während der gepulste Modus die Wärme in empfindlichen Bauteilen kontrolliert. Die Strahlqualität und Spotgröße bestimmen die Energiedichte, und die Anpassung der Energie pro Längeneinheit an die Verbindung ist entscheidend für Festigkeit ohne Verzug. Fortgeschrittene Techniken wie Wobble-Schweißen und Scanning-Optiken erhöhen die Flexibilität und machen das Laserschweißen zu einem vielseitigen Werkzeug für die Verarbeitung von Edelstahl in verschiedenen Branchen.

Fügedesign- und Passgenauigkeitsregeln

Bei der Laserschweißtechnik wirken sich die Nahtgestaltung und die Passgenauigkeit direkt auf die Schweißqualität, das Durchschmelzen und das Erscheinungsbild aus. Im Gegensatz zu einigen Lichtbogenschweißverfahren bietet das Laserschweißen eine geringere Toleranz für große Spalte oder Fehlausrichtungen aufgrund des schmalen Strahls und des kleinen Schmelzbades. Die Wahl des richtigen Nahttyps, eine korrekte Kantenbearbeitung und eine präzise Passung sind entscheidend für feste, fehlerfreie Schweißnähte aus rostfreiem Stahl.

Stumpfnähte

Beschreibung: Zwei Teile, die in einer Ebene liegen und entlang ihrer Kanten verbunden werden.

Hinweise für das Laserschweißen: Funktioniert am besten mit minimalem oder ohne Spalt (<0,1 mm bei dünnen Abschnitten). Erfordert eine präzise Kantenvorbereitung, um unvollständige Verschmelzung zu vermeiden. Der Schlüssellochmodus wird häufig für dickere Abschnitte verwendet.

Anwendungen: Blechtafeln, Druckbehälter, Rohre.

Überlappungsnähte

Beschreibung: Ein Teil überlappt ein anderes, und der Laser dringt durch die obere Schicht in die untere ein.

Laser-Schweißaspekte: Effektiv zum Verbinden von unterschiedlichen Dicken. Die Überlappung sollte gleichmäßig sein, und die Oberflächen müssen sauber sein, um eingeschlossene Verunreinigungen zu vermeiden. Eine leichte Defokussierung kann die Konsistenz der Durchdringung verbessern.

Anwendungen: Karosserieteile, Gehäuse, dünne Strukturbaugruppen.

Stumpfnähte

Beschreibung: Miteinander verbundene Teile in einem Winkel, typischerweise 90°, wobei das Schweißmetall in die Ecke eingebracht wird.

Laser-Schweißaspekte: Ideal für Automatisierung, benötigt jedoch präzise Nahtausrichtung. Abrundung der Kanten kann den Zugang des Strahls in engen Ecken verbessern. Schwingschweißen kann helfen, die Naht gleichmäßig zu füllen.

Anwendungen: Rahmen, Halterungen, Kastenkonstruktionen.

Kanten und Ecken

Beschreibung: Beinhaltet Eckenverbindungen und Kantenanschweißungen, bei denen der Strahl das Material an der Grenze verschmilzt.

Lichtbogenschweißen: Besonders empfindlich gegenüber Ausrichtungsfehlern. Geringe Wärmeeinbringung minimiert Verzug, jedoch ist eine sorgfältige Spannung erforderlich, um die Geometrie zu bewahren. Wird häufig für dekorative Edelstahlteile verwendet, da die Nähte sauber und sichtbar sind.

Fasen und Anschlüsse

Beschreibung: Angeschweißte oder vorbereitete Kanten, die eine tiefere Durchdringung ermöglichen oder Füllstoffe aufnehmen.

Lichtbogenschweißen: Häufig bei dickeren Edelstahlabschnitten üblich, bei denen eine einseitige Durchdringung erforderlich ist. Der Fasenwinkel und die Stirnfläche müssen gleichmäßig sein; eine übermäßige Fase kann die Verbindungseffizienz verringern.

Anschweißen

Beschreibung: Kleine, vorübergehende Schweißnähte, die die Teile in der richtigen Position halten, bevor das endgültige Schweißen erfolgt.

Lichtbogenschweißen: Verhindert das Verschieben der Teile während des Schweißvorgangs und minimiert die Spaltvarianz. Lichtbogen-Anschweißnähte sind schnell, verursachen geringen Verzug und lassen sich leicht automatisieren. Der Abstand der Anschweißpunkte sollte zur Materialstärke und Steifigkeit des Verbindungsstücks passen.

Schweißen mit Laserstrahlung erfordert eine präzise Passung und gleichmäßige Nahtvorbereitung, da das Verfahren einen kleinen Schmelzpool erzeugt, der kaum Toleranzen gegenüber Spalten oder Fehlausrichtungen aufweist. Stumpfnähte benötigen nahezu perfekten Kantenkontakt, Überlappnähte erfordern saubere Überlappflächen, und Kehlnähte profitieren von exaktem Zugang zu den Ecken. Kanten, Ecken und Fasen müssen konsistent gestaltet sein, um eine vollständige Durchschmelzung zu gewährleisten, und das Anschweißen von Zwischenstellen stellt sicher, dass die Bauteile während des Hochgeschwindigkeitsschweißens ausgerichtet bleiben. Durch die Einhaltung dieser Regeln für Schweißnahtgestaltung und Passung werden Schweißnähte an rostfreiem Stahl stabil, präzise und optisch sauber sein.