Laserstrahlschweißen

Das Laserstrahlschweißen, das noch vor einigen Jahren ein exotisches, wenigen Spezialanwendungen vorbehaltenes Sonderfügeverfahren war, setzt sich in zunehmendem Maße als eine qualitativ hochwertige und oftmals auch wirtschaftlichere Alternative zu anderen, etablierteren Schweißverfahren durch. Derzeit ist zu beobachten, daß der Laser als Schweißenergiequelle nicht nur in schon klassisch zu nennenden Einsatzbereichen wie z.B. der Großserienfertigung von Automobilkarosserien, sondern auch beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie beim Schweißen von Flugzeug-Rumpfstrukturen eingesetzt wird. Neueste Forschungen haben darüber hinaus zu einem Einsatz des Lasers auch in jenen Industrien wie z.B. dem Schiffbau und dem Rohrleitungsbau geführt, die sonst eine geradezu klassische Domäne des Lichtbogenschweißens waren. Aufbauend auf einer jahrzehntelangen Erfahrung im Bereich der Laserstrahlbearbeitung insbesondere der Werkstoffe Aluminium, Stahl und Titan werden einerseits schwerpunktmäßig Grundlagenuntersuchungen durchgeführt, um die Basis für künftige technologische Entwicklungen zu legen. Andererseits stellt sich das BIAS der Herausforderung der konkreten industriellen Anwendung und führt im Auftrag zahlreicher Industrieunternehmen Anwendungsuntersuchungen zur Optimierung bestehender sowie zur Entwicklung neuer Systeme und Prozesse durch. Hierbei können derzeit drei Arbeitsschwerpunkte identifiziert werden: Neue Strahlquellen: Neue Entwicklungen in der Laserphysik haben jüngst die Bereitstellung neuer Strahlquellen wie z.B. des Scheibenlasers und des Hochleistungs-Faserlasers ermöglicht. Insbesondere der Hochleistungs-Faserlaser hat in den vergangenen zwei Jahren eine rasante Entwicklung durchgemacht und steht heute mit sehr hoher Ausgangsleistung zur Verfügung. Aufgrund seiner vielfältigen Vorteile, zu denen insbesondere die hohen verfügbaren Strahlleistungen bei geringem Energiebedarf und eine gegenüber anderen diodengepumten Strahlquellen erheblich erhöhte zu erwartende Lebensdauer ist er langfristig als eine wartungsarme und wirtschaftliche Investition gerade in jenen Bereichen, die dem Strahlwerkzeug Laser bisher noch nicht zugänglich waren, zu sehen. Um die Potentiale dieser neuen Strahlquelle auszuloten, wurden am BIAS mit einem Faserlaser von IPG Photonics (Wellenlänge: 1070 nm, Bild 1) mit einer maximalen Ausgangsleistung von 6.9 kW bei einer Strahlqualität von 17 mm*mrad Untersuchungen zum Schweißen von Aluminium- und Stahlwerkstoffen durchgeführt.

Bild 1: 6.9 kW-Faserlaser am BIAS

Die hohe Ausgangsleistung kann zum einen beim Schweißen größerer Blechdicken umgesetzt werden, die bisher nur dem CO2-Lasern zugänglich waren und zum anderen im Dünnblechbereich die Prozeßfenster hin zu höheren Vorschubgeschwindigkeiten erweitern. Insbesondere im Schienen- und der Luftfahrzeugbau werden Aluminiumwerkstoffe bis zu Blechdicken von 6 mm und mehr für Großstrukturen eingesetzt. Für diese Strukturen ist der anlagentechnische Aufwand für CO2-Anlagen und Strahlführungen sehr hoch. Mit dem am BIAS installierten Faserlaser konnten diese Blechdicken mit Geschwindigkeiten bis zu 3 m/min bei guter Nahtqualität geschweißt werden. Bild 1 zeigt den Querschliff einer I-Naht am Stumpfstoß für die Legierung AA6056 mit einer Blechdicke von 6 mm. Beachtlich war insbesondere die beobachtete Stabilität der Prozesse, die dem Anwender ein gut nutzbares Prozeßfenster erschließt. Auch bei Stumpfstoßschweißungen mit unterschiedlichen Blechdicken für Tailored Blanks konnten zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Auch im Dickblechbereich, der bisher z.B. für Offshoreanwendungen, im Schiffbau und im Rohrleitungsbau vorwiegend mit CO2-Lasern zu bedienen war, könnten Faserlaser zukünftig eingesetzt werden. Die am BIAS durchgeführten Untersuchungen zeigten bei allen betrachteten Stahl- und Aluminium-Werkstoffen vielversprechende Ergebnisse. Die bisher für Festkörperlaser geltenden Prozeßgrenzen können mit diesen neuen Laserquellen, die hohe Leistung und gute Strahlqualität vereinen, deutlich erweitert werden, woraus für viele Anwendungsbereiche wirtschaftliche und technologische Vorteile entstehen werden.

Bild 2: Aluminium-Stumpfstoßverbindung, AA6056, t= 6 mm, P = 6.9 kW, v = 3,0 m/min, vD = 8 m/min, Schutzgas