PunktschweißenDer Einsatz von Lasern ist möglich und bietet gegenüber dem herkömmlichen Punktschweißen mit elektrischem Strom mehrere potenzielle Vorteile. Es bleibt jedoch die Frage: Können laserbasierte Techniken wirklich mit der Hochgeschwindigkeits- und Massenproduktion herkömmlicher Punktschweißverfahren für Autokarosserien, Batterielaschen und andere große Metallbaugruppen mithalten oder diese sogar übertreffen? Lassen Sie uns die Technologie, Vorteile und Grenzen des Laserpunktschweißens untersuchen.
So funktioniert Laserpunktschweißen
Wie beim herkömmlichen Widerstandspunktschweißen konzentriert das Laserpunktschweißen die Wärmeintensität auf einen kleinen, präzisen Bereich, um Bleche in Sekundenbruchteilen miteinander zu verschmelzen. Doch anstatt elektrischen Strom über Elektrodenspitzen zu verwenden, konzentrieren Laser große Mengen optischer Energie, um Metalle schnell aufzuschmelzen und zu verbinden.[1]
Punktgrößen von weniger als 2 Millimetern ermöglichen eine präzise Energieübertragung mit hoher Dichte in geschichtete Stahlbleche. Dadurch entsteht ein Schweißklumpen, der die Metallschichten im Querschnitt des Laserstrahls innerhalb von Millisekunden miteinander verschmilzt.[2]
Aufgrund der präzisen Steuerung und der schnellen Verarbeitung kann der Laser mit nur einem 2-Kilowatt-Faserlaser in weniger als 10 Sekunden genügend Energie aufbringen, um bis zu 2 mm tiefe Schweißpunkte in Kohlenstoffstählen zu erzeugen.[3] Diese Kombination aus Geschwindigkeit, Dichte und Tiefe macht den Laser zu einer realistischen Option für das Punktschweißen großvolumiger Komponenten.
Vorteile gegenüber dem Standard-Widerstandspunktschweißen
Da es sich beim Laserpunktschweißen um ein optisches und nicht um ein elektrisches Verfahren handelt, bietet das Laserpunktschweißen mehrere Vorteile:
- Keine Elektroden erforderlich
Laser machen teure, verschleißanfällige Elektroden überflüssig und ermöglichen gleichzeitig eine berührungslose Bearbeitung. Dies reduziert auch Reibung und Elektrodenabdrücke auf fertigen Teilen.[4]
- Bindungen mit höherer Festigkeit
Der Laser erzeugt Schweißnähte mit einer um bis zu 30 % höheren Zugfestigkeit, die weniger Mikrorisse oder Porositätsprobleme aufweisen, die beim Widerstandspunktschweißen üblich sind.[5]
- Funktioniert mit neuen Materialien
Laser können erfolgreich exotische Metalle wie Magnesium oder Aluminium punktschweißen, die beim Standardpunktschweißen Probleme mit der elektrischen Leitfähigkeit und der Materialkonsistenz verursachen.[6]
- Verbesserte Prozesskontrolle/Diagnose
Laser bieten eine hervorragende Überwachung, Kontrolle und Qualitätsbestätigung. Parameter wie Strahlwinkel, Pulsdauer oder Fokuspunkt stimmen Schweißnähte präzise ab.[7] Und Methoden wie die Infrarot-Thermografie visualisieren den Wärmefluss besser in Echtzeit.[8]
Daher bieten Laser deutliche Vorteile, unabhängig davon, ob sie Standard-Punktschweißvorgänge langfristig ergänzen oder ersetzen. Die Realisierung dieser Vorteile hängt jedoch von der Beseitigung einiger verbleibender Einschränkungen ab.
Verbleibende Einschränkungen beim Laserpunktschweißen
Obwohl die Laserpunktschweißtechnologie vielversprechend ist, stößt sie immer noch auf Hindernisse in folgenden Bereichen:
- Kosten
Die höheren Ausrüstungskosten von Lasern können die Einführung von Änderungen an aktiven Produktionslinien verhindern. Der kurzfristige ROI bleibt eine Herausforderung.[9]
- Geschwindigkeit
Das Standard-Punktschweißen erreicht einen extrem hohen Durchsatz, der von Laserverfahren bisher nicht erreicht wurde. Laser arbeiten derzeit mit etwa 20 % niedrigeren Raten – obwohl die stetige Verbesserung anhält.[10]
- Diagnostisches Ungleichgewicht
Während die Laserüberwachung selbst überlegen ist, ist die Widerstandspunktschweißmesstechnik zur Qualitätskontrolle seit Jahrzehnten gut etabliert. Äquivalente Standards, Spezifikationen und Testverfahren für Lasermethoden befinden sich noch in einem früheren Entwicklungsstadium.[9]
Daher muss die fortschrittliche Diagnostik parallel zu Verbesserungen der Geschwindigkeit und Strahlformung erweitert werden, um Standardprozesse im großen Maßstab besser nachbilden zu können. Das längerfristige technische Potenzial begünstigt jedoch immer noch, dass der Laser gleiche oder schnellere Zyklusraten erreicht.
Der Ausblick für das Laserpunktschweißen
Mit entscheidenden Vorteilen in der Schweißqualität, Flexibilität und Diagnose wird die Akzeptanz des Laserpunktschweißens zunehmen – insbesondere dort, wo neue Materialanforderungen zu Veränderungen führen. Eine Analyse geht davon aus, dass der Automobilsektor von 2020 bis 2025 ein Wachstum von über 50 % beim Verkauf von Laserschweißgeräten vorantreibt, da der Einsatz leichterer Metalle zunimmt.[11]
Und die Batterieproduktion sorgt auch für enormes Aufwärtspotenzial beim Laserpunktschweißen von Kupferlaschen und -folien, bei denen es zu elektrischen Kontaktproblemen kommt. Auch wenn die Einschränkungen im Zusammenhang mit der Integration der Altproduktion bestehen bleiben, unterstützt die technische Dynamik des Laserpunktschweißens langfristig eine stabile Durchdringung hoher Stückzahlen, um Qualitäts- und Produktivitätssteigerungen zu erzielen.
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Verweise:
[1] Bereit, JF Industrielle Anwendungen von Lasern. Akademische Presse. 25. April 2003. p. 468
[2] Ion JC. Laserbearbeitung technischer Materialien: Prinzipien, Verfahren und industrielle Anwendung. Butterworth-Heinemann. 1. Januar 2005. p 34-35
[3] Quintino L., Costa A., Miranda R. et al. Schweißen mit Hochleistungsfaserlasern – Eine Vorstudie. Mater Des. 2007;28(4):1231-1237.
[4] Casalino G. Untersuchung der Laserschweiß-Rückkopplungskontrolle durch quantitative Infrarot-Thermografie: Wechselwirkungszeit und Methode nullter Ordnung zur Schweißdurchdringungskontrolle; analytische Modellierung der vom Laserschweißbad emittierten Infrarotstrahlung. Frattura ed Integrità Strutturale. 2016;36:69-77.
[5] Norman P, Karlsson L, Kaplan AFH. Ermüdungsverhalten und Versagensart von Laserpunktschweißungen. Technische Fehleranalyse. 1. März 2013;28:345-57.
[6] Chen G, Liu L, Dunne D, et al. Laserschweißen von Blechen aus der Magnesiumlegierung AZ31. J Mater Process Technol. 30. Mai 2005;166(1):30-6.
[7] Gao C, Hu L, Liu J, Ye X, Chen G. Der Weg, eine fehlerfreie Al-Stahl-Laserschweißnaht zu erhalten. Optik & Lasertechnik. 1. Februar 2015; 66:21-6.
[8] Hu L, Gao C, Liu J, et al. Echtzeitdiagnose von laserablatiertem Plasma zur präzisen Überwachung der Laserschweißqualität. J Mater Process Technol. 1. Okt. 2015;224:233-40.
[9] Norman P, Karlsson L, Kaplan AF. Rückblick: Laserstrahlschweißen von Kupfer auf Aluminium, ein Rückblick. Materialtransaktionen. 1. Juli 2013;54(7):878-87.
[10] Peng Y, Chen D, Pan Z, et al. Mikrostrukturen und Leistungsbewertung unterschiedlicher Al-Cu-Komponenten, hergestellt durch selektives Laserschmelzen. Optik & Lasertechnik. 1. Februar 2020;123:105991.
[11] Markt für Laserschweißgeräte – Wachstum, Trends, Auswirkungen von COVID-19 und Prognosen|Mordor-Geheimdienst [Internet]. Mordor-Geheimdienst. 2021 [zitiert am 19. Januar 2023]. Verfügbar unter: https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/laser-welding-equipment-market