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Laserschweißen macht die industrielle Produktion lean

Laserschweißen setzt sich überall dort durch, wo hohe Geschwindigkeiten, schlanke Schweißnähte sowie Automatisierbar- und Reproduzierbarkeit gefragt sind. Dabei zeigt sich, dass Anpassungen in der Konstruktion sowie der Einsatz des richtigen Schutzgases eine zentrale Rolle spielen. Warum ist das so entscheidend?

Das Laserschweißen ist eine relativ junge Disziplin: Erst seit rund 30 Jahren wird gebündeltes Licht für die Verbindung von Werkstoffen eingesetzt. Die technischen Vorteile machen den Einsatz dieser Verbindungstechnologie gerade in jenen Bereichen attraktiv, in denen es um industrielle Serienproduktion geht. Eine sehr schmale Schweißnaht und hohe Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 20 Metern pro Minute sind die beiden herausragenden Pluspunkte, wegen derer die Wahl gerne auf Laserschweißen fällt.

Zudem sorgt eine niedrige Streckenenergie, die wenig Wärme in den Werkstoff einbringt, für geringere Veränderung am Material. „Immer mehr Kunden sagen bei diesen Vorteilen: das will ich auch haben!‘“, sagt Michael Wolters, Projektingenieur für die Entwicklung von Schweißtechnologien bei der Messer. Die gute Automatisierbarkeit des Prozesses und die Reproduzierbarkeit der Schweißqualität machen Laserschweißen zur perfekten Fügetechnik für „lean production“ und für die Industrie 4.0 – wenn man es richtig anpackt.

Laserschweißen ist nicht gleich Laserschweißen

Wenn man vom Laserschweißen spricht, meint man eigentlich das „Laserstrahlschweißen“. So lautet die vollständige Bezeichnung der Technologie, die in der Liste der Schweißverfahren laut EN ISO 4063 als Prozess 52 definiert ist. Die nötige Wärme wird durch eine Laserstrahlung erzeugt, die optisch gebündelt an einem definierten Punkt einen schnellen Anstieg der Temperatur erzeugt. Die rasch entstehende Schmelze verbindet die beiden Werkstücke, die Schweißnaht kühlt ebenso rasch wieder ab und sorgt für eine saubere Nahtstelle.

Die gängigste Variante ist das Wärmeleitungsschweißen: Hier werden Strahlungsintensitäten bis 100 kW/cm2 verwendet. Das sorgt für ein geringes Eindringen der Strahlung, wodurch geringere Materialdicken sehr rasch und präzise verbunden werden können. Beim Lasertiefschweißen hingegen kommen hohe Strahlungsintensitäten von bis zu 4 MW/cm2 zum Einsatz, was für ein tieferes Eindringen des Strahls ins Material sorgt. Der entstehende tiefe Hohlraum, das sogenannte Keyhole, ist in diesem Fall tiefer als breit. Diese Dampfkapillare ist von flüssiger Schmelze umgeben, die hinter dem Laserstrahl in den Hohlraum fließt und eine schmale, tiefe Schweißnaht mit gleichmäßigem Gefüge hinterlässt. Dazu kommen immer mehr Hybridschweißverfahren, bei denen die Vorteile des Laserschweißens mit denen anderer Fügetechnologien verbunden werden. So kann der Schweißprozess an spezielle Aufgaben und unterschiedliche Werkstoffe angepasst werden.

Schweißgerechtes Konstruieren

Der Umstieg auf Laserschweißen bringt mehrere Aufgaben für die Nutzer mit sich. Die erste davon ist es, schon beim Entwurf der Werkstücke die veränderte Fügetechnik zu berücksichtigen. „Schweißgerechtes Konstruieren gehört von Anfang an mitgedacht“, erklärt Wolters. Seiner Erfahrung nach haben schon viele Unternehmen Schiffbruch erlitten, die auf Laserschweißen umgestiegen sind, ohne auf die unterschiedlichen Charakteristika der Verfahren Rücksicht zu nehmen.

Das betrifft in erster Linie die Fügestellen, die anders konstruiert sein müssen. Aufgrund der hohen Energiekonzentration am Brennpunkt kommt es zu einem schnellen Schmelzen und ebenso rascheren Abkühlen der Schweißnähte, was zu einem deutlich geringeren thermischen Verzug führt. Außerdem müssen die zu verbindenden Stoßkanten präziser aneinander liegen. Laserschweißen bringt zwar genauere Ergebnisse mit geringeren Toleranzen als andere Fügevarianten, kann aber nur geringere Spaltabstände zwischen den zu verschweißenden Platten überbrücken als es beispielsweise beim MIG- oder MAG-Schweißen der Fall ist. Wolters: „Mit der Regelung dieser konstruktiven Fragen beschäftigen sich die Normungsinstitute derzeit intensiv.“ Große Industrien wie etwa dem Automobil- oder Flugzeugbau haben das längst erkannt und die Prozesse selbst definiert.

Schutzgas ist entscheidend

Der zweite Kardinalfehler, der beim Umstieg aufs Laserschweißen gerne gemacht wird, ist die Nichtberücksichtigung des Schutzgases. „Schutzgase haben beim Schweißen eine ganz bestimmte Aufgabe“, erklärt der Experte. Sie dienen vor allem zum Abschirmen der Schweißnaht gegen die Atmosphäre. Schutzgase verhindern das Eindringen von Stickstoff, Sauerstoff und Feuchtigkeit. Das verursacht Korrosion, aber auch Poren im Werkstoff.

Letztere haben den Nachteil, dass man sie mit freiem Auge im Moment nicht sieht, aber zu einem vorzeitigen Altern des Materials führen. „Laserschweißen ist so schnell, dass angesichts der im ersten Anschein perfekten Ergebnisse die Notwendigkeit des Einsatzes von Schutzgasen manchmal in Frage gestellt wird“, so Wolters. Doch das ist nicht so, die Physik lässt sich nicht überlisten. Nur wer das richtige Schutzgas für die gewählte Laserfügetechnik wählt, kommt zu qualitativ hochwertigen Ergebnissen und kann auch langfristig von den Vorteilen dieser Technologie profitieren.

Lean Production für KMUs

Das gilt es gerade in einer Zeit zu beachten, in der sich die Grenzen der Einsatzmöglichkeiten immer weiter verschieben. So ist etwa das Laserschweißen von Kunststoffen stark im Kommen. Mittlerweile sind sogar schon erfolgreiche Versuche mit dem Keramikschweißen zu verzeichnen.

Während die großen Industrien das Laserschweißen längst für sich entdeckt haben und auf immer neue Einsatzgebiete ausweiten, springen immer mehr produzierende Klein- und Mittelbetriebe auf den „Laserzug“ auf. Dass Laser immer günstiger werden, befeuert diesen Trend. Laserschweißen ermöglicht schlankere, schnellere, automatisierte Produktionsprozesse mit reproduzierbarer Qualität. Doch wer seine Produktion auf diesem Weg „lean“ machen will, muss zuerst seine Hausaufgaben erledigen.

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