Schweißverfahren für Mikro- und Kleinteile: Laserschweißen ist ein effizientes und präzises Schweißverfahren, das einen Laserstrahl mit hoher Energiedichte als Wärmequelle nutzt. Es zählt zu den wichtigsten Anwendungen der Lasermaterialbearbeitung. In den 1970er Jahren wurde es hauptsächlich zum Schweißen dünnwandiger Werkstoffe und für Niedriggeschwindigkeitsschweißungen eingesetzt. Der Schweißprozess gehörte zum Wärmeleitungstyp. Konkret erhitzt die Laserstrahlung die Werkstückoberfläche, und die Wärme breitet sich durch Wärmeleitung nach innen aus. Durch die Steuerung von Parametern wie Pulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Wiederholfrequenz der Laserpulse wird das Werkstück aufgeschmolzen und ein spezifisches Schmelzbad gebildet. Aufgrund seiner einzigartigen Vorteile wird es erfolgreich eingesetzt für …Präzisionsschweißen von Mikro- und Kleinteilen.Chinas Laserschweißtechnologie zählt zu den weltweit fortschrittlichsten. Sie ermöglicht die Herstellung komplexer Titanlegierungsbauteile mit einer Fläche von über 12 Quadratmetern mittels Laser und wurde bereits in der Prototypen- und Produktfertigung mehrerer inländischer Luftfahrtforschungsprojekte eingesetzt. Im Oktober 2013 erhielt ein chinesischer Schweißexperte den Brook Award, die höchste wissenschaftliche Auszeichnung im Bereich Schweißen, was Chinas Weltklasseniveau im Laserschweißen bestätigte.
## Entwicklungsgeschichte Der weltweit erste Laserstrahl wurde 1960 durch Anregung von Rubinkristallen mit einer Blitzlampe erzeugt. Aufgrund der begrenzten Wärmekapazität des Kristalls konnten nur sehr kurze Pulse mit niedriger Frequenz erzeugt werden. Obwohl die momentane Pulsspitzenenergie bis zu 10⁶ Watt erreichen konnte, zählte die Leistung dennoch zu den niedrigen. Ein mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Kristallstab (Nd:YAG), bei dem Neodym (Nd) als Anregungselement dient, kann einen kontinuierlichen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,06 μm und einer Leistung von 1–8 kW erzeugen. Der YAG-Laser kann über eine flexible Glasfaser mit dem Laserbearbeitungskopf verbunden werden und ermöglicht so eine flexible Gerätekonfiguration und eignet sich zum Schweißen von Werkstücken mit einer Dicke von 0,5–6 mm. Der CO₂-Laser, der Kohlendioxid als Anregungsmaterial nutzt (Wellenlänge 10,6 μm), erreicht eine Ausgangsenergie von bis zu 25 kW und ermöglicht das vollständige Durchschweißen von 2 mm dicken Blechen in einem Arbeitsgang. Er findet breite Anwendung in der Metallverarbeitung. Mitte der 1980er-Jahre erregte das Laserschweißen als neue Technologie großes Aufsehen in Europa, den USA und Japan. 1985 setzten ThyssenKrupp Steel AG und Volkswagen AG (beide Deutschland) gemeinsam den weltweit ersten lasergeschweißten Rohling für die Karosserie des Audi 100 ein. In den 1990er-Jahren begannen führende Automobilhersteller in Europa, Nordamerika und Japan, die Technologie lasergeschweißter Rohlinge in der Karosseriefertigung flächendeckend einzusetzen. Die praktischen Erfahrungen aus Laboren und der Automobilindustrie belegen die erfolgreiche Anwendung lasergeschweißter Rohlinge in der Karosserieproduktion. Das Laser-Tailor-Schweißen nutzt Laserenergie, um verschiedene Stähle, Edelstähle, Aluminiumlegierungen usw. mit unterschiedlichen Materialien, Dicken und Beschichtungen automatisch zu einer integrierten Platte, einem Profil oder einer Sandwichplatte zu verbinden. Dadurch werden die unterschiedlichen Materialanforderungen der Bauteile erfüllt und eine Leichtbauweise mit minimalem Gewicht, optimaler Struktur und bester Leistung erreicht. In entwickelten Ländern wie Europa und den Vereinigten Staaten,Laser-SchneidenDie Laserschweißtechnik wird nicht nur in der Transportmittelindustrie eingesetzt, sondern findet auch breite Anwendung in Bereichen wie dem Bauwesen, dem Brückenbau, der Herstellung von Haushaltsgeräte-Platten und dem Schweißen von Stahlplatten in Walzwerken (Plattenverbindung beim kontinuierlichen Walzen). Zu den weltweit renommierten Laserschweißunternehmen zählen Soudonic (Schweiz), die ArcelorMittal-Gruppe (Frankreich), ThyssenKrupp TWB (Deutschland), Servo-Robot (Kanada) und Precitec (Deutschland). Die Anwendung der Laserschweißtechnik in China steht noch am Anfang. Am 25. Oktober 2002 nahm Chinas erste professionelle kommerzielle Produktionslinie für lasergeschweißte Platten offiziell den Betrieb auf. Sie wurde von Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding, einem Unternehmen von ThyssenKrupp TWB (Deutschland), eingeführt. Später folgten Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. und weitere Unternehmen. Im Jahr 2003 realisierten ausländische Unternehmen das Doppelstrahl-CO₂-Laser-Fülldrahtschweißen.YAG-Laser-FülldrahtschweißenFür die untere Wandpaneelstruktur der A318 aus Aluminiumlegierung ersetzte diese Technologie die herkömmliche Nietkonstruktion, reduzierte das Gewicht des Flugzeugrumpfs um 20 % und senkte die Kosten um weitere 20 %. Gong Shuili war überzeugt, dass die Laserschweißtechnologie eine entscheidende Rolle bei der Transformation und Modernisierung der traditionellen chinesischen Flugzeugindustrie spielen würde. Er beantragte umgehend mehrere entsprechende Vorforschungsprojekte, stellte ein Forschungsteam zusammen und trieb die Einführung der Doppelstrahl-Laserschweißtechnologie in Forschungsprojekte in China voran. Von Anfang an plante er, diese Technologie in der Flugzeugfertigung anzuwenden. Das chinesische Expertenteam präsentierte die Vorentwicklung der Technologie einem Flugzeugkonstruktionsinstitut und warb für die Vorteile und die Machbarkeit des Doppelstrahl-Laserschweißens. Nach mehreren Prüfungen und Bewertungen entschied sich das Konstruktionsinstitut, diese Technologie für die Fertigung von Rippenwandpaneelen eines bestimmten Flugzeugs einzusetzen und erreichte damit das ursprüngliche Ziel, die Doppelstrahl-Laserschweißtechnologie in der Flugzeugfertigung anzuwenden. Das Unternehmen leistete Pionierarbeit bei Schlüsseltechnologien wie der präzisen Steuerung von Laserschweißdraht für Leichtmetalllegierungen, entwickelte ein integriertes und innovatives Hybrid-Schweißgerät mit Doppelstrahllaser, etablierte Chinas erste Hochleistungs-Doppelstrahllaserschweißplattform, realisierte das synchrone Doppelstrahl- und beidseitige Schweißen von T-Verbindungen in großen dünnwandigen Strukturen und setzte die Technologie erstmals erfolgreich bei der Schweißfertigung wichtiger Strukturbauteile von Rippenwandpaneelen für die Luftfahrt ein, wodurch es eine wichtige Rolle in der Entwicklung neuer chinesischer Flugzeuge spielte. Im Jahr 2003 bestand die erste inländische, von HG Laser gelieferte Komplettanlage zum großtechnischen Online-Streifenschweißen die Offline-Abnahme. Diese Anlage integriert Laserschneiden, Schweißen und Wärmebehandlung und machte HG Laser zu einem der vier weltweit, die solche Anlagen herstellen konnten. Im Jahr 2004 gewann das Projekt „Hochleistungslaserschneiden, -schweißen und kombinierte Schneid-Schweiß-Bearbeitungstechnologie und -ausrüstung“ von HG Laser Farley Laserlab den zweiten Preis des Nationalen Wissenschafts- und Technologiepreises. Damit war HG Laser Farley Laserlab das einzige Laserunternehmen in China mit der Forschungs- und Entwicklungskompetenz für diese Technologie und Ausrüstung. Mit der rasanten Entwicklung der industriellen Laserindustrie stiegen die Anforderungen des Marktes an die Laserbearbeitungstechnologie. Die Lasertechnologie hat sich schrittweise von einer Einzelanwendung zu einer diversifizierten Anwendung entwickelt. Die Laserbearbeitung beschränkt sich nicht mehr auf das Schneiden oder Schweißen. Die Marktnachfrage nach integrierten Laserbearbeitungsanlagen, die Schneiden und Schweißen kombinieren, wächst stetig, und so entstanden integrierte Laserschneid- und Schweißanlagen. HG Laser Farley Laserlab entwickelte die integrierte Schneid- und Schweißmaschine Walc9030 mit einem ultragroßen Format von 9 × 3 Metern, die derzeit die weltweit größte integrierte Laserschneid- und Schweißanlage ist. Die Walc9030 ist eine großformatige Schneid- und Schweißanlage, die …Laserschneid- und LaserschweißfunktionenDie Anlage ist mit einem professionellen Schneid- und einem Schweißkopf ausgestattet, die beide einen gemeinsamen Laserstrahl nutzen. Dank numerischer Steuerungstechnik arbeiten sie störungsfrei. Die Anlage kann Schneid- und Schweißprozesse gleichzeitig durchführen. Sie kann flexibel zwischen Schneiden und Schweißen oder umgekehrt umschalten und so Laserschneiden und -schweißen mit nur einer Anlage realisieren – ohne zusätzliche Geräte. Dies spart Anwendern Kosten, steigert die Bearbeitungseffizienz und erweitert den Bearbeitungsbereich. Durch die Integration von Schneiden und Schweißen wird höchste Bearbeitungsgenauigkeit gewährleistet, und die Anlage arbeitet effizient und stabil. Zudem bewältigt sie die Herausforderungen der thermischen Verformung von Platten beim Tailor-Schweißen ultragroßer Bleche und ermöglicht die stabile Realisierung ultralanger optischer Flugwege. Sie kann zwei 6 Meter lange und 1,5 Meter breite Flachplatten gleichzeitig verschweißen. Die Schweißoberfläche ist glatt und eben und erfordert keine Nachbearbeitung. Gleichzeitig kann die Maschine Platten mit einer Breite von 3 Metern, einer Länge von über 6 Metern und einer Dicke von unter 20 mm in einem einzigen Umformprozess ohne Nachpositionierung schneiden. Das Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften führte eine internationale Kooperation mit der IHI Corporation (Japan) durch. Gemäß der nationalen Strategie zur wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung „Einführung, Verarbeitung, Absorption und Re-Innovation“ wurden dabei mehrere Schlüsseltechnologien entwickelt.Laser-SchneidenIm September 2006 entwickelte AVIC Chinas erste komplette Produktionslinie für das Laser-Schweißen von Bauteilen und realisierte erfolgreich ein robotergestütztes Laserschweißsystem, das das Laserschweißen von ebenen und räumlichen Kurven ermöglicht. Im Oktober 2013 wurde einem chinesischen Schweißexperten der Brook Award verliehen, die höchste wissenschaftliche Auszeichnung im Bereich Schweißen. Das Welding Institute (TWI, Großbritannien) empfiehlt und nominiert jährlich Kandidaten aus über 4.000 Mitgliedsorganisationen in mehr als 120 Ländern und verleiht diesen Preis schließlich an einen Experten in Anerkennung seiner herausragenden Beiträge zur Wissenschaft und Technologie des Schweißens und Fügens sowie deren industrieller Anwendung. Diese Auszeichnung würdigt nicht nur Gong Shuili und sein Team, sondern bestätigt auch AVICs Rolle bei der Förderung des Fortschritts in der Fügetechnik.
## Strukturparameter
### Funktionsweise Ein Laser besteht aus einem optischen Oszillator und einem Medium, das sich zwischen den Spiegeln an den beiden Enden des Oszillatorhohlraums befindet. Wird das Medium in einen hochenergetischen Zustand angeregt, erzeugt es phasengleiche Lichtwellen, die zwischen den Spiegeln an beiden Enden hin und her reflektiert werden und so einen photoelektrischen Effekt erzeugen. Dieser verstärkt die Lichtwellen, und sobald genügend Energie erreicht ist, wird Laserlicht emittiert. Ein Laser kann auch als Gerät definiert werden, das primäre Energiequellen wie elektrische, chemische, thermische, Licht- oder Kernenergie in elektromagnetische Strahlungsbündel mit spezifischen optischen Frequenzen (ultraviolettes, sichtbares oder infrarotes Licht) umwandelt. Diese Umwandlung lässt sich in bestimmten festen, flüssigen oder gasförmigen Medien leicht durchführen. Werden diese Medien in Form von Atomen oder Molekülen angeregt, erzeugen sie einen Lichtstrahl mit nahezu gleicher Phase und nahezu einer einzigen Wellenlänge – Laserlicht. Aufgrund seiner Phasengleichheit und der einheitlichen Wellenlänge ist der Divergenzwinkel sehr klein. Dadurch kann das Laserlicht über große Entfernungen übertragen und anschließend stark konzentriert werden, um Funktionen wie Schweißen, Schneiden und Wärmebehandlung zu ermöglichen. ### Laserklassifizierung Es gibt hauptsächlich zwei Lasertypen zum Schweißen: CO₂-Laser und Nd:YAG-Laser. Beide Lasertypen emittieren für das bloße Auge unsichtbares Infrarotlicht. Der Strahl des Nd:YAG-Lasers besteht hauptsächlich aus Nahinfrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1,06 μm. Wärmeleiter weisen eine relativ hohe Absorptionsrate für Licht dieser Wellenlänge auf, und die meisten Metalle haben ein Reflexionsvermögen von 20–30 %. Der Nahinfrarotstrahl kann mit Standardlinsen auf einen Durchmesser von 0,25 mm fokussiert werden. Der Strahl des CO₂-Lasers ist Ferninfrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 μm. Die meisten Metalle weisen für diese Art von Licht eine Reflexion von 80–90 % auf. Daher sind spezielle optische Linsen erforderlich, um den Strahl auf einen Durchmesser von 0,75–1,0 mm zu fokussieren. Die Leistung von Nd:YAG-Lasern erreicht üblicherweise 4.000–6.000 W, wobei die maximale Leistung mittlerweile 10.000 W beträgt. Im Gegensatz dazu können CO₂-Laser problemlos Leistungen von 20.000 W oder sogar mehr erzielen. Hochleistungs-CO₂-Laser lösen das Problem der hohen Reflexion durch den Keyhole-Effekt. Wenn die vom Lichtfleck bestrahlte Materialoberfläche schmilzt, bildet sich ein Keyhole. Dieses mit Dampf gefüllte Keyhole verhält sich wie ein Schwarzer Körper und absorbiert nahezu die gesamte Energie des einfallenden Lichts. Die Gleichgewichtstemperatur im Inneren des Keyholes erreicht etwa 25.000 °C, und die Reflexion sinkt innerhalb weniger Mikrosekunden rapide ab. Obwohl der Entwicklungsschwerpunkt von CO₂-Lasern weiterhin auf Geräteentwicklung und Forschung liegt, geht es nicht mehr um die Steigerung der maximalen Ausgangsleistung, sondern um die Verbesserung der Strahlqualität und der Fokussierungsleistung. Wird Argon als Schutzgas beim CO₂-Laserschweißen mit einer Leistung über 10 kW verwendet, entsteht häufig ein starkes Plasma, das die Eindringtiefe verringert. Daher wird Helium, das kein Plasma erzeugt, oft als Schutzgas für Hochleistungs-CO₂-Laserschweißen eingesetzt. Die Anwendung von Diodenlaser-Kombinationen zur Anregung von Hochleistungs-Nd:YAG-Kristallen ist ein wichtiges Forschungs- und Entwicklungsthema, das die Qualität der Laserstrahlen deutlich verbessern und eine effizientere Laserbearbeitung ermöglichen wird. Der Einsatz von Diodenarrays zur Anregung und Ausgabe von Lasern im Nahinfrarotbereich hat eine mittlere Leistung von 1 kW und einen photoelektrischen Wirkungsgrad von nahezu 50 % erreicht. Dioden weisen zudem eine lange Lebensdauer (10.000 Stunden) auf, was die Wartungskosten von Laseranlagen reduziert. Die Entwicklung von diodengepumpten Festkörperlaseranlagen (DPSSL) schreitet ebenfalls voran.
Veröffentlichungsdatum: 27. August 2025
