Als Fachmann in der Blechbearbeitungsindustrie weiß ich, wie wichtig es ist, in die richtige Ausrüstung zu investieren. Eines der unverzichtbaren Werkzeuge für jede Blechbearbeitungsfabrik ist Laserschweißmaschinen. Diese Maschinen bieten unvergleichliche Präzision, Geschwindigkeit und Effizienz und sind daher unverzichtbar für die Verbesserung der Produktivität und das Erreichen hochwertiger Ergebnisse. In diesem Artikel erkläre ich Ihnen, warum Laserschweißmaschinen unverzichtbar sind und wie sie Ihre Metallbearbeitungsprozesse revolutionieren können.

Laserschweißmaschinen

Laserschweißen ist eine neue Schweißmethode, die sich vor allem für dünnwandige Materialien und Präzisionsteile eignet. Sie bietet die Vorteile einfacher Bedienung, schöner Schweißnähte und hoher Geschwindigkeit. Als unverzichtbare Kleinmaschine für Fabriken und Privathaushalte erfreuen sich Laserschweißgeräte in den letzten Jahren großer Beliebtheit. In diesem Artikel stellen wir Laserschweißgeräte aus verschiedenen Blickwinkeln detailliert vor, um Ihnen den Kauf und das Verständnis zu erleichtern.

Funktionsprinzip

Beim Laserschweißen werden hochenergetische Laserpulse eingesetzt, um ein Material in einem winzigen Bereich lokal zu erhitzen. Die Energie der Laserstrahlung wird durch Wärmeleitung an die innere Diffusion des Materials abgegeben. Das Material schmilzt und bildet ein spezifisches Schmelzbad. Es handelt sich um ein neuartiges Schweißverfahren, das hauptsächlich zum Schweißen dünnwandiger Materialien und Präzisionsteile sowie zum Punktschweißen, Stumpfschweißen, Stapelschweißen und Dichtschweißen geeignet ist. Es zeichnet sich durch ein hohes Verhältnis von Tiefe zu Breite, geringe Schweißnahtbreite, kleine Wärmeeinflusszone, geringe Verformung, hohe Schweißgeschwindigkeit, flache und schöne Schweißnähte, keine oder nur eine einfache Nachbehandlung nach dem Schweißen, hochwertige Schweißnähte, keine Porosität, präzise Steuerung, kleinen fokussierten Punkt, hohe Positioniergenauigkeit und einfache Automatisierung aus. Das Schweißen ist leicht zu automatisieren.

Haupttypen

Laserschweißgeräte werden auch häufig als Laserschweißgeräte mit negativer Energierückkopplung, Laserkaltschweißgeräte, Laser-Argonschweißgeräte, Laserschweißgeräte usw. bezeichnet. Je nach Arbeitsweise kann man sie oft in Laserformbrenner (manuelles Laserschweißgerät), automatische Laserschweißgeräte, Schmuck-Laserschweißgeräte, Laserpunktschweißgeräte, Glasfaser-Transmissions-Laserschweißgeräte, Schwingspiegelschweißgeräte, Handschweißgeräte usw. unterteilen. Spezielle Laserschweißgeräte sind Sensorschweißgeräte, Siliziumstahlblech-Laserschweißgeräte und Tastatur-Laserschweißgeräte. Die schweißbaren Formen sind: Punkte, Linien, Kreise, Quadrate oder beliebige flache Formen, die mit der Software AUTOCAD gezeichnet werden.

Schlüsselparameter

Die Leistungsdichte ist einer der wichtigsten Parameter bei der Laserbearbeitung. Bei hoher Leistungsdichte kann die Oberflächenschicht innerhalb von Mikrosekunden bis zum Siedepunkt erhitzt werden, wodurch große Mengen an Dämpfen entstehen. Daher sind hohe Leistungsdichten für Materialabtragsprozesse wie Stanzen, Schneiden und Gravieren von Vorteil. Bei niedrigeren Leistungsdichten dauert es mehrere Millisekunden, bis die Oberflächentemperatur den Siedepunkt erreicht und die untere Schicht den Schmelzpunkt erreicht, bevor die Oberflächenschicht verdampft. Dies erleichtert die Bildung einer guten Schmelzschweißnaht. Daher liegt die Leistungsdichte beim Leitungslaserschweißen im Bereich von 104 bis 106 W/m².

Die Pulswellenform ist ein wichtiger Aspekt beim Schweißen, insbesondere beim Dünnblechschweißen. Wird ein hochintensiver Strahl auf die Materialoberfläche gerichtet, geht die von der Metalloberfläche reflektierte Energie verloren, und die Reflexionsrate variiert mit der Oberflächentemperatur. Die Reflektivität des Metalls variiert während der Pulsdauer erheblich.

Die Impulsbreite ist einer der wichtigsten Parameter beim Impulsschweißen, sowohl im Hinblick auf den Materialabtrag und das Aufschmelzen des Materials als auch als Schlüsselparameter bei der Bestimmung der Kosten und der Größe der Verarbeitungsausrüstung.

Der Effekt des defokussierten Volumens beruht auf der hohen Leistungsdichte in der Mitte des Flecks am Laserbrennpunkt, die dazu neigt, in einem Loch zu verdampfen. Die Leistungsdichte ist in allen Ebenen abseits des Laserbrennpunkts relativ gleichmäßig verteilt. Es gibt zwei Arten der Defokussierung: positive und negative Defokussierung. Bei positiver Defokussierung befindet sich die Brennebene über dem Werkstück, bei negativer Defokussierung umgekehrt. Gemäß der Theorie der geometrischen Optik ist die entsprechende Ebene der Leistungsdichte ungefähr gleich, wenn die positiven und negativen Abstände zwischen Fokusebene und Schweißebene gleich sind. In der Praxis ist die Form des erhaltenen Schmelzbads jedoch anders. Bei negativer Defokussierung kann eine größere Schmelztiefe erzielt werden, was mit dem Bildungsprozess des Schmelzbads zusammenhängt.

Vorteilhafte Eigenschaften

Die Laserschweißmaschine zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad und einen einfachen Schweißprozess aus. Die berührungslose Arbeitsweise erfüllt die Anforderungen an Sauberkeit und Umweltschutz. Der Einsatz von Laserschweißmaschinen erhöht die Effizienz des Werkstücks und sorgt für ein schönes Erscheinungsbild, kleine Schweißnähte, große Schweißtiefen und eine hohe Schweißqualität. Laserschweißmaschinen werden häufig für die Bearbeitung von Zahnprothesen, Tastaturschweißen, Siliziumstahlschweißen, Sensorschweißen, Batterieverschlusskappenschweißen und vieles mehr eingesetzt. Laserschweißmaschinen stoßen in diesen Bereichen jedoch aufgrund ihrer hohen Kosten und der für die Montage des Werkstücks erforderlichen hohen Präzision an ihre Grenzen.

Anwendungsbereiche

Herstellung

Laserschweißtechnologie wird im ausländischen Automobilbau häufig eingesetzt. Laut Statistik gab es im Jahr 2000 weltweit über 100 Produktionslinien zum Laserschweißen von Blechzuschnitten. Die Jahresproduktion von geschweißten Blechzuschnitten für Autokomponenten betrug 70 Millionen Stück, und diese Zahl wächst weiterhin rasant. Auch in der Inlandsproduktion der ersten Modelle werden einige Blechzuschnitte verwendet. In Japan wird in der Stahlindustrie zum Verbinden von gewalzten Stahlcoils das CO2-Laserschweißen anstelle des Abbrennstumpfschweißens verwendet. Auch das Schweißen ultradünner Bleche, beispielsweise Folien mit einer Blechdicke von 100 Mikrometern oder weniger, ist bisher nicht möglich. Das YAG-Laserschweißen mit einer speziellen Ausgangsleistungswellenform ist jedoch erfolgreich und weist auf die große Zukunft des Laserschweißens hin. Japan hat außerdem als weltweit erstes Unternehmen das YAG-Laserschweißen erfolgreich für die Reparatur dünner Rohre von Dampferzeugern in Kernreaktoren usw. entwickelt. In Japan wird außerdem Laserschweißtechnologie für Zahnräder eingesetzt.

Pulvermetallurgie

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technik werden die speziellen Anforderungen vieler Industrietechnologien an die Werkstoffe immer mehr, und Schmelz- und Gussverfahren zur Werkstoffherstellung können diesen Bedarf nicht mehr decken. Pulvermetallurgische Werkstoffe bieten aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften und Fertigungsvorteile in einigen Bereichen wie der Automobil-, Flugzeug-, Werkzeug- und Schneideindustrie zunehmende Verdrängung traditioneller Schmelz- und Gusswerkstoffe. Mit der zunehmenden Entwicklung pulvermetallurgischer Werkstoffe treten auch in anderen Bereichen Verbindungsprobleme auf, sodass ihre Anwendung eingeschränkt ist. Anfang der 1980er Jahre eröffnete das Laserschweißen mit seinen einzigartigen Vorteilen in der pulvermetallurgischen Werkstoffverarbeitung neue Perspektiven für die Anwendung pulvermetallurgischer Werkstoffe. Beispielsweise wurden pulvermetallurgische Werkstoffe häufig in Verbindung mit dem Diamantlötverfahren eingesetzt. Aufgrund der geringen Festigkeit und der breiten Wärmeeinflusszone können sie insbesondere aufgrund des Abschmelzens des Lötmaterials nicht an hohe Temperaturen und Festigkeitsanforderungen angepasst werden. Durch Laserschweißen können die Schweißfestigkeit und die Temperaturbeständigkeit verbessert werden.

Automobilindustrie

In den späten 1980er Jahren wurden Laser der Kilowattklasse erfolgreich in der industriellen Produktion eingesetzt, und heute werden Laserschweißanlagen in großem Maßstab in der Automobilindustrie eingesetzt, wo sie zu den herausragendsten Errungenschaften der Branche zählen. Europäische Automobilhersteller waren die ersten, die bereits in den 1980er Jahren das Laserschweißen zum Schweißen von Dach-, Karosserie- und Seitenrahmenblechen einsetzten, und in den 1990er Jahren wetteiferten die USA um die Einführung des Laserschweißens in der Automobilherstellung, die sich trotz eines späten Starts schnell entwickelte. Italien nutzte das Laserschweißen zum Schweißen der meisten Stahlblechkomponenten, Japan verwendet das Laserschweiß- und -schneideverfahren zur Herstellung von Karosserieverkleidungen. Lasergeschweißte Baugruppen aus hochfestem Stahl werden aufgrund ihrer hervorragenden Leistung im Karosseriebau zunehmend eingesetzt. Laut Statistiken des US-Metallmarkts wurde der Verbrauch lasergeschweißter Stahlkonstruktionen bis Ende 2002 im Vergleich zu 1998 um 70.000 t erhöht, was einer Verdreifachung entspricht. Entsprechend den Anforderungen der Automobilindustrie werden hochautomatisierte Laserschweißgeräte mit hoher Leistung und Mehrwegeausrichtung eingesetzt. Das Sandia National Laboratory und PrattWitney in den USA forschen gemeinsam am Laserschweißen mit Zusatz von Metallpulver und Metalldraht. Das Bremer Institut für Angewandte Strahltechnik in Deutschland hat zahlreiche Studien zum Laserschweißen von Karosserieskeletten aus Aluminiumlegierungen durchgeführt. Die Zugabe von Zusatzmetallen in der Schweißnaht trägt dazu bei, thermische Risse zu vermeiden, die Schweißgeschwindigkeit zu verbessern und Toleranzprobleme zu lösen. Die entwickelte Linie wird bereits im Werk produziert.

Elektronikindustrie

Laserschweißen wird in der Elektronikindustrie, insbesondere in der Mikroelektronik, häufig eingesetzt. Aufgrund der kleinen Wärmeeinflusszone, der schnellen Heizkonzentration und der geringen thermischen Belastung wird das Laserschweißen bei der Verpackung von integrierten Schaltkreisen und Halbleitergehäusen eingesetzt und zeigt dort seine einzigartige Überlegenheit. Laserschweißen wurde auch bei der Entwicklung von Vakuumgeräten eingesetzt, beispielsweise bei Molybdän-Fokussierstangen mit Edelstahl-Stützringen und schnell aufheizenden Kathodenfilamentbaugruppen. Sensoren oder Temperaturregler in elastischen, dünnwandigen Wellblechen mit einer Dicke von 0,05–0,1 mm sind mit herkömmlichen Schweißverfahren nur schwer zu lösen. WIG-Schweißen führt leicht zum Durchschweißen, die Plasmastabilität ist schlecht, der Einfluss vieler Faktoren und die sehr gute Wirkung des Laserschweißens sind weit verbreitet.

Biomedizin

Das Laserschweißen von biologischem Gewebe begann in den 1970er Jahren mit dem Laserschweißen von Eileitern und Blutgefäßen, und der Erfolg zeigte sich als überlegen, sodass immer mehr Forscher versuchten, eine Vielzahl von biologischen Geweben zu schweißen, und diese Forschung auf das Schweißen anderer Gewebe ausgeweitet wurde. Die Forschung zum Laserschweißen von Nerven im In- und Ausland konzentrierte sich auf die Laserwellenlänge, Dosis und ihre funktionelle Wiederherstellung sowie die Auswahl von Laserschweißmaterialien und andere Forschungsaspekte. Liu Tongjun führte das Laserschweißen von kleinen Blutgefäßen und Haut sowie andere Grundlagenforschungen auf der Grundlage von Schweißstudien am gemeinsamen Gallengang von Ratten durch. Im Vergleich zu herkömmlichen Nahtmethoden hat das Laserschweißen die Vorteile einer schnellen Anastomose, keiner Fremdkörperreaktion während des Heilungsprozesses, der Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften des geschweißten Bereichs und des Wachstums des reparierten Gewebes entsprechend seinen ursprünglichen biomechanischen Eigenschaften.

Andere Bereiche

Auch in anderen Branchen, insbesondere beim Schweißen spezieller Materialien, nimmt das Laserschweißen stetig zu. In China wurden zahlreiche Studien durchgeführt, beispielsweise zum Laserschweißen von Titanlegierungen BT20, Legierungen HEl30, Lithium-Ionen-Batterien usw. Deutschland hat eine neue Technologie zum Laserschweißen von Flachglas entwickelt.

Schweißverfahren

Widerstandsschweißen wird zum Schweißen dünner Metallteile verwendet, indem das zu schweißende Werkstück zwischen zwei Elektroden geklemmt wird. Die von den Elektroden berührte Oberfläche wird durch einen hohen Strom geschmolzen, d. h. durch Widerstandserhitzung des Werkstücks wird der Schweißvorgang durchgeführt. Das Werkstück verformt sich leicht, und beim Widerstandsschweißen werden beide Seiten der Verbindung geschweißt, während beim Laserschweißen nur eine Seite geschweißt wird. Die beim Widerstandsschweißen verwendeten Elektroden müssen regelmäßig gewartet werden, um Oxide und Metallanhaftungen am Werkstück zu entfernen. Beim Laserschweißen dünner Metallüberlappverbindungen wird das Werkstück hingegen nicht berührt. Darüber hinaus kann der Strahl auch in Bereiche eindringen, die mit herkömmlichem Schweißen schwer zu schweißen sind, und die Schweißgeschwindigkeit ist hoch.

Beim Argon-Lichtbogenschweißen werden nicht verbrauchende Elektroden mit Schutzgas verwendet. Es wird üblicherweise zum Schweißen dünner Werkstücke verwendet. Allerdings ist die Schweißgeschwindigkeit geringer und die Wärmezufuhr viel größer als beim Laserschweißen, sodass es zu Verformungen kommt.

Plasmalichtbogenschweißen ähnelt dem Argonlichtbogenschweißen, aber der Brenner erzeugt einen komprimierten Lichtbogen, um die Lichtbogentemperatur und Energiedichte zu erhöhen. Dies ist schneller und tiefer als beim Argonlichtbogenschweißen, aber schlechter als beim Laserschweißen.

Beim Elektronenstrahlschweißen trifft ein beschleunigter Strom energiereicher Elektronen auf das Werkstück und erzeugt in einem kleinen, dichten Bereich auf der Werkstückoberfläche enorme Wärme. Dadurch entsteht ein „kleines Loch“ und eine tiefe Schmelzschweißnaht. Die Hauptnachteile des Elektronenstrahlschweißens sind die Notwendigkeit einer Hochvakuumumgebung zur Vermeidung von Elektronenstreuung, die Komplexität der Ausrüstung, die durch die Vakuumkammer begrenzte Größe und Form des Schweißteils und die strengen Anforderungen an die Qualität der Schweißteilmontage. Elektronenstrahlschweißen ohne Vakuum ist zwar auch möglich, beeinträchtigt jedoch aufgrund von Elektronenstreuung und schlechter Fokussierung die Ergebnisse. Elektronenstrahlschweißen ist zudem mit magnetischer Ablenkung und Röntgenstrahlen verbunden, da Elektronen elektrisch geladen sind und durch magnetische Ablenkung beeinflusst werden können. Daher müssen Werkstücke, die mit Elektronenstrahlen geschweißt werden, vor dem Schweißen entmagnetisiert werden. Laserschweißen erfordert keine Vakuumkammer und keine Entmagnetisierung des Werkstücks vor dem Schweißen. Es kann in der Atmosphäre durchgeführt werden und weist keine Röntgenschutzprobleme auf. Es kann daher inline betrieben werden und auch magnetische Materialien schweißen.

Video Demo