Schweißen mit Laser

Da immer mehr Originalgerätehersteller (OEMs) und Lohnfertiger mit der Idee des Laserschweißens „aufwärmen“, haben viele ihre Aufmerksamkeit auf vier spezifische Technologien gerichtet:

Immer mehr Lohnfertiger wagen den Schritt und erwerben Laserschweißsysteme – im Allgemeinen, wenn geeignete Anwendungen auf den Markt kommen oder wenn sie das MIG- und WIG-Schweißen ersetzen möchten.

„Heutzutage stürzen sich die Leute wirklich mit dem Kopf voran in den Laser“, sagte Wes Wheeler, Vertriebsleiter von Alpha Laser, Meadville, Pennsylvania. „Laserschweißen wurde traditionell durch Reparaturprozesse wie Werkzeugreparaturen und hochwertige Reparaturen vorangetrieben. Da Laser immer effizienter werden, beginnen die Menschen, sie zum Produktionsschweißen einzusetzen.“

Aber bei all der Auswahl auf dem Markt kann es möglicherweise „heute verwirrender sein als vor drei Jahren“, sagte Tracey Ryba, leitende Produktmanagerin für Hochleistungs-OEM-Laser bei Trumpf Inc., Farmington, Connecticut. Das heißt: Er verwies auf eine Reihe von OEM-Projekten, die sich in der Entwicklung befinden und auf den Start vorbereitet werden – ein Beweis für die Fortschritte, die die Laserschweißtechnologie macht. „Ich denke, wir fangen gerade erst an, an der Oberfläche des Potenzials zu kratzen.“

Ein großer Vorteil des Laserschweißens besteht darin, dass Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen und Endbearbeiten entfallen können.

Letztendlich zahlt es sich laut Dan Belz, FLW-Produktmanager bei Amada America Inc., Buena Park, Kalifornien, aus, Geduld beim Studieren der Optionen und beim Erlernen ihrer Möglichkeiten zu haben. „Wenn man sich die Zeit nimmt, zu verstehen, was es tut und was Es kann, es ist phänomenal. Es gibt einige Teile, die man betrachten kann, ohne sicher zu sein, ob sie geformt oder geschweißt wurden.“

Durch die Adaption der Bibliothek vorprogrammierter Routinen seiner ENSIS-Laserschneidsysteme setzt Amada America diese Technologie nun zum Schweißen ein.

In den letzten sechs Jahren hat ein Team aus drei Technikern, darunter Belz, das Blechschweißsystem des Unternehmens perfektioniert, das sich ideal zum Verbinden von Dicken von bis zu ¼ Zoll (6,35 mm) eignet. Die Plattform ist in zwei 3-kW-Optionen erhältlich: M3, mit 15' (4,57 m) Tisch und M5 mit zwei 18' (5,49 m) Wechseltischen.

Bei diesen Systemen bietet die ENSIS-Technologie von Amada den Benutzern fünf grundlegende Schweißbedingungen, die den Strahl von einer ultradünnen Form für dickeren Stahl und tiefes Eindringen in eine flachere Donutform zur Überbrückung größerer Lücken anpassen. Durch die flachere Form wird auch das Wackelschweißen erleichtert.

„Wir haben eine ganze Reihe von Kunden, die bis zu ¼" Stahl schweißen“, bemerkte Belz. „Das ist direkt im Steuerhaus der Einheit – und mit unserer Technologie sind 3.000 W Leistung mehr als genug. Wir sind auf Bleche eingestellt.“ , sogar bis zu einer Dicke von 0,020" [0,51 mm], und kann bei Bedarf auch Fülldraht auftragen.“

Die Plattform von Amada zeichnet sich auch durch die Verbindung unterschiedlicher Materialien aus: Kupfer mit Edelstahl, Kupfer mit Weichstahl, Kupfer mit Inconel und Inconel mit Edelstahl. Für ein Spezialprojekt perfektionierten Belz und sein Team auch Verbindungen mit einer Zuführung aus Titandraht.

„Wir experimentieren immer noch, obwohl wir nicht mehr so ​​viel Gelegenheit zum Experimentieren bekommen wie früher, weil wir viele Projekte bekommen – Kunden schicken uns Teile und bitten uns, sie zu schweißen und ihnen beizubringen, wie man das macht.“ Laserschweißen.“ Aufgrund der hohen Auslastung, so fügte er hinzu, musste Amada seine Versuche, Aluminium mit Edelstahl zu verschweißen, vorübergehend einstellen.

Um Porosität zu verhindern, bietet Amada zwei Arten von Düsen an, sowohl mit Primär- als auch mit Sekundärströmung, sodass sich das Schutzgas immer in der Nähe des Laserstrahls befindet. „Wenn das Material abkühlt, ist es immer noch vom Gas bedeckt, sodass die Porosität beseitigt wird“, erklärte Belz.

Darüber hinaus „ist die Wärmeeinflusszone aufgrund der von uns verwendeten Wellenlänge und der Geschwindigkeit nahezu nicht vorhanden“, fügte er hinzu. „Die meisten unserer Teile können direkt nach dem Schweißen ohne Handschuhe gehandhabt werden.“

Mittlerweile stellt Trumpf seinen OEM-Kunden über seine BrightLine Professional-Software rund 40 Rezepte für seine Beam-in-Beam-Technologie zur Verfügung. „Das gibt ihnen einen Ausgangspunkt für die gängigsten Materialien“, bemerkte Ryba. „Von dort aus können Kunden eine Bibliothek aufbauen und experimentieren, welche Variationen besser funktionieren.“ Die Software umfasst Einstellungen für mehrere Materialien, Dicken und Schweißarten.

Ein relativ neues Konzept, das immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Reihe der Strahl-in-Strahl-Laserbearbeitungssysteme. Trumpf, ein Pionier der Technologie, bietet zwei solcher Lösungen an: BrightLine Weld aus seiner Lasertechniksparte und FusionLine aus seinem Werkzeugmaschinengeschäft. Die Ringtechnologie und die Einzelfaser stehen für den Einsatz auf der vor rund drei Jahren eingeführten TruLaser Weld 5000 zur Verfügung.

Ryba stellte fest, dass durch die gleichzeitige Verwendung des inneren Kerns und des äußeren Ringstrahls Spritzer erheblich reduziert werden. Dies erhöht die Langlebigkeit der Werkzeuge und Vorrichtungen und reduziert die Notwendigkeit der Reinigung der Schutzabdeckungsschlitten – was eine längere Betriebszeit bedeutet. Noch wichtiger ist, dass die Schweißgeschwindigkeit und -qualität erhöht wird, insbesondere bei Aluminium und Kupfer.

Bei Kupfer wirkt der Außenring wie ein Vorheizeffekt und ermöglicht so eine bessere Ankopplung des Kernstrahls. Dies sorgt für einen stabilen Schweißprozess, insbesondere bei langsameren Geschwindigkeiten, was tief eindringende Schweißnähte und eine Spritzerreduzierung von 70–85 Prozent ermöglicht. Durch das Vorwärmen des Kupfers vor dem Schweißen sei BrightLine etwa zehnmal schneller als ein Einzelpunktstrahl, sagte er. Mit Aluminium lassen sich Spritzer deutlich reduzieren – und die Geschwindigkeit erhöhen. „Ich kann die Leistung auf 5 kW steigern und die Schweißgeschwindigkeit um fast das Siebenfache auf etwa 35 Meter pro Minute steigern“, sagte Ryba. „Pressverbindungen und Stumpfschweißungen funktionieren gut, und auf Stahl kann man mit der gleichen Leistung dreimal schneller schweißen. Beim Aluminium-Kupfer-Verbund erhält man eine viel bessere Schweißqualität.“

Die Kerne von BrightLine sind in Leistungsschritten von einem Prozent einstellbar, erklärte Ryba, bis zu maximal 90 Prozent für einen Strahl und 10 Prozent für den anderen. Betreiber können auch bei 100-prozentiger Stärke von Kern zu Kern wechseln. Alle Anpassungen der Stromverteilung werden in einem Fenster in der TruControl-Software vorgenommen.

Bei den Faserlasern von Trumpf liegen die verfügbaren Innen-Außen-Kerndurchmesser bei 50–200 μm, 100–400 μm und 200–700 μm.

In der TruDisk-Version von Brightline passt ein optischer Keil die Stromverteilung zwischen den beiden Kernen mit einem Schrittmotor an. „Wir haben herausgefunden, dass 30-70 oder 60-40 tendenziell die beste Leistungsverteilung sind“, sagte Ryba.

Der Qualitätsunterschied zwischen Einzel- und Doppelstrahlen sei deutlich, fügte er hinzu.

„Bei einer herkömmlichen Einzelkern-Laserschweißung verwenden Sie einen Strahl mit flacher Oberseite oder abgerundeter Kugelform – üblich beim Überlappschweißen mit einem größeren Punkt“, erklärte Ryba. „Wenn Sie versuchen, schneller zu schweißen, wird das Schlüsselloch instabil und der austretende Metalldampf wird blockiert, sodass er sich durch das Schmelzbad drücken muss und einen Teil dieser Schmelze in Form von Spritzern ausstößt. BrightLine bietet ein halbgaußförmiges Zentrum und einen Ring um den Außenrand. Dieser Ring hält das Schlüsselloch offen und stabil. Das Doppelkern-Trägerprofil und der Schweißquerschnitt ähneln einer Holzschraubenform, wobei die Vorderseite des Außenrings als Vorwärme oder Vorschmelze fungiert, um die Kopplungseffizienz des Kerns zu verbessern, und die Rückseite das Schlüsselloch stabilisiert, um es offen zu halten. Durch die Stabilisierung des Schlüssellochs kann der Metalldampf verstopfungsfrei entweichen, wodurch Spritzer um 70 bis 97 Prozent reduziert werden. Dieser Prozess trägt auch dazu bei, Heißrisse zu verhindern, indem er den Abkühlungsprozess verlangsamt, und glättet außerdem die Schweißnaht etwas.“

„Wenn die Technologie im FusionLine-Paket von Trumpf zum Einsatz kommt, können Werkstätten dieses Donut-förmige Muster verwenden, um die ursprünglichen Teiledesigns beizubehalten“, fügte Masoud Harooni, Produktmanager für Laserschweißen, hinzu. In diesen Fällen konzentrieren Benutzer mehr Kraft auf den äußeren Kern statt auf den Schweißspalt.

Trumpf unterstütze Geschäfte außerdem mit seiner schlüsselfertigen TruLaser Weld 5000, fuhr Harooni fort. Diese Kunden „zählen darauf, dass wir ihnen helfen und Prozessparameter bereitstellen, um die Produktion anzukurbeln.“

Das System wird je nach Teilegröße und -menge in mehreren Konfigurationen angeboten, hauptsächlich für Blechanwendungen. Mit einem rotierenden Wechslertisch können Bediener Material laden und entladen, während ein anderes Werkstück geschweißt wird.

„Besonders in der Lebensmittelindustrie gibt es viele Vorteile, da der Aufwand an Nachbearbeitung, der erforderlich ist, damit Teile sichtbar sind, enorm ist“, sagte Harooni. „Die meisten unserer potenziellen oder aktuellen Kunden nutzen MIG-Schweißen und möchten auf Laser umsteigen. Sie schweißen 20 Minuten mit MIG und verbringen dann 35 bis 40 Minuten mit Schleifen. Beim Laserschweißen kann alles, was sie unserer Zelle entnehmen, berührungslos der Beschichtung oder einem anderen Prozess zugeführt werden.“

Je nach Leistung und Anwendung könne das System Geschwindigkeiten von 250 bis 300 Bildern pro Minute erreichen, fügte er hinzu. Bei dickeren Strukturteilen liegen die Vorteile in der Vorverarbeitung – beispielsweise beim Entfernen von Kanten aus dickem Blech, um Teile für das MIG-Schweißen vorzubereiten.

Für Werkstätten, die Reparaturen und Produktionsarbeiten durchführen, ist die Flexibilität des Impulsschweißens aufgrund seiner Fähigkeit, den Wärmeeintrag zu begrenzen, attraktiv. Pulsschweißen „ist ein fehlerverzeihender Prozess“, erklärte Wheeler von Alpha Laser. „Traditionell möchte ein Dauerstrichlaser eindringen; Ein gepulster Laser kann immer noch eindringen, kann aber auch verwendet werden, um fast keine Penetration zu erzielen.“ Alpha-Lasersysteme – einschließlich der ALFlak-Serie – haben eine Pulszeit von 1 bis 20 ms, wobei der normale Bereich bei 5 bis 7 ms liegt.

Laut Alpha Lasers zeichnen sich seine gepulsten Faser- und YAG-Laser dadurch aus, dass sie eine geringe Eindringtiefe und niedrige Verdünnungsraten bieten – die Mischung aus Grundmaterial und hinzugefügtem Füllstoff. In einem Beispiel, in dem ein gepulster Laser mit einem WIG-Prozess verglichen wurde, stellte Wheeler fest, dass der Laser eine Schweißnahtablagerung von 0,055 Zoll (1,40 mm) mit einer Wärmeeinflusszone von nur 0,008 Zoll (0,20 mm) unterhalb der Schweißnaht und einer Schweißnahtverdünnungszone von 0,008 Zoll (0,20 mm) erzeugte etwa 0,006 Zoll (0,15 mm). „Dies war ein Test für einen Kunden, der nicht verstand, als ich ihm erklärte, dass Laser eine geringere Wärmezufuhr haben“, erinnert er sich. „Sie fragten, was mit dem WIG-Schweißen falsch sei, und ich sagte: ‚ Lassen Sie mich erklären, was Sie mit Ihrem Basismetall machen.' ”

Um das Verständnis der Hersteller für die Vorteile des Impulsschweißens zu stärken, legt Wheeler Wert auf die Materialflexibilität. „Wir haben alles von der Kupfer- bis zur Edelstahlverbindung durchgeführt“, erklärte er. Mit einer Beryllium-Kupfer-Basis „haben wir ständig Edelstahl darauf gelegt.“ Wir haben mit allen hochwertigen Metallen, Superlegierungen wie Inconel und Stellites sowie Gusseisen gearbeitet. Die normale Welt für uns sind traditionell Werkzeugstähle. Eine der großen Anwendungen, die wir sehen, ist die Arbeit mit jeder Art von Edelstahl, insbesondere Edelstahl der 300er-Serie, der sich leicht verziehen lässt und sehr gut mit einem Laser funktioniert.“

Im Hinblick auf den Ersatz von WIG-Schweißanlagen habe ein kürzlich an die Schalt- und Steuerungsabteilung eines großen Unternehmens verkauftes Alpha-Laser-System die Ausschussquote drastisch gesenkt, von 15 auf 3 Prozent, fügte Wheeler hinzu. Diese Rate „sollte sogar noch niedriger sein, wenn wir es perfekt hinbekommen. Es wird eine Menge Mehrwert bieten, mit weniger Arbeit davor und danach – kein Vorheizen oder Nachbearbeiten – und sollte die Gesamtzykluszeit deutlich verkürzen.“ Eine weitere Anwendung in der Papierindustrie ist das Schweißen eines 30 Fuß (9,14 m) langen Bauteils mit 6.000 Rohren im Inneren. Es ist sogar die Rede davon, dass ein einzelnes gepulstes Lasersystem ein Paar Lötlinien ersetzen könnte.

Wenn der Gummi auf die Straße trifft – oder genauer gesagt, wenn der Strahl auf das Metall trifft – bauen einige Werkstätten ein beeindruckendes Laserschweiß-Repertoire auf.

Vor etwa 10 Jahren entschied sich Phoenix Laser, Meadville, Pennsylvania, für die Verwendung von Alpha Lasers aus Deutschland und gründete Alpha Laser US als nordamerikanischen Händler des Unternehmens. Von da an hat sich Phoenix von seinen Wurzeln im Werkzeug- und Formenbau auf die Durchführung von Laserauftragsschweißen und -härten ausgeweitet. Wheeler bemerkte, Meadville sei einst die Werkzeug- und Formenhauptstadt der Welt gewesen, mit etwa 300 Geschäften im Umkreis von 50 Meilen um den Hauptsitz in Phoenix. Mittlerweile verfügt Phoenix über vier Standorte, darunter in Kansas City, Cuyahoga Falls, Ohio, und Brookville, Indiana, mit mehr als 20 verteilten Laserschweißsystemen.

Die Reparatur von Werkzeugen und Gesenken mit Lasern ist „extrem präzise und mit extrem geringem Wärmeeintrag, da kein Vor- oder Nachwärmen erforderlich ist“, sagte Wheeler. „Wir können ein Teil in 10 Minuten fertig haben.“

Phoenix führte kürzlich einen Probelauf an einigen Großcontainern durch, bei dem die Nähte gepulst verschweißt wurden. Da die Wände besonders dünn waren, bestand die Sorge vor einem zu hohen Wärmeeintrag durch das WIG- oder CW-Laserschweißen. Einer der engagiertesten Anwender von Alpha Laser ist Chicago Welding and Fabrication, das kürzlich ein 300-W-Gerät gekauft hat. Chicago Welding begann vor etwa 15 Jahren mit dem Einstieg in das Laserschweißen, erinnert sich COO Gary Wealther, aber die damaligen Maschinen waren eher unzuverlässig. Das Unternehmen begann mit der Reparatur von Formen und Gesenken und erweiterte sein Repertoire um medizinisches und Produktionsschweißen.

Der anfängliche Reiz des Laserschweißens lag in der begrenzten Wärmeeinflusszone und dem Fehlen von „Kollateralschäden“, wie er anmerkte, – letztendlich in der „Möglichkeit, Dinge zu tun, die man sonst nicht tun könnte.“ Allerdings wies er darauf hin, dass einige Projekte zunächst eine Kombination aus WIG-Schweißen und Laserschweißen für empfindliche Bereiche erfordern.

Nachdem Wealther zunächst eine steile Lernkurve mit älteren Systemen erlebt hatte, bevorzuge er Unternehmen wie Alpha Laser, die „Ihnen bei allem helfen“, erinnert sich. Aufgrund der Präzisionsteile, die Chicago Welding verarbeitet, „schweißen wir unter Mikroskopen“ und verfügen sogar über einen Mikrobearbeitungsraum. Dank der Vielseitigkeit und Präzision gepulster YAG-Laser kann sein Unternehmen beispielsweise anspruchsvolle medizinische Teile aus Spezialedelstählen bearbeiten, die sich beim WIG-Schweißen verziehen würden.

Und während das Laserschweißen langsamer sei, fügte er hinzu: „Es entstehen keine Verformungen und keine Hitze.“ Wenn also Aufträge eingehen, ist es entscheidend, die richtige Lösung für die Leistungsfähigkeit des Lasers zu finden, um Kunden die schnellste, wirtschaftlichste und beste Lösung zu bieten. Und wenn der Job stimmt, erledigt sein 300-W-Alpha-Laser den Job. „Wir lieben diese Maschine absolut“, sagte er.

Belz hat eine intensive Zeit damit verbracht, die Blechschweißsysteme von Amada zu verfeinern und ihre Grenzen zu erweitern, und möchte nun kleinere Werkstätten beraten, wie sie einen für sie funktionierenden Prozess gestalten können. „Wir gingen von Anfang an davon aus, dass 99 Prozent unserer Kunden OEMs sein würden“, erinnert er sich. Es stellt sich jedoch heraus, dass „die meisten unserer Kunden Lohnwerkstätten sind, die viel schweißen“ – obwohl die nächsten Installationen auf seiner Liste für OEMs waren. „Die OEMs brauchten etwas länger, um sich daran anzupassen, aber [jetzt] sehen sie den Vorteil.“

Unter den Herstellern nennt er zwei Typen: Schweißbetriebe und Betriebe, die schweißen.

Erstere „schweißen wahrscheinlich 90 Prozent ihrer Produktpalette.“ Sie haben Schweißer, sie verstehen das Schweißen, es ist einfach, mit ihnen zusammenzuarbeiten, weil sie sehen, was wir tun – sie werden es verstehen. Wir kommen rein, installieren, schulen sie, dann werfen sie uns raus und sagen: ‚Wir rufen Sie an, wenn wir Sie brauchen.‘“

Aber für Werkstätten, die schweißen, „ist das ein Problem, weil sie keine Schweißer bekommen oder zu viel Zeit mit der Nachbearbeitung verbringen.“ Um diese Kunden mit dem Schweißen vertraut zu machen, „schauen wir uns ihre Teile und ihre CADs an und nehmen einige Modifikationen für eine engere, bessere Passform vor.“

Dieser Neugestaltungsschritt sei entscheidend für den Erfolg, fuhr Belz fort. „Wir haben viele Kunden, die lernen möchten, wie man das Laserschweißen optimiert. Andere verfügen über bestehende Produktlinien und wir schauen, welches Teil oder welche Teile die größten Probleme bereiten. Normalerweise haben sie ziemlich viele.“

Nachdem ein Schweißprozess entworfen, getestet, geprüft und installiert wurde, entfällt praktisch die gesamte Nachbearbeitung. Die Teile können „direkt in die Lackierkabine gehen: kein Schleifen der Schweißnähte mehr“. Letztendlich „möchten einige Kunden es für bestimmte Teile und nichts anderes verwenden, während andere es für alles verwenden möchten.“ Man muss es selektieren.“

Es ist erwähnenswert, dass das National Institute of Standards and Technology letztes Jahr sein dreijähriges Projekt zur Erfassung von Daten zu den grundlegendsten Aspekten des Laserschweißens bekannt gegeben hat. Diese Daten werden von Computermodellierern verwendet, um Laserschweißsimulationen zu erstellen, die den Herstellern mehr Kontrolle über den Prozess geben sollen.

Das Projekt verdeutlicht einen wichtigen Punkt: Das Laserschweißen – insbesondere im Hinblick auf die Kontrolle von Spritzern, Rissen und Porosität bei gleichzeitiger Maximierung des Durchsatzes – ist trotz großer Fortschritte in vielen Branchen ein unfertiges Projekt.

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