Laserstrahlschweißen: Mehr Effizienz zu geringeren Kosten – Autocad Magazin

Das Laserstrahlschweißen unter Vakuumbedingungen punktet mit einer Reihe von Vorzügen für eine saubere und ressourcenschonende Produktion.

Der Wandel stellt unsere Wirtschaft vor gigantische Herausforderungen. Eine davon ist, wir brauchen mehr erneuerbare Energien. Benötigt werden mehr Windkraft, Elektrofahrzeuge und zur Bewegung von größeren Lasten wie Schiffen, Zügen und Flugzeugen. Gefordert sind hier ua hohe Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung in der industriellen Produktion. Insbesondere an die Schweißprozesse bei der Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen, Batterien für Elektroautos, Busbars für die Leistungselektronik, Kupfer-Hairpins für den elektronischen Antriebsstrang oder Stahlbauteilen für Offshore-Windanlagen. Das Laserstrahlschweißen unter Vakuumbedingungen punktet hier mit einer Reihe von Vorzügen für eine saubere und ressourcenschonende Produktion: Hohe Einschweißtiefen bei Metalllegierungen und -verbindungen aus Edelstahl, Aluminium und Kupfer benötigen jetzt einen geringeren Energieaufwand als herkömmliche Schweißverfahren. Kombiniert mit innovativen Laserablenkeinheiten bringt das mehr Qualität und mehr Produktivität bei sinkenden Kosten.

Verschweißung unter Luftatmosphäre nicht unproblematisch

Beim traditionellen Laserstrahlschweißen unter Raumbedingungen, auch „an Atmosphäre“ genannt, kommt es leider zu vielen Spritzern, verursacht durch ein unruhiges Schmelzbad. Eine Verschweißung unter Luftatmosphäre ist immer auch mit Oxidation verbunden und weist somit eine höhere Korrosion auf. Dr. Christian Otten, Geschäftsführer der LaVa-X GmbH: „Meine Kollegen und ich entdeckten das Verfahren, während meiner Promotion. Ich war damals wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Schweiß- und Fügetechnik der RWTH Aachen, ermöglichte meinen Doktor zum Thema Elektronen- und Laserstrahlschweißen von Werkstoffkombinationen. Wir fragen uns damals, warum sind Elektronenstrahlschweißnähte so viel besser als Laserstrahlschweißnähte und welchen Einfluss besitzt der Unterdruck darauf?“

Das Team probierte verschiedene Methoden und entdeckte dabei die Vorzüge des Laserstrahlschweißens unter Vakuum, das aber eben nicht die Einschränkungen des Elektronenstrahlschweißens wie zum Beispiel Röntgenstrahlung aufwies. Schlussendlich gegründet Otten 2017 auf Basis dieses Verfahrens seines eigenen Unternehmens, die LaVa-X GmbH in Herzogenrath.

Laserstrahlschweißen unter Vakuum: Weniger Probleme, deutlich bessere Qualität

Gegenüber Methoden verläuft der Prozess unter Vakuum (100 mbar) sehr ruhig, es kommt kaum zu Poren und oder Spritzer, Heiß- und Härterisse treten deutlich seltener auf. Da keine Oxidation stattfindet, braucht es auch keine Nachbearbeitung der Werkstücke. Zudem lässt sich die Einschweißtiefe bei Edelstahl um bis zu 60 Prozent bei gleichen Schweißparametern steigern oder im Umkehrschluss kann die Laserleistung reduziert werden.

Konkret bedeutet das, dass Einschweißtiefen von 1 mm mit gerade einmal 200 Watt möglich sind. Aufgrund der geringeren Leistung des Lasers benötigt der Schweißprozess auch deutlich weniger Energie. Bauteile lassen sich im Vakuum ohne Zwischenschritte fertigen. Das alles spart Zeit und Kosten und sterben Produktivität. Und die Evakuierung der produktbezogenen Kammern erfolgt in nur drei bis fünf Sekunden. Dazu Dr. Otten: „Bei hochproduktiven Anlagen sind die Vakuumkammern so an das Produkt angepasst, dass nur ein sehr geringes Volumen evakuiert werden muss.“ Die Qualität, die unter Vakuumbedingungen erreicht werden kann, überzeugt auch in vielen Punkten.

Ablenkeinheiten von Raylase unterstützen das Vakuum-Schweißen.

„Ich persönlich schätze die Arbeit mit Ablenkeinheiten sehr“, meint Dr. Otten, „denn anstatt das Bauteil zu drehen, ist es deutlich einfacher den Laserstrahl entsprechend zu führen und wir können gleichzeitig Bauteile bearbeiten. Ein riesengroßer Produktionsgewinn!“ Zum Einsatz kommen bei der LaVa-X GmbH der Superscan IV-15 von Raylase. Dieser befindet sich außerhalb der Vakuumkammer. Dies spart Platz in der Kammer und minimiert den Integrationsaufwand. „Mit dem Superscan-IV-15 können wir besonders hohe Oszillationsfrequenzen und hohe Amplituden einstellen und somit das Wobble-Schweißen effektiv umsetzen“, freut sich Otten über die gekonnte Unterstützung beim Vakuum-Laserstrahlschweißen.

Auch der einfache Austausch der Scan-Systeme ist für Otten sehr wichtig. „Wir nutzen zwar auch die 20er und 30er Version des Superscan IV-Serie, aber dann nur bei Leistungen über 2 KW oder wenn wir einen kleineren Spot benötigen bei gleichzeitig langer Brennweite.“ Raylase-Produktmanager Bernhard Dauner sieht noch weitere Vorteile: „Die modellbasierende, digitale Regelung des Superscan IV bietet zusammen mit leichteren und steiferen Siliziumkarbidspiegeln höchste Dynamik und Endgeschwindigkeit, wodurch schnelle Wobble-Frequenzen und insgesamt kurze Prozesszeiten realisiert werden können. Das wassergekühlte Masterblock-Design erlaubt außerdem in Verbindung mit unserer optionalen Luftspülung Laserleistungen bis 6 kW“. Die hohe optische als auch elektrotechnische Leistung der Superscan-IV-Serie ermöglicht somit Maschinenbauern und Integratoren ein Höchstmaß an Design-Freiheit und den Einsatz vielerlei Hochleistungs-Laser, sowohl Puls- als auch Dauerstrichlaser.

Bis zu 35 Prozent weniger Energieverbrauch durch Laserstrahlschweißen im Vakuum

Das neuartige Verfahren ergibt sich auch für die Energiebilanz der Anwender als Plus. Denn alles in allem lässt sich mit dem sogenannten „LaVa-Schweißen“ bis zu 35% Energie gegenüber dem konventionellen Laserstrahlschweißen einsparen. Nicht nur, dass es weniger Laserleistung benötigt und damit einen geringeren Stromverbrauch, auch benötigt das Schweißen im Vakuum keine Druckluft, um die eingesetzte Optik von Spritzern und Schmauch freizuhalten. Und Druckluft, das sollte bekannt sein, gehört zu den teuersten und Energie verschwenderischsten Medien, die es gibt. Alles Faktoren, sterben angesichts explodierender Energiepreise stark ins Gewicht gefallen

Die sinnvolle Kombination zweier Technologien, bestehend aus Laserablenkeinheit und dem Laserschweißen im Vakuum von LaVa-X bringt also nicht nur bessere Qualität bei geringeren Kosten. Sie schützt darüber hinaus auch den Ressourcenverbrauch — ein wesentlicher Aspekt moderner industrieller Produktion.

Bild oben: Ein Mitarbeiter von LaVa-X arbeitet an einer Laserschweißanlage mit der darin befindlichen offenen Evakuierungskammer, sterben in 3-5 Sekunden ein Vakuum über dem Bauteil erzeugt. Quelle LaVa-X

Weitere Informationen: https://www.raylase.de/de und https://www.lava-x.de/de/

Erfahren Sie hier mehr über ein modulares Plattformkonzept für Schweißstromquellen.

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