Laserschweißen ist eine Methode zum Zusammenfügen zweier Materialien, bei der ein Laserstrahl als konzentrierte Wärmequelle verwendet wird, um die Materialien an ihrem Kontaktpunkt zu schmelzen und zu verschmelzen. Es bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Schweißtechniken wie schnellere Geschwindigkeit, einfachere Automatisierung, verbesserte Qualität und Präzision sowie erweiterte Materialoptionen.Kaltes Laserschweißenbezieht sich auf eine Untergruppe von Laserschweißverfahren, die im Vergleich zum Standard-Laserschweißen einen wesentlich geringeren Wärmeeintrag erfordern. Aber wie funktioniert es und welche Techniken werden heute hauptsächlich beim Kaltlaserschweißen eingesetzt?
Geringerer Wärmeeintrag
Per Definition erfordert das Kaltlaserschweißen eine deutlich geringere Laserleistungsdichte und Wärmezufuhr als heißere Schmelzschweißverfahren. Dadurch können wärmeempfindlichere Materialien wie Kunststoffe oder dünne Folien mit weniger Verformung, Verbrennung oder anderen thermischen Schäden im Vergleich zum heißeren Laserschweißen verbunden werden.[1]
Typische Kaltlaserschweißtechniken liefern nur 25-30 % des Energieeintrags, der beim herkömmlichen Laserschweißen verwendet wird. Dies entspricht Leistungsdichten unter 1 Megawatt pro Quadratzentimeter und Spitzentemperaturen unter 2500 Grad F an den Verbindungslinienoberflächen.[2]
Die geringere Hitze minimiert Teileverwerfungen und riskante metallurgische Veränderungen an den zu schweißenden Komponenten. Es ermöglicht auch erfolgreiche Verbindungen in stark reflektierenden Materialien wie Aluminium oder Kupfer, die normalerweise größere Mengen an Laserenergie ablenken würden, anstatt sie zu absorbieren.[3]
Wichtigste Kaltlaserschweißtechniken
Zu den drei Hauptkategorien des Laserschweißens, die als Kalttechniken gelten, gehören:
1. Laserschweißen mit geringer Leistungsdichte
Dies beinhaltet die Reduzierung der Leistungsdichte von Standard-Festkörper- oder Faserlasern auf 0,5 Megawatt pro cm2 oder weniger. Es ermöglicht Schweißnähte mit einer Tiefe von bis zu 0,5 mm und minimiert gleichzeitig den Wärmeeintrag und die metallurgischen Auswirkungen auf empfindliche Legierungen.[4]
2. Scannendes Laserschweißen
Bei dieser Methode lässt sich der Laserstrahl während der Impulsfeuerung schnell über die Naht bewegen oder scannen. Die Kombination aus breiterem Strahl und schneller Bewegung begrenzt den Wärmeeintrag trotz der Verwendung von Leistungsdichten über 2 Megawatt pro cm2. Es erleichtert das Schweißen exotischer Luft- und Raumfahrtlegierungen und Batterielaschen.[5]
3. Laser-Mikroschweißen
Dabei kommen Infrarot-Laserdioden zum Einsatz, deren Wellenlängen auf die Absorptionsspitzen von Polymeren abgestimmt sind. Durch sorgfältige Kontrolle der Emission unter 150 Watt entstehen schmale Schweißnähte mit einer Tiefe von weniger als 0,1 mm, die jedoch stark genug für Komponenten wie medizinische Katheter und Mikroelektronik sind.[6],[7]
Vorteile gegenüber dem Standard-Laserschweißen
Während maximale Schweißgeschwindigkeiten und -tiefen begrenzt sind, bieten Kaltlasertechniken Vorteile, darunter:
- Minimierung von Teileverzerrungen und schädlichen metallurgischen Veränderungen
- Vermeidung von Hitzeschäden und Härteverlust bei empfindlichen Legierungen
- Ermöglicht starke Präzisionsverbindungen in stark reflektierenden und leitfähigen Materialien, die zuvor nicht schweißbar waren
- Verbinden von thermoplastischen Kunststoffen und polymerunähnlichen Materialpaarungen, die zu thermischer Zersetzung neigen
- Ermöglicht das automatisierte Schweißen extrem dünner Folien bis zu einer Dicke von 0,05 mm [8]
Damit füllt das Kaltlaserschweißen eine wichtige Nische – es ermöglicht die komplizierte Verbindung von Metallen, Kunststoffen und Materialmischungen, die mit heißeren herkömmlichen Laserschweißverfahren nicht kompatibel sind.
Anwendungen nutzen Vorteile
Vor allem die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Elektronik- und Medizingeräteindustrie nutzen Lösungen für das Kaltlaserschweißen, um Vorteile wie die Ermöglichung anspruchsvoller Materialverbindungen mit minimaler Verformung an kleinen, komplizierten Bauteilen zu nutzen.
Beispielanwendungen sind:
- Hermetische Abdichtung von Titangehäusen von Herzschrittmachern [9]
- Schweißen äußerer Vakuumkammern für Massenspektrometer [10]
- Verbinden von Nickelfolienspulen in elektrischen Generatoren unter Beibehaltung der magnetischen Eigenschaften [11]
- Versiegelung von Polymeren in Arzneimittelabgabepflastern ohne durch Hitze verflüssigende Klebstoffe [12]
Während Kaltlasertechniken in kleineren Maßstäben arbeiten, ermöglichen sie geschäftskritische Verbindungen in weltraumtauglichen Legierungen, Diagnoseinstrumenten und lebensrettenden medizinischen Komponenten, bei denen die Beibehaltung der Eigenschaften und Abmessungen des Grundmaterials von größter Bedeutung ist.
In Summe
Beim Kaltlaserschweißen kommen Lasertechniken mit reduzierter Energiedichte zum Einsatz, die den Wärmeeintrag beim Präzisionsschweißen begrenzen. Wenn die Temperaturen niedrig gehalten werden, werden Teileverzerrungen und metallurgische Schäden minimiert und gleichzeitig Verbindungen in stark reflektierenden und thermisch empfindlichen Komponenten ermöglicht, die bisher für das Heißschmelzschweißen tabu waren. Obwohl Kaltlaser im Mikromaßstab arbeiten, ermöglichen sie die komplizierte Verbindung exotischer und unterschiedlicher Materialpaarungen, die für Anwendungen von Satelliten bis hin zu chirurgischen Implantaten von entscheidender Bedeutung sind.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. ist ein High-Tech-Unternehmen, das sich auf Forschung und Entwicklung, Herstellung und Vertrieb von automatischen Laserauftragsmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsmaschinen, Laserabschreckmaschinen, Laserschweißmaschinen und Laser-3D-Druckgeräten spezialisiert hat. Unsere Produkte sind kostengünstig und werden im In- und Ausland verkauft. Wenn Sie an unseren Produkten interessiert sind, kontaktieren Sie uns bitte unterbob@gshenglaser.com.
Verweise:
[1] Katayama, S. Handbook of Laser Welding Technologies. Woodhead Publishing. 2013. S. 342.
[2] Ionen-JC-Laserbearbeitung technischer Materialien: Prinzipien, Verfahren und industrielle Anwendung. Sonst. 2005. p 203-204.
[3] Dawes C. Laserschweißen: Ein praktischer Leitfaden. Woodhead Publishing. 1992. S. 88.
[4] Kah P, Suoranta R, Martikainen J, Magnus C. Techniken zum Verbinden unterschiedlicher Materialien: Metalle und Polymere. Rev Adv Mater Sci. 2014;36:152-164.
[5] Kah P, Suoranta R, Martikainen J. Fortgeschrittene Techniken zum Laserschweißen transparenter Polymere. Physik-Procedia. 2015;78:182-190.
[6] Acherjee B, Mondal B, Tudu B, Misra D. Fortschritte und jüngste Innovationen in der Laserstrahlschweißtechnologie. Optik und Laser im Ingenieurwesen. 2021; 140:106877.
[7] Roesner A, Scheik S, Olowinsky A, Gillner A, Reisgen U, Schleser M. Laserschweißen von Polymeren mit hochintensiven Lasern. Zeitschrift für Laser-Mikro-Nanotechnik. 2019;14(1):1-6.
[8] Katayama S. Laserschweißphänomene beim Dünnfolienschweißen. Zeitschrift für Laseranwendungen. 1. Juni 2011;23(2):022005.
[9] L bzw. Ampe T, Roos E. Untersuchungen zum Schmelzschweißen von Titanlegierungen für Herzschrittmacher. Materialien für medizinische Geräte II: Tagungsband der Konferenz „Materialien und Prozesse für medizinische Geräte“. 8. November 2004. S. 12-6.
[10] Synowicki RA. Materialprobleme für geschweißte Titan-Vakuumkammern in Massenspektrometrieanwendungen. 18. Thementreffen zur Wissenschaft der Fusionsenergie. 28. Oktober 1999.
[11] Dilger K, Nussbaum C, Nusbickel W, Rodman R. Laserschweißen von Elektrostählen und seine technologischen Konsequenzen für Wechselstrom-Magnetkerne. IEEE-Transaktionen auf Magnetik. 1992 Sep;28(5):2260-3.
[12] D commandssingh SP, Wieduwilt TJ. Einsatz des Laserdurchstrahlschweißverfahrens zur Abdichtung von Prothesen für die Implantation. US-Patentanmeldung US 06/938,069. 4. Dezember 1974.