FAQ Laserschweißen im Vakuum

Laser im Vakuum (LaVa) oder Laserschweißen im Vakuum (LaVa) ist eine Verfahrensmodifikation des Laserstrahlschweißens. Es kombiniert die Vakuumtechnik, die normalerweise beim Elektronenstrahlschweißen zum Einsatz kommt, mit der etablierten Fügetechnik des Laserstrahlschweißens. Das Verfahren wird in der Regel in einem Druckbereich von 1 – 100 hPa eingesetzt und zeichnet sich durch eine sehr hohe Schweißnahtqualität aufgrund der Vermeidung von Poren und Schweißspritzern aus. Die mit dem LaVa-Schweißen erzeugten Schweißnähte gleichen in ihrer Ausbildung Elektronenstrahlschweißnähten.

Beim Laserschweißen im Vakuum kommen in der Regel Festkörperlaser zum Einsatz. Dabei wird zwischen Singlemode-Faserlasern und Multimode-Lasern unterschieden. Für das Schweißen von Stahl, Edelstahl und Nickel reichen in der Regel schon Singlemode-Faserlaser mit einer Leistung von 500 W aus. Bei Nichteisenmetallen wie Aluminium und Kupfer werden etwas höhere Leistungen benötigt. Hier kommen in den Laser-im-Vakuum-Anlagen meist Singlemode-Faserlaser mit 1 – 2 kW zum Einsatz.

Während Elektronenstrahlanlagen im Bereich der Strahlerzeugung einen Druck von ca. 10⁻⁵ hPa oder höher benötigen, wird der Laserstrahl nicht im Vakuum erzeugt. Bei Laser im Vakuum erfolgt nach der Fokussierung in der Optik die Einkopplung des Laserstrahls in die Vakuumkammer durch ein für die Strahlung transparentes Schutzglas, das gleichzeitig als Vakuumfenster verwendet wird. In der Vakuumkammer selbst muss beim Elektronenstrahlschweißen, um Kollisionen der Elektronen mit Luftmolekülen zu vermeiden, ein Druck von 10⁻³ – 10⁻⁴ hPa vorliegen. Beim LaVa-Schweißen genügt hingegen ein Druck von 10⁰ – 10² hPa. Dadurch werden die Evakuierungszeiten reduziert (Schweißbereitschaft bei Universalkammeranlagen < 10 s, bei Taktanlagen < 1 s) und dadurch die mögliche Taktzeit verbessert.

Die Kathode, das Bauteil des Elektronenstrahlgenerators aus dem die Elektronen austreten, unterliegt einem kontinuierlichen Verschleiß. Daher muss diese in regelmäßigen Abständen gewechselt werden. Die Standzeiten der Kathode sind dabei maßgeblich abhängig von der Schweißaufgabe. Bei Tiefschweißungen an Aluminium muss ein Austausch nach ca. 4 Stunden Schweißzeit erfolgen, bei Stahlwerkstoffen mit geringen Einschweißtiefen kann hingegen eine Standzeit von bis zu 100 Stunden erreicht werden. Der Ausfall einer Kathode ist nur eingeschränkt vorhersehbar, was im schlimmsten Fall zu einem Totalausfall der Schweißmaschine führen kann. Besonders bei komplexen und kostenintensiven Einzelbauteilen kann dadurch ein signifikanter wirtschaftlicher Schaden entstehen. Beim Wechsel der Kathode können sich weiterhin Abweichungen von der Soll-Einbaulage ergeben, diese wirken sich stark negativ auf das Schweißergebnis aus. Im Laserstrahlerzeuger oder der Optik von Laser im Vakuum Anlagen hingegen befinden sich keine Verschleißteile, die sich negativ auf die Strahlqualität ausüben. Dadurch erhöht sich beim Laserschweißen im Vakuum schon mittelfristig die Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen.

Da der Elektronenstrahl aus geladenen Teilchen besteht, kann dieser durch Magnetfelder beeinflusst werden. Dadurch ergeben sich viele Möglichkeiten der gezielten Strahlmanipulation, was bspw. die sogenannte Mehrbadtechnik ermöglicht. Die Ablenkbarkeit durch Magnetfelder birgt aber auch Probleme, wenn diese nicht gezielt eingestellt werden. Wird bspw. im Verlauf der Fertigungskette eine magnetische Bauteilmanipulation eingesetzt, müssen die Bauteile vor dem Elektronenstrahlschweißen entmagnetisiert werden. Weiterhin kann beim Verschweißen einer Kombination verschiedener Materialien der sogenannte thermoelektrische Effekt auftreten. Durch diesen entstehen Magnetfelder, die den Elektronenstrahl ungewollt ablenken können. Da es sich beim Laserstrahl nicht um einen Partikelstrahl handelt, wird dieser auch nicht von Magnetfeldern beeinflusst. Die Verwendung von Magnetmanipulatoren und der Thermoelektrische Effekt stellen daher für Laser im Vakuum kein Problem dar.

Beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf metallische Bauteile entsteht Röntgenstrahlung, dabei wird etwa 1 % der Strahlleistung in Röntgenstrahlung umgewandelt. Da der Elektronenstrahlschweißprozess allerdings in einer geschlossenen Kammer erfolgt, wird die Röntgenstrahlung sicher abgeschirmt. Je nach Leistung der Schweißmaschine werden zur Abschirmung allerdings Kammerdicken von 20 – 30 mm Dicke benötigt. In höheren Leistungsklassen (ab 60 kV Beschleunigungsspannung) ist eine weitere Schutzschicht aus Blei zur Abschirmung notwendig. Der Laserstrahl hingegen emittiert keine Röntgenstrahlung. Aus diesem Grund können Kammern für das LaVa-Schweißen kosteneffizient aus Aluminium gefertigt werden.

Die Vorteile des LaVa-Schweißens gegenüber dem konventionellen Laserschweißen sind geringerer Verzug, die Vermeidung von Poren und Spritzern, der Verzicht auf Druckluft und Crossjet sowie die hundertprozentige Vermeidung von Oxidation.

Die Effekte werden durch eine im Vergleich zum Laserschweißen an Atmosphäre geringere Verdampfungstemperatur (bspw. Aluminium und Eisen um ca. 1000 K) reduziert. Daher ist es möglich mit Laser im Vakuum dasselbe Schweißergebnis mit einer um ca. 60 % reduzierten Laserleistung zu erreichen.

Es können dementsprechend Laserstrahlerzeuger mit vergleichsweise geringer Leistung in unseren LaVa-Anlagen verbaut werden. Während beim Laserschweißen an Atmosphäre Anlagen mit einer Leistung von 4 – 6 kW üblich sind, benötigen unsere Laser-im-Vakuum-Anlagen meist nur 500 W Laserleistung. Dadurch sind LaVa-Anlagen im direkten Vergleich günstiger als konventionelle Laserschweißanlagen.

Das Laserschweißen im Vakuum ermöglicht das nahezu verzugsfreie und hundertprozentig oxidationsfreie Schweißen von fast allen metallischen Werkstoffen. Gegenüber dem Lichtbogenschweißen kann die Energieeinbringung mit Laser im Vakuum um etwa 90 % reduziert werden. Dabei wird die Produktivität durch signifikant höhere Schweißgeschwindigkeiten, wie beim Laserschweißen üblich, gesteigert.

Beim konventionellen Laserschweißen wird im Allgemeinen schon von sehr geringen Verzügen gesprochen. Das Laserschweißen im Vakuum ermöglicht darüber hinaus eine um ca. 60 % reduzierte Energieeinbringung, wodurch Verzüge noch weiter minimiert werden können. Beim LaVa-Schweißen können Verzüge praktisch nicht mehr nachgewiesen werden.

Mit dem Laserschweißen im Vakuum können praktisch alle metallischen Werkstoffe verarbeitet werden. Neben dem Schweißen schwer-schweißbarer Legierungen können auch Mischverbindungen (Aluminium-Kupfer, Titan-Kupfer, Edelstahl-Kupfer, Stahl-Aluminium, etc.) hergestellt werden.

Das Laserschweißen im Vakuum ermöglicht praktisch verzugsfreies Schweißen. Das Vakuum verhindert im Weiteren Oxidation zu 100 %. Sonstige etwaige Prozessemissionen (so sie überhaupt auftreten) können durch angepasste Druckverhältnisse oder Absaugstrategien vermieden werden. Das LaVa-Schweißen ist demnach eine Endkonturbearbeitung und bedarf keinerlei Nacharbeit.

Das Vakuum verhindert Oxidation vollständig. Das gilt sowohl für Edelstähle als auch für Titan oder Refraktärmetalle. Obwohl beim Elektronenstrahlschweißen der Druckbereich von 10 ^-3 hPa zum Schutz vor Oxidation angepriesen wird, zeigen die Applikationen beim LaVa-Schweißen, dass auch bei Drücken zwischen 1 – 100 hPa keinerlei Oxidation entsteht. Höhere Druckbereiche haben im Gegenteil noch den Vorteil, dass Bauteilbedampfungen, wie sie beim Elektronenstrahlschweißen auftreten, nicht auftreten. Durch das höhere Druckniveau ist die Partikelkonzentration deutlich höher, was eine gerichtete Strömung ermöglicht. Dadurch können Prozessemissionen beim Laserschweißen im Vakuum gezielt abgeführt werden und lagern sich nicht auf der Bauteiloberfläche ab.

Mit dem Laserschweißen im Vakuum werden generell sehr feinschuppige Schweißnähte erzeugt. Werden darüber hinaus noch bessere Oberflächenqualitäten gefordert, lässt sich durch eine angepasste Strahlpendelung oder defokussierte Überschweißung metallische blanke Schweißnähte ohne Schuppung erzeugen. Die Laser-im-Vakuum-Schweißnaht kann dann allenfalls durch eine leichte Überhöhung ausgemacht werden.

Das Laserschweißen im Vakuum arbeitet mit Druckbereichen zwischen 1 – 100 hPa. Im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen wird damit ein um den Faktor 1.000 bis 100.000 höherer Druck erzeugt. Die Laser-im-Vakuum-Schweißergebnisse sind aber fast identisch zu denen des Elektronenstrahlschweißens. Dadurch ergibt sich der Vorteil der deutlich reduzierten Evakuierungszeiten, Schweißbereitschaft wird bei Universalkammeranlagen in < 10 s, bei Taktanlagen in < 1 s erreicht.

Beim Laserschweißen im Vakuum sind wie beim konventionellen Laserschweißen zwei Modi des Schweißprozesses üblich, die abhängig von der Intensität erreicht werden. Bei vergleichsweise geringen Intensitäten spricht man vom sogenannten Wärmeleitungsschweißen, dass sich durch eine sehr hohe Prozessstabilität, aber eine geringe Einschweißtiefe auszeichnet. Beim Wärmeleitungsschweißen wird ein Großteil der Strahlleistung reflektiert. Wird die sogenannte kritische Intensität überschritten verdampft das zu bearbeitende Material spontan, wodurch sich ein Dampfkanal (Kapillare oder Keyhole) in die Tiefe des Materials ausbildet. Durch Mehrfachreflexionen im Keyhole werden (bei Stahl) bis zu 99 % der Strahlleistung absorbiert, was zu einer deutlich höheren Einschweißtiefe führt. (siehe auch Technologie)

Einsatz findet das Laserschweißen im Vakuum überall da, wo höchste Ansprüche an die Qualität und das Aussehen der Schweißnähte gestellt werden. Übliche Applikationen für Laser im Vakuum kommen bspw. aus der Sensorindustrie, da innerhalb der Sensorgehäuse oft empfindliche Elektronik verbaut ist, die durch den Schweißprozess nicht beschädigt werden darf. Vorteile ergeben sich im Weiteren durch die praktisch nicht vorhandene Verzüge sowie Oxidationen und Bauteilbedampfungen. Besonders die letzten beiden Aspekte prädestinieren das LaVa-Schweißen auch für Anwendungen in der Medizintechnik.

Die Kammergröße unserer Laser-im-Vakuum-Anlagen wird immer bedarfsabhängig an den Kundenwunsch angepasst. Bei kleinen Bauteilen wird entsprechend eine kleine Vakuumkammer gefertigt, was sich positiv auf die Evakuierungsdauer auswirkt. Bei großen Bauteilen oder Serien verschiedener Bauteile werden in der Regel Universalkammeranlagen mit einer verhältnismäßig großen Vakuumkammer verwendet.

Bei Dickblechanwendungen hingegen kommt das Laserschweißen mit mobilem Vakuum zum Einsatz. Hier wird das Vakuum nur lokal um die Schweißstelle herum erzeugt und die Vakuumkammer mit dem Schweißprozess bewegt.