Punktschweißen ist ein schnelles und kostengünstiges Fügeverfahren. Es eignet sich zum Verbinden dünnwandiger Bauteile mit Überlappverbindungen, die keine Luftdichtheit erfordern. Es gibt viele Arten des Punktschweißens, wie z. B. Widerstandspunktschweißen, Lichtbogenpunktschweißen und Klebepunktschweißen.VerbundpunktschweißenWiderstandspunktschweißen und Laserpunktschweißen sind vielversprechende Alternativen. Aktuell findet das Widerstandspunktschweißen breite Anwendung in der Produktion. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie bei der Montage von Karosserieteilen 3.000 bis 4.000 Schweißpunkte benötigt, wofür 250 bis 300 Roboter sowie zugehörige Steuerungssysteme und weitere Hilfseinrichtungen erforderlich sind. Widerstandspunktschweißen weist jedoch eine geringe Flexibilität auf. Angesichts der rasanten wirtschaftlichen Entwicklung sind die Aktualisierungszyklen für geometrische Formen und Strukturen von Automobilkomponenten sehr kurz geworden. Die Weiterentwicklung neuer Produkte und Modelle erfordert daher eine effiziente und flexible Punktschweißtechnologie. Aus diesem Grund rückt die Laserpunktschweißtechnologie zunehmend in den Fokus und wird voraussichtlich in der Automobilindustrie breite Anwendung finden. Auch in der Luft- und Raumfahrt wird das Laserpunktschweißen als alternative Technologie erprobt. Überlappverbindungen von Luft- und Raumfahrtprodukten wurden lange Zeit üblicherweise durch Nieten hergestellt, was mit vielen Produktionsprozessen und hohem Arbeitsaufwand verbunden ist. Mit dem zunehmenden Einsatz neuer Werkstoffe wie Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Verbundwerkstoffen hat sich die Einführung neuer Schweißtechnologien als Ersatz für traditionelle Fügeverfahren zu einem wichtigen Trend entwickelt. Dies verbessert nicht nur die Produktionseffizienz, sondern reduziert auch das Strukturgewicht und erfüllt neue Anforderungen an die Strukturkonstruktion, was für Produkte der Luft- und Raumfahrt von großer Bedeutung ist. Die hohe Präzision und Flexibilität des Laserpunktschweißens bieten erhebliche Vorteile in der praktischen Fertigung, insbesondere in der Luftfahrtindustrie, wo es traditionelle Verfahren wie Widerstandspunktschweißen und Nieten ersetzen kann.
I. Definition und Eigenschaften des Laserpunktschweißens
Definition
Beim Laserpunktschweißen handelt es sich um den Prozess des Schmelzens und Verbindens von Werkstücken mittels eines einzelnen Laserpulses (t > 1 ms) oder einer Reihe von Laserpulsen an der gleichen Position.
Das Laserpunktschweißen ähnelt im Prinzip anderen Laserschweißverfahren; der einzige Unterschied besteht darin, dass beim Punktschweißen keine relative Verschiebung zwischen Laserstrahl und Werkstück stattfindet. Man unterscheidet zwei Arten des Laserpunktschweißens: das Wärmeleitungsschweißen und das Tiefschweißen. Beim Wärmeleitungsschweißen schmilzt der Laser das Metall lediglich, ohne es zu verdampfen. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Metalle mit einer Dicke von weniger als 0,5 mm, wie beispielsweise das Nd:YAG-Laserpunktschweißen von elektronischen Bauteilen. Beim Tiefschweißen dringt der Laser direkt durch die Öffnung in das Material ein, wodurch die Laserenergieausnutzung erhöht und eine größere Eindringtiefe erzielt wird. Beim traditionellen Widerstandspunktschweißen werden Werkstücke mithilfe der durch elektrischen Strom erzeugten Widerstandswärme aufgeschmolzen, um Schweißpunkte zu erzeugen. Die Wärmequelle beim Laserpunktschweißen hingegen ist die Laserstrahlung, was zu deutlich unterschiedlichen Schweißpunktformen führt.
Die einstellbaren Parameter beim Laserpunktschweißen umfassen im Allgemeinen Laserleistung, Schweißzeit und Defokussierung. Beim Pulsschweißen spielen zusätzlich Pulsform, Frequenz und Tastverhältnis eine Rolle. Die Laserleistung beeinflusst hauptsächlich die Eindringtiefe des Schweißpunkts, während die Schweißzeit einen größeren Einfluss auf dessen seitliche Ausdehnung hat. Generell gilt: Je länger die Laserbehandlungszeit, desto größer sind die Ober- und Unterseite des Schweißpunkts sowie die Schmelzfläche. Änderungen der Defokussierung beeinflussen vor allem den Punktdurchmesser und die auf die Werkstückoberfläche wirkende Energiedichte und haben somit einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtform des Schweißpunkts.
Eigenschaften
- Beim Punktschweißen mit Laser als Wärmequelle ergeben sich hohe Geschwindigkeit, hohe Präzision, geringer Wärmeeintrag und minimale Werkstückverformung.
- Der Freiheitsgrad bei den Punktschweißpositionen wurde deutlich verbessert, wodurch das Punktschweißen in allen Positionen ermöglicht und problemlos realisiert werden kann.einseitiges PunktschweißenDadurch wird die Freiheit bei der Produktgestaltung erheblich erweitert.
- Das Laserpunktschweißen stellt geringe Anforderungen an die Größe von Überlappungsnähten. Es gibt nur minimale Einschränkungen hinsichtlich Parametern wie Überlappungsumfang und Abstand zwischen den Schweißpunkten, und die Auswirkungen von Stromableitungen müssen nicht berücksichtigt werden.
- Für das Schweißen von Blechen unterschiedlicher Dicke, unterschiedlichen Werkstoffen und speziellen Werkstoffen (Aluminiumlegierungen, verzinkte Bleche) ist das Laserpunktschweißen den herkömmlichen Punktschweißverfahren überlegen.
- Es benötigt keine große Menge an Hilfsausrüstung, kann sich schnell an Produktänderungen anpassen und den Marktanforderungen gerecht werden.
II. Fehleranalyse beim Laserpunktschweißen
Risse, Poren und Durchhängen sind die häufigsten Defekte beim Laserpunktschweißen, die im Folgenden einzeln analysiert werden.
1. Risse
Risse werden in Oberflächenrisse und Längsrisse unterteilt. Die Aufheiz- und Abkühlraten beim Laserpunktschweißen sind sehr hoch, was zu einem großen Temperaturgradienten zwischen dem erhitzten Bereich und dem umgebenden Metall führt und die Rissbildung begünstigt. Das Auftreten von Rissen hängt stark vom Material ab; beispielsweise neigen Aluminiumlegierungen beim Laserpunktschweißen deutlich stärker zu Rissen als Edelstahl. Eine effektive Methode zur Unterdrückung der Rissbildung ist die Optimierung der Pulsform, um die Abkühlrate des Metallerstarrungsprozesses zu steuern und die inneren Spannungen zu reduzieren.
2. Poren
Poröse Defekte (Poren) in Laserpunktschweißungen lassen sich in kleine und große Poren unterteilen. Kleine Poren entstehen hauptsächlich durch die abnehmende Wasserstofflöslichkeit im flüssigen Metall während der Erstarrung sowie durch die schnelle Verdampfung des Metalls im Schweißkanal und die Störung des Schmelzbades. Große Poren sind vorwiegend auf die zu hohe Abkühlgeschwindigkeit beim Laserpunktschweißen zurückzuführen, wodurch dem Metall um den Schweißkanal herum nicht genügend Zeit zum Auffüllen bleibt. Im Allgemeinen treten kleine Poren eher beim Langpuls-Punktschweißen auf, während große Poren eher beim Kurzpuls-Punktschweißen vorkommen.
Beim Laserpunktschweißen treten Poren bevorzugt an zwei Stellen auf: in der Nähe der Schmelzzone in der Mitte des Schweißpunkts und an der Schweißnahtwurzel. Röntgenaufnahmen des Schmelzbereichs zeigen, dass Poren in der Nähe der Schmelzzone hauptsächlich durch Einschnürung beim Schließen des Schweißkanals entstehen; Poren an der Schweißnahtwurzel hingegen bilden sich vorwiegend durch das Zusammenfallen des Schweißkanals aufgrund des raschen Verschwindens des Laserstrahls nach dessen Bildung.
3. Durchhängen
Das sogenannte „Durchhängen“ ist ein bekanntes Phänomen beim Laserpunktschweißen. Das zentrale Durchhängen der Schweißpunktoberfläche und die umgebende Metallansammlung entstehen durch die Rückstoßkraft, die durch die Metallverdampfung erzeugt wird und das flüssige Metall zur Schweißpunktoberfläche drückt. Während des Abkühlprozesses erstarrt das angesammelte Metall schnell und kann nicht vollständig aufgefüllt werden. Zusätzlich trägt der Materialverlust durch schnelle Metallverdampfung und Spritzerbildung zum zentralen Durchhängen bei. Die Pulsdauer hat einen signifikanten Einfluss sowohl auf das Durchhängen der Schweißpunktoberfläche als auch auf die Porenbildung. Durch Optimierung der Pulsform und -dauer lassen sich zufriedenstellende Schweißpunkte erzielen.
4. Einfluss des Defokusbetrags auf die Schweißpunkte
Änderungen des Defokussierungsbetrags beeinflussen direkt den Spotdurchmesser und die Energiedichte. Eine Zunahme des Defokussierungsbetrags, sowohl in negativer als auch in positiver Richtung, führt zu einem größeren Spotdurchmesser und einer geringeren Energiedichte. Beim Laserpunktschweißen besteht ein Zusammenhang zwischen dem Spotdurchmesser und der Größe des durch den Laserstrahl auf das Werkstück erzeugten anfänglichen Dampfkanals. Die Energiedichte bestimmt die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Schmelzbades. Bei einem geringen Defokussierungsbetrag ist der Laserspotdurchmesser klein, die Laserleistungsdichte hoch und die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Schmelzbades hoch, der Durchmesser des anfänglichen Dampfkanals jedoch klein. Umgekehrt führt ein hoher Defokussierungsbetrag zu einem größeren Durchmesser des anfänglichen Dampfkanals, aber zu einer geringeren Ausdehnung des Schmelzbades und somit zu einer kleineren Schweißpunktgröße. Daher bestimmt bei einer Änderung des Defokussierungsbetrags das Zusammenspiel von Spotdurchmesser und Oberflächenleistungsdichte die Größe des Schweißpunkts.
III. Anwendung der Laserpunktschweißtechnologie
Das Laserpunktschweißen zeichnet sich durch hohe Geschwindigkeit, große Eindringtiefe und minimale Verformung aus und kann mit einfacher Schweißausrüstung bei Raumtemperatur oder unter speziellen Bedingungen durchgeführt werden. Die Entwicklung von Hochfrequenz-Pulslasern (mit einer Frequenz von über 40 Pulsen pro Sekunde) hat zudem die breite Anwendung des Laserpunktschweißens bei der Montage und dem Schweißen von Mikro- und Kleinbauteilen in der automatisierten Massenproduktion ermöglicht. Beim Schweißen kleiner elektronischer Bauteile, die eine kleine Wärmeeinflusszone erfordern – wie beispielsweise die Verbindung von Glas und Metall, die Verbindung von Lötstellen in wärmeempfindlichen Halbleiterschaltungen und die Verbindung unterschiedlicher Metalle in Drähten – ist das Laserpunktschweißen gegenüber herkömmlichen Punktschweißverfahren (z. B. Widerstandspunktschweißen) vorteilhafter, da es verschmutzungsfreie Schweißpunkte und eine hohe Schweißqualität liefert. Abbildung 6-60 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Laserpunktschweißens bei der Herstellung von Automobilscheinwerfern: Ein 500-W-Festkörperpulslaser erzeugt vier identische Schweißpunkte mit einer sehr hohen Pulsfrequenz.
Beim hochpräzisen Punktschweißen von Mikrostrukturen mit hoher Pulsenergie bieten gepulste Nd:YAG-Laser technische und wirtschaftliche Vorteile. In den meisten industriellen Punktschweißanwendungen kommen gepulste Festkörperlaser mit einer mittleren Leistung von 50 W und einer Pulsleistung von über 2 kW zum Einsatz. Der Laser kann über optische Fasern oder kombinierte Fokussierlinsen direkt auf das Werkstück einwirken.
Das Laserpunktschweißen eignet sich für eine Vielzahl von Materialien. Beispielsweise beim Punktschweißen von Lithiumbatterien mit Nd:YAG-LaserpunktschweißtechnologieDas Verbinden unterschiedlicher Metalle ist effizienter als WIG-Schweißen und Widerstandspunktschweißen. Insbesondere durch die Verwendung von Glasfasern zur Laserübertragung während der Produktion lässt sich ein schneller und flexibler Wechsel zwischen verschiedenen Arbeitsplätzen ermöglichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Laserpunktschweißen folgende Eigenschaften aufweist:
- Mit zunehmender Laserleistung schwankt der Oberflächendurchmesser des Schweißflecks, während der Durchmesser der Schmelzfläche und der Unterseite langsam zunimmt. Die Querschnittsform des Schweißflecks verändert sich kaum. Mit zunehmender Behandlungsdauer vergrößert sich der Schweißfleck rapide, wobei die Änderungsrate des Schmelzflächendurchmessers die der oberen und unteren Oberflächendurchmesser übertrifft. Die Defokussierung hat einen signifikanten Einfluss auf die Größe des Schweißflecks. Sie verändert direkt den Fleckdurchmesser und die Laserleistungsdichte, und das Zusammenspiel dieser beiden Faktoren bestimmt die Größe des Schweißflecks.
- Bei vollständigem Durchschweißen ist an der Oberfläche der Laserpunktschweißung ein deutliches Einsacken zu erkennen. Mit zunehmender Laserleistung und -dauer verstärkt sich diese Einsackung. Bei großer Dauer oder großem Spaltmaß kann auch die Unterseite der Schweißstelle eine Einbuchtung aufweisen.
- Mit zunehmendem Spalt werden die Gesamtverformung der Schweißstelle, die zentrale Absenkung und die Eindellung deutlich sichtbar. Die Schmelzfläche schrumpft, und die Festigkeit nimmt rapide ab. Aktuell wird beim Schweißen von Widerständen, Batterien und in der Elektronik häufig das Verfahren des simultanen Schweißens zweier Punkte angewendet, wofür üblicherweise zwei Laserlichtquellen zum Einsatz kommen.
Veröffentlichungsdatum: 27. Oktober 2025
