Schweißmontage
1. Montagespalt und Fehlausrichtung
Die Qualität der Montage ist entscheidend für die Schweißqualität. Zu große Montagespalte oder Fehlausrichtungen können leicht zu Fehlern wie Durchbrennen, mangelhafter Schweißnahtbildung und unvollständigem Einbrand führen. Der Montagespalt für Kehl- und Stumpfverbindungen sollte so klein wie möglich sein. Tabelle 8-2 listet die Anforderungen an Spaltmaße und Fehlausrichtungen beim handgeführten autogenen Laserschweißen auf.
Um die Werkstückabmessungen zu gewährleisten, Verformungen zu reduzieren und eine Fehlausrichtung des Schweißbereichs durch Torsionsverformung während des Schweißvorgangs zu verhindern, ist in der Regel ein Heftschweißen vor dem eigentlichen Schweißen erforderlich. Für das Heftschweißen wird dasselbe Verfahren wie beim eigentlichen Schweißen angewendet. Die Heftschweißung ist 20–30 mm lang, und die Qualitätsanforderungen (z. B. Einbrandtiefe und -breite) sind geringer als beim eigentlichen Schweißen. Im Allgemeinen wird beim Heftschweißen eine höhere Schweißgeschwindigkeit verwendet als beim eigentlichen Schweißen. Um eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten, sollten Heftschweißungen flach, lang und dünn sein und nicht zu groß, breit oder hoch. Heftschweißungen benötigen außerdem einen ausreichenden Schutz gegen Oxidation.
3. Vorrichtungen und Klemmen
Laserschweißen wird hauptsächlich verwendet fürDünnblechschweißenBeim Dünnblechschweißen wird üblicherweise die Vorderseite des Werkstücks bearbeitet, wobei die Rückseite ausreichend aufgeschmolzen wird, um eine saubere Schweißnaht zu erzielen. Bei der Parameterwahl ist Folgendes zu beachten: Eine zu geringe Wärmeeinbringung kann zu unvollständiger Verschmelzung auf der Rückseite führen; eine zu hohe Wärmeeinbringung, die zwar einen vollständigen Durchschweißungsprozess auf der Rückseite gewährleistet, kann aufgrund der Schwerkraft des geschmolzenen Metalls oder einer unverhältnismäßig großen Schmelzbreite im Verhältnis zur Werkstückdicke zu Durchbrennen führen. Um Durchbrennen zu vermeiden, sollte das Werkstück, sofern es sich spannen lässt, während des Dünnblechschweißens mit Vorrichtungen fixiert werden. Dabei wird die Vorderseite angedrückt und eine Kupfer- oder Edelstahl-Trägerplatte auf die Rückseite aufgelegt. Dies verhindert durch Schweißverformung verursachte Änderungen der Montagespalte oder Fehlausrichtungen und beugt thermischem Kollaps vor. Bei ungleichmäßiger Wärmeverteilung im Werkstück aufgrund struktureller Gegebenheiten ist der Einsatz von Vorrichtungen zum Ausgleich der Wärmeverteilung ebenfalls wirksam, um Schweißnähte mit gleichmäßigen Abmessungen auf Vorder- und Rückseite zu erzielen.
Auswahl der Schweißparameter
Zu den allgemeinen Parametern beim Laserschweißen gehören Laserleistung, Laserpulsdauer, Defokussierungsgrad, Schweißgeschwindigkeit und Schutzgas.
1. Laserleistung
Beim Laserschweißen existiert eine Schwellenleistungsdichte. Unterhalb dieser Schwelle ist die Eindringtiefe gering; nach Erreichen oder Überschreiten dieser Schwelle nimmt sie deutlich zu. Plasma entsteht nur, wenn die Laserleistungsdichte am Werkstück die Schwelle überschreitet, was auf ein stabiles Tiefschweißen hindeutet. Unterhalb der Schwelle findet lediglich Oberflächenschmelzen statt (stabiles Wärmeleitungsschweißen). Nahe der kritischen Bedingung für die Keyhole-Bildung wechseln sich Tiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen ab, was zu einem instabilen Prozess mit starken Schwankungen der Eindringtiefe führt. Die Laserleistung ist einer der wichtigsten Parameter in der Laserbearbeitung und ein entscheidender Faktor für die Schweißtiefe. Bei festem Fokusdurchmesser ist die Laserleistungsdichte proportional zur Laserleistung: Höhere Leistung erhöht die Eindringtiefe und die Schweißgeschwindigkeit. Zu hohe Leistung führt jedoch zu starker Überhitzung des Schmelzbades, vergrößert die Schweißnahtbreite und die Wärmeeinflusszone (WEZ) und verursacht mehr Spritzer, die die Schweißlinse verunreinigen können. Bei hoher Leistung kann die Oberflächenschicht innerhalb von Mikrosekunden bis zum Siedepunkt erhitzt und weitgehend verdampft werden, wodurch sie sich ideal für Materialabtragsprozesse wie Bohren, Schneiden und Gravieren eignet. Bei geringerer Leistung benötigt die Oberfläche Millisekunden, um den Siedepunkt zu erreichen, und die darunter liegende Schicht schmilzt vor der Oberflächenverdampfung, was ein gutes Schmelzschweißen ermöglicht.
2. Laserpulsbreite
Die Laserpulsbreite ist ein entscheidender Parameter beim Pulslaserschweißen. Sie wird durch die Einbrandtiefe und die Wärmeeinflusszone (WEZ) bestimmt: Längere Pulsbreiten vergrößern die WEZ, und die Einbrandtiefe steigt proportional zur Quadratwurzel der Pulsbreite. Allerdings reduzieren längere Pulsbreiten die Spitzenleistung, weshalb sie üblicherweise beim Wärmeleitungsschweißen eingesetzt werden, um breite, flache Schweißnähte zu erzeugen – besonders geeignet für Überlappverbindungen dünner und dicker Bleche. Eine geringe Spitzenleistung führt jedoch zu übermäßiger Wärmeeinbringung, und für jedes Material gibt es eine optimale Pulsbreite für maximale Einbrandtiefe.
3. Auswahl des Defokus-Grades
Die Position des fokussierten Punktes ist entscheidend inLaserfusionsschweißenLiegt der Fokus oberhalb der Werkstückoberfläche, ist die Eindringtiefe gering, was das Tiefschweißen erschwert. Liegt der Fokus unterhalb der Oberfläche, ist die Leistungsdichte im Werkstückinneren höher als an der Oberfläche. Dies fördert stärkeres Schmelzen und Verdampfen, ermöglicht einen tieferen Energieeintrag und erhöht die Eindringtiefe. Es gibt zwei Defokussierungsmodi: positive Defokussierung (Fokusebene oberhalb des Werkstücks) und negative Defokussierung (Fokusebene unterhalb des Werkstücks). In der Praxis wird bei dicken Blechen, die eine große Eindringtiefe erfordern, die negative Defokussierung eingesetzt, wobei der Laserfokus typischerweise 1–2 mm unterhalb der Werkstückoberfläche liegt. Bei dünnen Blechen ist die positive Defokussierung mit einem Fokus 1–1,5 mm oberhalb der Oberfläche vorzuziehen.
4. Schweißgeschwindigkeit
Bei ansonsten gleichbleibenden Parametern nimmt die Einbrandtiefe mit steigender Schweißgeschwindigkeit ab, während sich die Effizienz verbessert. Zu hohe Geschwindigkeiten erfüllen die Anforderungen an den Einbrand nicht; zu niedrige Geschwindigkeiten verursachen Überschmelzen, breite Schweißnähte, Überhitzung der Wärmeeinflusszone und eine erhöhte Heißrissneigung.gepulstes LaserschweißenDie Geschwindigkeit wird auch durch die maximale Pulsfrequenz und die erforderliche Spotüberlappung bestimmt – jeder nachfolgende Pulsfleck muss sich bis zu einem gewissen Grad überlappen. Daher existiert für eine gegebene Laserleistung und Materialdicke ein optimaler Geschwindigkeitsbereich, innerhalb dessen die maximale Eindringtiefe bei einer bestimmten Geschwindigkeit erreicht wird.
5. Schutzgas
Inertgase werden häufig zum Schutz des Schmelzbades beim Laserschweißen eingesetzt. Während einige Werkstoffe keinen Schutz vor Oberflächenoxidation benötigen, ist dieser in den meisten Anwendungen erforderlich. Traditionell werden Argon (Ar), Stickstoff (N₂) und Helium (He) zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungen verwendet, um Oxidation zu verhindern. Theoretisch ist Helium das leichteste Gas mit der höchsten Ionisierungsenergie, jedoch ist das Plasma bei niedriger Leistung und hohen Geschwindigkeiten schwach, wodurch die Unterschiede zwischen den Gasen minimiert werden. Studien zeigen, dass Stickstoff unter gleichen Bedingungen aufgrund exothermer Reaktionen mit Aluminium leichter zur Bildung von Schweißkanälen führt; die entstehenden Al-NO-Verbindungen weisen eine höhere Laserabsorption auf. Reines Stickstoff bildet jedoch spröde Al-N-Phasen und Poren in der Schweißnaht. Inertgase entweichen aufgrund ihres geringen Gewichts, ohne Poren zu verursachen, wodurch Gasgemische effektiver sind. In letzter Zeit hat die Forschung zum Laserschweißen von Aluminium mit Argon-Sauerstoff- und Stickstoff-Sauerstoff-Gemischen zugenommen.
6. Materialabsorption
Die Absorption von Laserenergie durch Materialien hängt von Eigenschaften wie Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur und Verdampfungstemperatur ab, wobei das Absorptionsvermögen die wichtigste Rolle spielt. Zu den Faktoren, die das Absorptionsvermögen beeinflussen, gehören:
Elektrischer Widerstand: Bei polierten Oberflächen ist die Absorptionsfähigkeit proportional zur Quadratwurzel des spezifischen Widerstands, der mit der Temperatur variiert.
Oberflächenbeschaffenheit: Beeinflusst maßgeblich die Absorptionsfähigkeit und damit das Schweißergebnis.
Bedienungstipps und Tabus beim handgeführten Faserlaserschweißen
1. Vermeiden Sie Lichtbogenstrahlung
Handgeführte FaserlaserschweißgeräteVerwenden Sie Faserlaser der Klasse 4 mit einer Wellenlänge von (1080±3) nm und einer Ausgangsleistung von über 1000 W (modellabhängig). Direkte oder indirekte Bestrahlung kann Augen und Haut schädigen. Obwohl unsichtbar, kann der Laserstrahl irreversible Schäden an Netzhaut und Hornhaut verursachen. Tragen Sie beim Betrieb des Lasers stets eine zertifizierte Laserschutzbrille. Schauen Sie niemals direkt in den Laserkopf, solange der Laser eingeschaltet ist, auch nicht mit Schutzbrille.
2. Einstellen der Schweißparameter
Stellen Sie die Laserleistung auf dem Touchscreen auf niedrig ein (siehe Abbildung 8-2). Setzen Sie die Kupferdüse des Schweißkopfes an das Werkstück an und betätigen Sie den Brennerschalter, um den Laserstrahl zum Schweißen zu aktivieren. Typische Parameter: Laserfrequenz 5000 Hz, Galvanometergeschwindigkeit 300–600, Gasverzögerung >100 ms, 100 % Einschaltdauer für Dauerbetrieb. Passen Sie die Schweißbreite an die Spaltmaße an; die Leistung ist von 0–1000 W (0–100 % der Maximalleistung) einstellbar. Klicken Sie nach Eingabe der Parameter auf „OK“ und speichern Sie die Einstellungen.
4. Die Schweißgeschwindigkeit nicht übermäßig erhöhen.
Die Schweißnaht entsteht durch die Bewegung der Laserquelle (siehe Abbildung 8-3). Tiefe und Breite hängen von Geschwindigkeit und Leistung ab. Typische Geschwindigkeiten von 1–3 m/min führen zu glatten, zunderfreien Oberflächen mit einem Aspektverhältnis <1. Bei konstantem Strom und konstanter Spannung beeinflusst die Änderung der Geschwindigkeit direkt die Wärmeeinbringung und damit Einbrandtiefe und -breite. Zu hohe Geschwindigkeiten führen zu unzureichender Erwärmung, was reduzierten Einbrand, geringe Breite, Hinterschneidungen, Poren und unvollständigen Durchbrand zur Folge hat.
Mechanische Reinigung: Verwenden Sie Edelstahlbürsten oder pneumatische Schleifscheiben, um Oxide zu entfernen, bis eine strahlend weiße Oberfläche erreicht ist. Schweißen Sie unmittelbar nach dem Polieren; polieren Sie erneut, wenn das Schweißen länger als 36 Stunden dauert.
Chemische Reinigung: Oxide werden durch chemische Reaktionen entfernt (die Methoden variieren je nach Material). Tabelle 8-3 listet chemische Reinigungsverfahren für Aluminiumlegierungen auf. Öl und Staub werden mit organischen Lösungsmitteln (Benzin, Isopropylalkohol) durch Einweichen, Abwischen und Trocknen entfernt.
5. Minimierung der Porosität
Wasserstoffporen treten häufig beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen auf. Sie lassen sich durch Entfernen von Oberflächenfeuchtigkeit, Öl und Oxiden reduzieren. Eine Verlängerung der Abkühlzeit des Schmelzbades (durch Erhöhung der Pulsdauer) fördert das Entweichen von Gasen, da der schnelle thermische Zyklus beim Laserschweißen die Gasfreisetzung begrenzt. Fokus- und negative Defokuspositionen sind zu vermeiden, da intensive Schmelzbadreaktionen und die Verdampfung der Legierung die Porosität erhöhen. Durch Anpassen des Defokus kann die Verdampfung reduziert werden, indem stattdessen eine geringere Energie verwendet wird.
6. Achten Sie auf die richtige Haltung beim Halten der Taschenlampe.
Handlaserbrenner (siehe Abbildung 8-4) sind schwerer als WIG-Brenner und haben dicke Kabel, was zu Ermüdungserscheinungen beim Schweißen führen kann. Halten Sie den Brenner bei längeren Schweißarbeiten mit beiden Händen, achten Sie darauf, dass die Düse Kontakt zum Werkstück hat, richten Sie die Schweißnaht visuell aus und ziehen Sie den Brenner gleichmäßig zu sich heran. Passen Sie Ihre Körperhaltung der Schweißposition an, um Ermüdung und die Anzahl der Schweißnähte zu minimieren.
7. Laserverletzungen vorbeugen
Unsachgemäße Bedienung kann zu Unfällen führen. Beachten Sie folgende Regeln:
Schauen Sie während des Betriebs niemals in den Laserausgangskopf.
Nicht verwendenFaserlaserin dunklen/dunklen Umgebungen.
Richten Sie die Taschenlampe niemals auf Personen, wenn das Gerät eingeschaltet ist.
Im Umkreis von 3 m um den Schweißbereich sollten Metallbarrieren angebracht werden.
Der Zugang zur Schweißzone ist ausschließlich den Bedienern gestattet.
Tragen Sie Schutzausrüstung (zertifizierte Schutzbrille, Maske, Handschuhe). Schauen Sie niemals in den Ausgabekopf, solange der Laser eingeschaltet ist, auch nicht mit Schutzbrille.
Behandeln Sie die Taschenlampe und das Kabel vorsichtig (minimaler Biegeradius >200 mm).
Deaktivieren Sie die Laseremissionstaste, wenn sie nicht verwendet wird.
Für einen wirksamen Gasschutz die Düsenqualität sicherstellen:
Glatte Innenwände, konzentrisch zum Laser.
Beschädigte Düsen sollten umgehend ausgetauscht werden, um eine gleichmäßige Brennerbewegung zu gewährleisten.
Die Düsenöffnungsgröße (siehe Abbildung 8-6) beeinflusst die Schweißnahtqualität: Größere Öffnungen erhöhen den Gasdurchfluss, beschleunigen die Erstarrung und erhöhen das Risiko von Porosität/Rissbildung.
8. Vermeiden Sie hohe Geschwindigkeiten bei rissempfindlichen Legierungen
HandlaserschweißenVerwendet autogene, drahtlose, oszillierende Galvanometerbrenner. Hohe Geschwindigkeiten verringern den Einbrand, führen zu schmalen Schweißnähten, verursachen Hinterschneidungen und beeinträchtigen die Schutzgasabdeckung, wodurch der Schutz verschlechtert wird. Verwenden Sie niedrigere Geschwindigkeiten für rissempfindliche Legierungen.
9. Sicherstellung der Verbindungsqualität
Temperaturunterschiede und drahtloses Schweißen können zu Durchbrennen, Kratern oder Kraterrissen führen. Schweißen Sie kontinuierlich, um Unterbrechungen zu minimieren. Sollten Unterbrechungen unvermeidbar sein (z. B. bei Positionswechseln oder Segmentschweißungen), verlangsamen Sie die Schweißgeschwindigkeit leicht (10 mm), bevor Sie anhalten, um Kraterbildung zu verhindern. Setzen Sie den Schweißvorgang 20 mm hinter dem vorherigen Krater fort, um Überlappung und Qualität zu gewährleisten.
10. Beachten Sie die richtige Brennerführung.
Ziehen Sie den Brenner ohne seitliche Schwingungen zu sich heran (von weit nach nah). Halten Sie die Geschwindigkeit konstant und achten Sie dabei auf eine gleichmäßige Schweißnaht. Beim Vertikalschweißen führen Sie den Brenner nach unten (nicht nach oben), um eine schnelle Erstarrung zu erzielen und eine gleichmäßige Bewegung zu gewährleisten.
11. Vermeiden Sie Hinterschneidungen, kleine Kehlnähte und Einstürze bei Überlappschweißungen.
Bei Überlappschweißungen ist der Laser-Einfallswinkel so einzustellen, dass das Galvanometer 2/3 der vertikalen Platte abdeckt (siehe Abbildung 8-7). Dadurch werden die vertikale Platte (als Zusatzwerkstoff) und 1/3 der Grundplatte durch Wärmeleitung aufgeschmolzen, wodurch nach dem Abkühlen eine ausreichend große Schweißnaht entsteht. Mangelhafte Überlappschweißungen schwächen die Festigkeit der Verbindung, verringern die Rissbeständigkeit oder können zu Strukturversagen führen – Hinterschneidungen sind zu vermeiden.
12. Reduzierung der Reflexion beim Schweißen von Aluminiumlegierungen
Aluminium reflektiert 60–98 % der Laserenergie. Das Reflexionsvermögen sinkt am Schmelzpunkt stark ab und stabilisiert sich im geschmolzenen Zustand. Die Absorption nimmt mit zunehmendem Einfallswinkel ab; die maximale Absorption tritt bei senkrechtem Einfall auf (Linsenschutz beachten). Das Reflexionsvermögen lässt sich durch Entfernen von Oxiden mittels mechanischer/chemischer Reinigung reduzieren.
13. Korrekte Verwendung von Schutzgas
Schutzgas beeinflusst die Schweißnahtbildung, den Einbrand und die Schweißnahtbreite. Die meisten Gase verbessern die Qualität, können aber auch Nachteile mit sich bringen:
Ar: Niedrige Ionisierungsenergie, hohe Plasmabildung (verringert die Lasereffizienz), aber inert, kostengünstig und dicht – bedeckt effektiv das Schmelzbad (ideal für allgemeine Anwendungen).
N₂: Mäßige Ionisierungsenergie (reduziert Plasma besser als Ar), reagiert jedoch mit Aluminium/Kohlenstoffstahl unter Bildung spröder Nitride, was die Zähigkeit verringert (für diese Werkstoffe nicht empfohlen). Geeignet für Edelstahl, da die Nitride die Festigkeit erhöhen.
14. Abschirmgasdurchflussrate
Gas wird mit einem bestimmten Druck durch die Düse ausgestoßen. Die hydrodynamische Auslegung und der Auslassdurchmesser der Düse sind entscheidend: groß genug, um die Schweißnaht vollständig abzudecken, aber gleichzeitig so begrenzt, dass turbulente Strömungen (die Luft ansaugen und zu Porosität führen) vermieden werden. Beim handgeführten Laserschweißen beträgt die typische Durchflussrate 7 l/min. Ein zu hoher Durchfluss vermischt sich mit Verunreinigungen im Schmelzbad und beeinträchtigt die Gasreinheit – daher ist die richtige Durchflussrate zu wählen.
15. Laserfokusposition
Fokusposition: Kleinster Punkt, höchste Energie – verwenden fürPunktschweißenoder geringe Energie, minimale Anforderungen an die Spotgröße (siehe Abbildung 8-8).
Negativer Defokus: Größerer Fleck (vergrößert sich mit zunehmendem Abstand vom Fokus) – geeignet für kontinuierliches Tiefschweißen und Tiefpunktschweißen.
Positiver Defokus: Größerer Spot (vergrößert sich mit zunehmendem Abstand vom Fokus) – geeignet für Oberflächenversiegelung oder kontinuierliches Schweißen mit geringer Eindringtiefe.
Kontrolle der vollständigen Durchschweißung: Eine leichte Farbveränderung auf der Rückseite deutet auf gute Qualität hin; deutliche Einbrandspuren führen beim durchgehenden Schweißen zu Spritzern oder tiefen Rillen. Fokus, Energie und Wellenform anhand von Proben anpassen. Bei dünneren Materialien kleinere Schweißpunkte verwenden, um Durchbrennen zu vermeiden.
Veröffentlichungsdatum: 21. August 2025
