Wie funktioniert Laser-Schweißen?

Kernphysik: Wie Laserenergie eine Schweißnaht erzeugt

Energieabsorption, Schmelzschwellen und thermische Materialreaktion

Wenn das Laserschweißen beginnt, treffen diese intensiven Photonen auf die Metalloberfläche und übertragen ihre Energie an die darin enthaltenen Elektronen. Anfangs absorbieren Metalle nur wenig von diesem nahinfraroten Licht und reflektieren tatsächlich zwischen 50 und 90 Prozent davon. Doch die Situation ändert sich dramatisch, sobald bei Stahlmaterialien um etwa 1500 Grad Celsius das Schmelzen einsetzt. Die Fähigkeit, Energie zu absorbieren, steigt in dieser Phasenumwandlung um etwa das Zehnfache an. Was genau dies verursacht, hängt weitgehend von der Leistungsdichte ab. Die meisten technischen Legierungen beginnen zuverlässig zu schmelzen, wenn sie mehr als einer Million Watt pro Quadratzentimeter ausgesetzt sind. Auch die Wärmeleitfähigkeit spielt eine große Rolle dabei, wie viel Energie benötigt wird. Kupfer beispielsweise weist eine Wärmeleitfähigkeit von 401 Watt pro Meter Kelvin auf, verglichen mit lediglich 22 Watt pro Meter Kelvin bei Titan. Das bedeutet, dass Kupfer etwa dreimal so viel Energie benötigt, um ähnliche Schmelztiefen zu erreichen. Um die Schweißqualität aufrechtzuerhalten, ist eine sorgfältige Temperaturkontrolle erforderlich. Wenn die Spitzen Temperaturen über 80 Prozent dessen liegen, was zum Verdampfen des Materials nötig ist, entstehen Probleme durch übermäßige Dampfexpansion, die unerwünschte Porosität im Endprodukt verursacht.

Leitungsmodus vs. Schlüsselloch-Modus: Wann und warum jeder auftritt

Die Auswahl des Schweißmodus spiegelt einen grundlegenden Kompromiss zwischen Kontrolle und Durchdringung wider:

Beim Leitfähigkeits-Schweißen breitet sich die Wärme seitlich durch das Material aus, was es ideal für das Versiegeln von Batteriegehäusen macht, bei denen eine geringe Wärmezufuhr erforderlich ist. Wenn die Intensität steigt, wechselt man in den Schlüsselloch-Modus. Der Dampfdruck erzeugt dabei quasi ein temporäres Loch im Metall, wodurch der Laserstrahl tiefer in das Werkstück eindringen kann. Diese Methode ermöglicht Einstromschweißungen sogar bei dickem Schiffbaustahl von etwa 15 mm, wobei die Bediener ihre Parameter jedoch genau überwachen müssen. Die Strahllage spielt eine große Rolle, ebenso wie die Leistungsstufen und die Geschwindigkeit, mit der die Schweißdüse bewegt wird. Wenn sich das Schlüsselloch während des Schweißens zusammenzieht, was in der Fertigung überraschend oft vorkommt, entstehen lästige Poren, die das Endprodukt schwächen und Nacharbeit erforderlich machen.

Wesentliche Komponenten einer Laserschweißmaschine

Faserlaserquelle: Pumpen, Verstärkungsmedium und Strahlerzeugung

Faserlaser erzeugen helles, fokussiertes Licht, wenn sie spezielle optische Fasern, die Seltene Erden enthalten, mithilfe von Halbleiterdioden pumpen. Der Prozess beinhaltet stimulierte Emission innerhalb dieser Verstärkungsmedien, was zu einem stabilen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 1.060 bis 1.080 Nanometern führt. Dieser Wellenlängenbereich entspricht dem Bereich, in dem die meisten Metalle Energie am besten absorbieren, wodurch er ideal für industrielle Anwendungen ist. Die Güte des Strahls spielt ebenfalls eine große Rolle. Wenn sie als M-Quadrat-Werte unter 1,1 gemessen wird, bedeutet eine bessere Strahlqualität, dass der Laser auf kleinere Flecken fokussiert werden kann und tiefere Materialdurchdringung bei Schneid- oder Schweißoperationen ermöglicht. Auch die thermische Steuerung darf von Herstellern nicht ignoriert werden. Wenn es zu heiß wird, sinkt die Ausgangsleistung erheblich – um etwa 15 % pro 10 Grad Celsius Temperaturanstieg über den konstruktiv vorgesehenen Bereich hinaus, wie letztes Jahr im Material Processing Journal veröffentlicht wurde.

Strahlübertragung, Fokussieroptik und Leistungsdichtesteuerung

Laserstrahlen bewegen sich durch flexible optische Fasern, um verschiedene Abgabekomponenten wie Schutzfenster, Kollimatoren, Galvanometerscanner und spezielle F-Theta-Linsen zu erreichen, die dabei helfen, den Strahl auf einen Durchmesser von nur 20 Mikrometern zu formen und zu fokussieren. Im Schlüssellochmodus erzeugen diese Laser eine Leistungsdichte von über einer Million Watt pro Quadratzentimeter, was im Wesentlichen bedeutet, dass Materialien nahezu augenblicklich verdampft werden. Die Veränderung der Fokusposition oder der Einsatz von Techniken wie zirkulärer Oszillation hilft, den geschmolzenen Pool während des Schweißens stabil zu halten und unerwünschte Spritzerbildung zu reduzieren. Nehmen wir beispielsweise die Anpassung der Brennweite: Eine kürzere Brennweite erhöht die Leistungsdichte um etwa 40 Prozent, führt aber zu engeren Toleranzen bei der Schärfentiefe. Dies erfordert äußerst präzise Bewegungssteuerungssysteme, um eine gleichbleibend hohe Schweißqualität an unterschiedlichen Bauteilen sicherzustellen.

Schweißnahtbildungsprozess: Von der Bestrahlung bis zur festen Verbindung

Dynamik des Schmelzepools, Stabilität des Schlüssellochs und mikrostrukturelle Erstarrung

Wenn der Laserstrahl auf das Material trifft, erhitzt er den Bereich schnell über seinen Schmelzpunkt hinaus und erzeugt einen Schmelzbad, dessen Verhalten je nach Schweißmodus unterschiedlich ist. Bei Tiefenschweißen erzeugt der Dampfdruck ein tiefes, enges Loch, das manchmal eine Tiefe von bis zu 25 mm erreicht. Die Stabilität dieses Hohlraums ist entscheidend für die Entstehung von Fehlern, denn wenn er kollabiert, kann starke Turbulenz Poren verursachen – laut einer Studie des Journals of Materials Processing aus dem vergangenen Jahr in etwa 12 % aller Produktionsnähte. Das Leitfadenschweißen führt zu deutlich flacheren Schmelzbädern, die relativ ruhig bleiben, ohne starke Flüssigkeitsbewegungen. Während sich der Laser fortbewegt, beginnt das Metall nahezu augenblicklich zu erstarren, da Abkühlungsraten über einer Million Grad pro Sekunde auftreten. Diese extrem schnelle Abkühlung verbessert die Kornstruktur und verringert spröde intermetallische Verbindungen, die die Verbindungen schwächen. Tests zeigen, dass geschweißte Teile dadurch etwa 30 % duktiler sind als vergleichbare Teile, die mit herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren hergestellt wurden. Gute Ergebnisse hängen stark davon ab, sowohl die Form des Schlüssellochs als auch die Abkühlgeschwindigkeit zu kontrollieren, weshalb ein richtig eingerichtetes Laserschweißsystem einen großen Unterschied macht, ob wir am Ende gleichmäßige Körner oder problematische dendritische Strukturen erhalten, die Spannungen konzentrieren.

Warum Schweißen mit Laser Präzision und Leistung bietet

Das Laserschweißen wird so präzise, weil es das kohärente Licht auf extrem kleine Stellen fokussiert, manchmal weniger als 0,1 mm breit, und die Strahldivergenz unter 0,1 Grad hält. Dadurch entstehen Leistungsdichten von über 1 MW pro Quadratzentimeter, wodurch Werkstoffe genau an der gewünschten Stelle schnell schmelzen, während der wärmebeeinflusste Bereich sehr gering bleibt – etwa einen halben Millimeter im Vergleich zu 5 bis 15 mm bei herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren. Das Ergebnis? Die Bauteile bleiben nahezu verzugfrei, die ursprünglichen Metall eigenschaften erhalten sich, und sogar anspruchsvolle Legierungen wie Aluminium-Lithium oder Nitinol können problemlos bearbeitet werden. Moderne Systeme verfügen heute über nützliche Funktionen wie Strahloszillation und Impulsformung, die gezielt den Fluss und die Erstarrung des geschmolzenen Metalls während des Prozesses steuern. In Kombination mit Roboterarmen können Laserschweißer gleichbleibend feste Verbindungen mit beeindruckenden Geschwindigkeiten von über 100 mm pro Sekunde erzeugen, was sie 2 bis 10-mal schneller macht als TIG- oder MIG-Schweißverfahren. Diese Systeme bewältigen auch schwierige Schweißpositionen und unterschiedliche Materialkombinationen, beispielsweise das Verbinden von Kupfer mit Aluminium, wobei störende intermetallische Schichten gezielt kontrolliert werden. Hersteller aus Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Elektromobilität verzeichnen dadurch weniger Ausschuss, geringeren Nachbearbeitungsbedarf und insgesamt verbesserte Produktivitätskennzahlen.