Sowohl Laserstrahlschweißen als auch Lichtbogenschweißen werden seit Langem in der industriellen Fertigung eingesetzt und ermöglichen ein breites Anwendungsspektrum in der Werkstoffverbindungstechnik. Jedes dieser Verfahren hat seine spezifischen Anwendungsgebiete, die durch die physikalischen Prozesse des Energietransports zum Werkstück und die erzielbaren Energieflüsse bestimmt werden. Die Energie wird von der Laserstrahlquelle mittels hochenergetischer, kohärenter Infrarotstrahlung über ein Glasfaserkabel auf das zu bearbeitende Material übertragen. Der Lichtbogen überträgt die zum Schweißen benötigte Wärme mittels eines hohen elektrischen Stroms, der über eine Lichtbogensäule zum Werkstück fließt. Die Laserstrahlung führt zu einer sehr schmalen Wärmeeinflusszone mit einem großen Verhältnis von Schweißtiefe zu Nahtbreite (Tiefschweißeffekt). Die Spaltüberbrückungsfähigkeit des Laserschweißens ist aufgrund des kleinen Fokusdurchmessers sehr gering, dafür sind aber sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich. Das Lichtbogenschweißen weist eine deutlich geringere Energiedichte auf, erzeugt jedoch einen größeren Brennfleck auf der Werkstückoberfläche und zeichnet sich durch eine geringere Bearbeitungsgeschwindigkeit aus. Durch die Kombination beider Verfahren lassen sich nützliche Synergien erzielen. Letztendlich ermöglicht dies sowohl Qualitätsvorteile als auch fertigungstechnische Vorteile sowie eine verbesserte Kosteneffizienz. Dieses Verfahren bietet interessante und wirtschaftlich attraktive Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in der Automobilindustrie, da höhere Toleranzen bei den Schweißverbindungen zulässig sind, höhere Fügeraten möglich sind und sehr gute mechanische und technologische Parameter erzielt werden können.
1. Einleitung:
Die Kombination von Laserlicht und Lichtbogen zu einem kombinierten Schweißverfahren ist seit den 1970er Jahren bekannt, doch lange Zeit wurden keine weiteren Entwicklungsarbeiten durchgeführt. In jüngster Zeit haben sich Forscher diesem Thema wieder zugewandt und versucht, die Vorteile des Lichtbogens mit denen des Lasers in einem Hybrid-Schweißverfahren zu vereinen. Während Laserquellen anfangs ihre Eignung für den industriellen Einsatz erst noch unter Beweis stellen mussten, gehören sie heute in vielen Fertigungsbetrieben zur Standardausrüstung.
Die Kombination des Laserschweißens mit einem anderen Schweißverfahren wird als „Hybridschweißverfahren“ bezeichnet. Dies bedeutet, dass ein Laserstrahl und ein Lichtbogen gleichzeitig in einer Schweißzone wirken und sich gegenseitig beeinflussen und unterstützen.
2. Laser:
Für das Laserschweißen sind neben hoher Laserleistung auch ein hochwertiger Laserstrahl erforderlich, um den gewünschten „Tiefschweißeffekt“ zu erzielen. Die dadurch erreichte höhere Strahlqualität kann genutzt werden, um entweder einen kleineren Fokusdurchmesser oder eine größere Fokusdistanz zu erreichen.
Für die laufenden Entwicklungsprojekte wird ein lampengepumpter Festkörperlaser mit einer Laserstrahlleistung von 4 kW eingesetzt. Das Laserlicht wird über eine 600 µm Glasfaser übertragen.
Das Laserlicht wird über eine Glasfaser übertragen, deren Anfang und Ende wassergekühlt sind. Der Laserstrahl wird mittels eines Fokussiermoduls mit einer Brennweite von 200 mm auf das Werkstück projiziert.
3. Laser-Hybridverfahren:
Zum Schweißen metallischer Werkstücke wird der Nd:YAG-Laserstrahl mit einer Intensität von über 10⁶ W/cm² fokussiert. Trifft der Laserstrahl auf die Materialoberfläche, erhitzt er diesen Bereich auf Verdampfungstemperatur. Durch den austretenden Metalldampf bildet sich im Schweißgut ein Dampfhohlraum. Charakteristisch für die Schweißnaht ist ihr hohes Verhältnis von Tiefe zu Breite. Die Energiedichte des frei brennenden Lichtbogens liegt etwas über 10⁴ W/cm². Abbildung 1 veranschaulicht das Grundprinzip des Hybridschweißens.
Die hier dargestellte Wärmezufuhr zum Schweißgut im oberen Bereich der Naht erfolgt zusätzlich zur Lichtbogenwärme. Im Gegensatz zum sequenziellen Schweißen, bei dem zwei separate Schweißprozesse nacheinander ablaufen, kann das Hybridschweißen als Kombination beider Schweißprozesse betrachtet werden, die gleichzeitig in ein und derselben Prozesszone wirken. Je nach verwendetem Lichtbogen- oder Laserverfahren und den Prozessparametern beeinflussen sich die Prozesse in unterschiedlichem Maße und auf unterschiedliche Weise [1, 2].
Durch die Kombination von Laser- und Lichtbogenverfahren werden sowohl die Schweißtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit erhöht (im Vergleich zu den Einzelverfahren). Der aus dem Dampfraum austretende Metalldampf wirkt rückwirkend auf das Lichtbogenplasma. Die Absorption der Nd:YAG-Laserstrahlung im Prozessplasma ist vernachlässigbar. Je nach gewähltem Verhältnis der beiden Leistungseingänge kann der Charakter des Gesamtprozesses mehr oder weniger stark vom Laser oder vom Lichtbogen bestimmt werden [3,4].
Abb. 1: Schematische Darstellung: LaserHybridschweißen
Die Absorption der Laserstrahlung wird maßgeblich von der Temperatur der Werkstückoberfläche beeinflusst. Bevor der Laserschweißprozess beginnen kann, muss zunächst die anfängliche Reflexion, insbesondere bei Aluminiumoberflächen, überwunden werden. Dies gelingt durch den Start des Schweißvorgangs mit einem speziellen Startprogramm. Nach Erreichen der Verdampfungstemperatur bildet sich der Dampfraum, wodurch nahezu die gesamte Strahlungsenergie in das Werkstück eingebracht werden kann. Die hierfür benötigte Energie wird somit durch die temperaturabhängige Absorption und den Energieverlust bestimmt.
durch Wärmeleitung in das restliche Werkstück. Beim LaserHybrid-Schweißen erfolgt die Verdampfung nicht nur an der Werkstückoberfläche, sondern auch am Schweißdraht. Dadurch steht mehr Metalldampf zur Verfügung, was wiederum den Eintritt der Laserstrahlung erleichtert. Dies verhindert zudem Prozessausfälle [5, 6, 7, 8, 9].
4. Anwendung im Automobilbereich:
Durch den Einsatz der Raumrahmentechnologie ist eine Gewichtsreduzierung von 43 % im Vergleich zu einer Karosserie aus Stahl möglich.
Abb. 2: Audi Space Frame A2 Konzept
Der Audi A2 Spaceframe besteht aus 30 m Laser-Schweißnaht (gelbe Streifen in Abbildung 2) und 20 m MIG-Schweißnaht. Zusätzlich werden 1700 Nieten verwendet.
Abb. 3: Vergleich der Profile und Fügetechniken beim Audi A2
Abbildung 4 zeigt eine LaserHybrid-Schweißverbindung zwischen einem ALMg3-Gusswerkstoff und einem AlMgSi-Blech. Als Schweißzusatzwerkstoff wurde AlSi5 und als Schutzgas Argon verwendet. Mit steigender Laserleistung ist eine tiefere Einbrandtiefe möglich. Die Kombination von Laserstrahl und Lichtbogen führt zu einem größeren Schmelzbad als beim reinen Laserschweißen. Dadurch können Bauteile mit größeren Spaltbreiten verschweißt werden.
Abb. 4: Überlappungsfuge mit einem Spalt von 0,5 mm
In der Automobilindustrie gibt es zahlreiche Anwendungen für Überlappschweißungen ohne Nahtvorbereitung. Derzeit ist das Laserschweißen mit Kaltzusatzdraht aufgrund der Heißrissneigung der AA 6xxx-Legierung das modernste Verfahren für diese Schweißung. Beim Schweißen mit Zusatzdraht geht jedoch ein Großteil der Laserenergie zum Aufschmelzen des Drahtes verloren.
Die folgende Abbildung veranschaulicht die Unterschiede zwischen LaserHybrid- und Laserschweißen an einer Überlappverbindung mit einer Schweißgeschwindigkeit von 2,4 m/min. Beim Laserschweißen ist ein vollständiges Auffüllen der Schweißnaht nicht möglich, wodurch Hinterschneidungen entstehen. Zudem ist der Einbrand in das Grundmaterial sehr gering. Die Schweißnahtbreite ist sehr gering, weshalb eine niedrige Zugfestigkeit zu erwarten ist. Beim LaserHybridschweißen hingegen…
Zusätzliches Material wird in das Schmelzbad transportiert. Der Einschnitt wird mit dem Draht aus dem MIG-Schweißprozess aufgefüllt, wodurch ein Teil der Laserenergie eingespart wird. Diese eingesparte Laserenergie kann genutzt werden, um den Einbrand in das Grundmaterial zu erhöhen, und die Schweißnahtbreite ist größer als die Materialdicke, was die numerische Simulation erfordert.
Abb. 5 Vergleich zwischen LaserHybrid- und Laserschweißen ohne Zusatzdraht
Mit dem LaserHybrid-Schweißverfahren lassen sich Aluminium, Stahl und Edelstahl bis zu einer Materialstärke von 4 mm verschweißen. Bei größeren Materialstärken ist ein vollständiger Durchschweißen nicht möglich. Für das Verbinden von verzinkten Werkstoffen empfiehlt sich das Laserlötverfahren.
Weitere Anwendungsgebiete im Automobilbereich sind Antriebsstränge, Achsen und Karosserien, für die sich das Laser-Hybrid-Schweißverfahren eignet.
Schweißkopf:
Der Schweißkopf sollte geringe geometrische Abmessungen aufweisen, um eine gute Zugänglichkeit der zu verschweißenden Bauteile, insbesondere im Karosseriebau, zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte er so konstruiert sein, dass er sowohl eine geeignete, abnehmbare Verbindung zum Roboterkopf ermöglicht als auch die Einstellbarkeit von Prozessvariablen wie Brennweite und Brennerabstand in allen kartesischen Koordinaten. Abbildung 5 zeigt den Schweißkopf während des Schweißvorgangs. Die dabei entstehenden Spritzer führen zu einer zunehmenden Verschmutzung des Schutzglases. Das Quarzglas ist beidseitig mit einem Antireflexionsmaterial beschichtet und dient dem Schutz des Lasersystems vor Beschädigungen.
Je nach Verschmutzungsgrad kann der sich auf dem Glas ansammelnde Spritzer die auf das Werkstück auftreffende Laserleistung um bis zu 90 % reduzieren. Stärkere Verschmutzungen führen in der Regel zur Zerstörung des Schutzglases, da ein großer Teil der Strahlungsenergie vom Glas absorbiert wird und thermische Spannungen verursacht. Mit diesem Schweißkopf und der zugehörigen Schweißausrüstung ist der Einsatz für Laserhybridschweißen, Laserschweißen und MSG-Schweißen möglich.Laser-HeißdrahtlötenDie
Abb. 6: Schweißkopf und -prozess
5. Vorteile des Laser-Hybrid-Schweißens:
Durch die Verschmelzung von Lichtbogen und Laserstrahl ergeben sich folgende Vorteile: Vorteile des LaserHybridschweißens gegenüber dem Laserschweißen:
• höhere Prozessstabilität
• höhere Überbrückbarkeit
• tieferes Eindringen
• niedrigere Kapitalinvestitionskosten
• größere Duktilität
Vorteile des LaserHybrid-Schweißens gegenüber dem MIG-Schweißen:
• höhere Schweißgeschwindigkeiten
• tiefere Einbrandtiefe bei höheren Schweißgeschwindigkeiten
• geringere Wärmezufuhr
• höhere Zugfestigkeit
• schmalere Schweißnähte
Abb. 7: Vorteile der Kombination der beiden Prozesse
Das Lichtbogenschweißen zeichnet sich durch eine kostengünstige Energiequelle, gute Überbrückungsfähigkeit und die Möglichkeit der gezielten Beeinflussung der Struktur durch Zusatzwerkstoffe aus. Die charakteristischen Merkmale des Laserschweißens sind hingegen die große Schweißtiefe, die hohe Schweißgeschwindigkeit, die geringe Wärmebelastung und die schmalen Schweißnähte. Ab einer bestimmten Strahldichte erzeugt der Laserstrahl in metallischen Werkstoffen einen „Tiefschweißeffekt“, der – bei ausreichend hoher Laserleistung – das Schweißen von Bauteilen mit größeren Wandstärken ermöglicht. Das Laser-Hybrid-Schweißen führt somit zu höheren Schweißgeschwindigkeiten, Prozessstabilisierung durch die Wechselwirkung zwischen Lichtbogen und Laserstrahl, erhöhter thermischer Effizienz und größeren Werkstücktoleranzen. Da das Schmelzbad kleiner ist als beim MIG-Schweißen, ist der Wärmeeintrag geringer und die Wärmeeinflusszone kleiner. Dies bedeutet weniger Schweißnahtverformung.
Verformung, wodurch der Aufwand für die anschließende Richtarbeit nach dem Schweißen reduziert wird.
Bei zwei getrennten Schmelzbädern führt die nachfolgende Wärmeeinbringung durch den Lichtbogen zu einer Nachbehandlung des laserbestrahlten Schweißbereichs – insbesondere bei Stahl –, wodurch die Härtewerte gleichmäßiger über die Schweißnaht verteilt werden. Abbildung 6 fasst die Vorteile des kombinierten (d. h. hybriden) Verfahrens zusammen.
Kommen wir nun zu den wirtschaftlichen Vorteilen des Hybridschweißens gegenüber dem Laserschweißen. Dazu lassen sich folgende Aussagen treffen: Die Schweißnaht besteht teils aus einer Laserschweißung, teils aus einer MIG-Schweißung. Das Hybridverfahren ermöglicht die Reduzierung der Laserstrahlleistung, wodurch der Energieverbrauch der Laserquelle erheblich gesenkt werden kann, da der Wirkungsgrad des Laserstrahlgeräts lediglich 3 % beträgt. Anders ausgedrückt: Eine Reduzierung der auf das Werkstück auftreffenden Laserstrahlleistung um 1 kW führt zu einer Reduzierung des Stromverbrauchs aus dem Stromnetz um ca. 35 kVA.
Eine Laserstrahlapparatur kostet etwa 0,1 m EUR pro 1 kW.LaserstrahlleistungUm nur ein Beispiel zu nennen: Wenn durch den Einsatz des Hybridverfahrens eine 2-kW-Laseranlage anstelle einer 4-kW-Anlage verwendet werden kann, ergeben sich dadurch Investitionskosteneinsparungen von 0,2 Mio. EUR. Dabei ist jedoch zu beachten, dass für das Hybridverfahren eine MIG-Schweißanlage im Wert von rund 20.000 EUR benötigt wird.
Dank der höheren Schweißgeschwindigkeit können sowohl die Fertigungszeiten als auch die Schweißkosten reduziert werden.
6. Laser-Heißdrahtlöten:
Eine weitere Möglichkeit zur Kombination des Laserstrahls mit einem Schweißdraht ist das LaserHotwire-Verfahren [10]. Bei diesem Verfahren wird der Schweißdraht mit derselben Stromquelle vorgeheizt, die auch für die Schweißung verwendet werden kann.Laser-Hybrid-SchweißverfahrenDer Lötdraht ist für Ströme von 100 A bis 220 A ausgelegt. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit hängt vom Querschnitt der Lötnaht und der Lötgeschwindigkeit ab. Durch die Menge des Lötmetalls entsteht ein Formteil, das sich leichter bearbeiten lässt als vergleichbare Schweißnähte. Reparaturen an Blechteilen lassen sich durch das Löten einfacher durchführen als bei Schweißverbindungen. Ein Vorteil des Laser-Heißdraht-Lötens ist die gute Korrosionsbeständigkeit der Lötzone.
Als Füllmetalle werden billige Kupferlegierungen wie SG-CuSi3 verwendet, und Argon dient als Schutzgas.
Abb. 8: Schematische DarstellungLaser-Heißdrahtlöten:
Die nächste Abbildung zeigt den Querschnitt eines laser-heißdrahtgelöteten Materials. Das verzinkte Material wird mit einer Geschwindigkeit von 3 m/min gelötet, der Lötdraht hat eine Stromstärke von 205 A. Die Wärmeeinbringung ist sehr gering, daher ergibt sich beim Lötprozess nur eine geringe Verformung.
7. Zusammenfassung:
Das Laser-Hybridschweißen ist eine völlig neue Technologie, die Synergien für ein breites Anwendungsfeld in der metallverarbeitenden Industrie bietet, insbesondere dort, wo es nicht möglich oder wirtschaftlich rentabel ist, die erforderlichen Bauteiltoleranzen zu erreichen.LaserstrahlschweißenDie wesentlich breitere Anwendungspalette und die hohe Leistungsfähigkeit des kombinierten Verfahrens führen zu einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit durch geringere Investitionsausgaben, kürzere Fertigungszeiten, niedrigere Herstellungskosten und höhere Produktivität.
Das LaserHybrid-Verfahren bietet einen neuen Ansatz zum Schweißen von Aluminium. Ein stabiles, praxistaugliches Verfahren ist jedoch erst seit relativ kurzer Zeit dank der höheren Ausgangsleistungen von Festkörperlasern möglich. Zahlreiche Studien haben die Grundlagen von Laser-Lichtbogen-Hybrid-Schweißverfahren untersucht. Unter „Hybrid-Schweißverfahren“ verstehen wir die Kombination von Laserstrahl- und Lichtbogenschweißen in einer einzigen Prozesszone (Plasma und Schmelze). Grundlagenforschung hat gezeigt, dass ein Verfahren möglich ist, bei dem durch die Kombination beider Prozesse Synergien erzielt und die Nachteile der einzelnen Verfahren kompensiert werden. Dies führt zu verbesserten Schweißmöglichkeiten, höherer Schweißbarkeit und erhöhter Schweißzuverlässigkeit für viele verschiedene Werkstoffe und Konstruktionen. Insbesondere wurde dies für Aluminiumlegierungen nachgewiesen. Durch die Wahl geeigneter Prozessparameter lassen sich Schweißnahteigenschaften wie Geometrie und Struktur gezielt beeinflussen. Das Lichtbogenschweißen verbessert die Überbrückbarkeit durch Zugabe von Zusatzwerkstoff; es bestimmt zudem die Schweißnahtbreite und reduziert somit den Vorbereitungsaufwand am Werkstück. Darüber hinaus führt die Wechselwirkung zwischen den Prozessen zu einer deutlichen Steigerung der Prozesseffizienz. Dieses Kombinationsverfahren erfordert zudem wesentlich geringere Investitionskosten als das Laserschweißverfahren.
Das Laser-Heißdrahtlötverfahren eignet sich besonders für verzinkte Werkstoffe, um eine gute Korrosionsbeständigkeit zu erzielen.
Veröffentlichungsdatum: 18. April 2025
