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Faserlaserschweißen

Das Laserschweißen ist eine Schweißtechnologie, die zum Verbinden mehrerer Metallkomponenten verwendet wird. Ein Laser erzeugt einen Strahl hoher Intensität, der an einer Stelle konzentriert ist. Diese konzentrierte Wärmequelle ermöglicht ein feines, tiefes Schweißen und hohe Schweißgeschwindigkeiten.  

Herkömmliche Laserschweißtechnologien, wie z. B. Dauerstrich-CO2-Schweißlaser, sind in Bezug auf ihre Genauigkeit und ihre unerwünschte, hohe Wärmeeinbringung in die Schweißnaht begrenzt. Auf der anderen Seite sind die herkömmlichen gepulsten Nd:YAG-Laser durch ihre maximale Schweißgeschwindigkeit, ihre minimale erzielbare Punktgröße und ihre mögliche Umwandlungseffizienz der elektrischen in optische Energie eingeschränkt. Eine steigende Anzahl von Anwendungen erfordern mittlerweile eine genauere Steuerung, geringere Hitzezufuhr und einen niedrigeren Stromverbrauch. Das Dauerstrich-Faserlaserschweißen bietet diese Eigenschaften.

Bei einem Faserlaser wird das Laserlicht in einer aktiven Faser erzeugt und durch eine flexible Transportfaser, die als Lichtführung dient, an das Werkstück geleitet. Die Flexibilität der Bereitstellung dieses Laserstrahls ist eine wichtige Funktion für viele Formen der Materialverarbeitung, wie Laserschneiden, Laserschweißen, Lasermarkieren und Lasergravieren.

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Dauerstrichlaser im Vergleich mit gepulstem Laser für das Metallschweißen

Faserlaser sind mit beiden Arten der Energieabgabe erhältlich: Dauerstrich und gepulst. Wie der Name sagt, liefern Dauerstrichlaser eine kontinuierliche, ununterbrochene Ausgabe. Diese Ausgabe kann beim Einschalten eine Anstiegszeit (Sanftanlauf), während des Betriebs eine Energiemodulation und beim Ausschalten einen Stromabfall (Kraterfüllung) aufweisen. Natürlich kann dieser Lasertyp auch ein- und ausgeschaltet werden, um Impulse zu erzeugen. Das maximale Leistungsniveau kann jedoch niemals die Durchschnittsleistung übersteigen.

Im Gegensatz dazu liefern die Pulsfaserlaser einen Energieimpuls, der typischerweise zehn- bis zwanzigmal höher ist als ihre durchschnittliche Leistung. Zum Beispiel kann ein Laser eine Durchschnittsleistung von 300 W und eine Spitzenleistung von 6000 W aufweisen. Diese Laser werden häufig als Quasi-Dauerstrich-Faserlaser (QCW) bezeichnet.

Laserschweißen von sehr kleinen Werkstücken und feinen Strukturen

Es ist möglich, auch kleinste Werkstücke mit Faserlasern kleiner Leistung zu schweißen, typischerweise im durchschnittlichen Leistungsbereich von 100 bis 200 W. Diese Laser sind aufgrund ihrer Eigenschaften für diese Art des Schweißens gut geeignet: [Eindringtiefe beim Faserlaserschweißen]

  • Sehr kleine Faserkerndurchmesser: Dank der kleinen Leistung und hohen Strahlqualität kann eine Leistung von bis zu 500 W in 10- oder 20-Mikrometer-Kerne geschossen werden, was sich in sehr kleinen Schweißpunkten niederschlägt. 
  • Ausgezeichnete Leistungsstabilität: Ein Faserlaser wird bis zu etwa 10 % seines Leistungsniveaus stabil sein. Zum Beispiel ist ein 200-W-Laser bis zu einer Leistung von 20 W stabil. In Kombination mit einer Impulslänge von 1 ms können Schweißimpulse von 20 mJ erreicht werden. Dies ist für die feinsten Schweißnähte ausreichend, die beim Präzisionsmetallschweißen zu finden sind.

 

Typische Anwendungen sind Stents, kleine medizinische Netze und dünne Membranen für Drucksensoren. Typische Materialien sind Nitinol-Drähte mit 50 Mikron, Platin-Spulendrähte mit 10 bis 50 Mikron, Edelstahlfolien mit 10 Mikron usw.

 

 

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0,012" Kupfer auf 0,015" Stahl 

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0,012" vernickelter Kupfer auf 0,015" Stahl 

Feinmetallschweißen mittlerer Leistung mit hoher Geschwindigkeit

Faserlaser mit 500 bis 1200 W und einem Faserkerndurchmesser zwischen 100 und 300 Mikron ersetzen typischerweise gepulste YAG- und Scheibenlaser für das Präzisionsmetallschweißen. In diesem Bereich bietet der Faserlaser eine höhere Schweißgeschwindigkeit für das gleiche Investitionsniveau. Die Schweißgeschwindigkeit kann bis zu zehnmal höher sein. Zum Beispiel ergibt ein 500-W-Faserlaser eine Schweißnaht von 1 mm Tiefe und 1 mm Breite bei etwa 1 cm/Sekunde in Baustahl. Dieser Laser ist im Hinblick auf sein Preis-Leistungs-Verhältnis schwer zu schlagen, wenn die Anwendung für diese Art von Schweißen geeignet ist.

Feinmetallschweißen mittlerer Leistung mit Einzelmoduslasern

Eine spezielle Art des Schweißens wird mit Lasern im Leistungsbereich von bis zu 500 W erreicht, die eine Faser mit sehr kleinem Durchmesser von 20 Mikron oder weniger aufweisen. Aufgrund dieses kleinen Durchmessers wird eine sehr hohe Energiekonzentration erhalten. Dies erzeugt eine Tiefschweißung.

Diese Art des Schweißens ist normalerweise mit einem Scannerkopf gekoppelt, der es dem Laserstrahl ermöglicht, mit sehr hohen Geschwindigkeiten fortzufahren. Der Laserstrahl kann linear oder in einem Kreis- oder Taumelmuster bewegt werden, um einen breiteren Schweißstrahl zu erzielen.

Hochleistungslaserschweißen von Metallen

Faserlaser im Leistungsbereich von 1000 bis 5000 W können schwerere Metallverbindungen bei hohen Geschwindigkeiten schweißen. Die Anwendungen können so vielfältig sein wie Edelstahlbleche für Küchenarbeitsflächen, galvanisierte Stahl-Backplates für Flachbildschirm-LCD-Fernseher, Stahlbleche für Statoren in Elektromotoren, Strukturteile wie Turbolader-Waste-Gates, Edelstahlbälge, Kupferdrähte, Batteriedeckel usw. Es können Dicken von bis zu 5 mm geschweißt und Geschwindigkeiten von bis zu 50 cm/Sekunde erreicht werden. Faserlaser in diesem Leistungsbereich ersetzen zunehmend andere Schweißverfahren wie Widerstandsschweißen (Punktschweißen), WIG-Schweißen, MIG-Schweißen, Elektronenstrahlschweißen usw. Bei Lasern mit diesen Leistungsstufen ist die Schweißgeschwindigkeit typischerweise nur auf die Geschwindigkeit des System- oder Werkstücktransports in bzw. aus dem System begrenzt. In den kommenden Jahren wird erwartet, dass die Leistung dieser Laser jährlich um 20 bis 30 % zunehmen wird und allmählich weitere traditionelle Schweißverfahren durch Laserschweißen ersetzt werden.

Laden Sie sich unsere Präsentation mit dem Thema „Laser Source Selection for Micro-welding Processes“ herunter.

Präsentation