Laserschweißen bietet produzierenden Unternehmen die Möglichkeit, Schweißprozesse präziser, schneller und zunehmend automatisiert durchzuführen. Der Wechsel von einem konventionellen Schweißverfahren zum Laser sollte jedoch nicht lediglich als Austausch der Schweißtechnik betrachtet werden. Das größte Potenzial entsteht, wenn bereits die Konstruktion der Bauteile, deren Toleranzen, die Spanntechnik und der gesamte Produktionsablauf auf das Laserschweißen abgestimmt werden.
Dieser Leitfaden gibt Unternehmen, die erstmals ein Laserschweißsystem von Vision Lasertechnik einsetzen, einen kompakten Überblick über die wichtigsten technischen und organisatorischen Aspekte.
Beim Laserschweißen wird die Energie des Laserstrahls auf eine sehr kleine Fläche konzentriert. Dadurch können metallische Werkstoffe lokal aufgeschmolzen und miteinander verbunden werden. Im Vergleich zu WIG-, MIG/MAG- und anderen konventionellen Schweißverfahren ist die Wärmeeinbringung in das Bauteil häufig erheblich geringer.
Daraus ergeben sich wesentliche Vorteile:
Gerade bei dünnwandigen oder präzisen Bauteilen kann der geringe Wärmeeintrag ein entscheidender Vorteil sein. Wo nach einem konventionellen Schweißprozess beispielsweise gerichtet, geschliffen oder nachbearbeitet werden muss, kann eine geeignete Laserschweißnaht teilweise bereits die erforderliche Endqualität erreichen.
Die Wirtschaftlichkeit sollte deshalb nicht ausschließlich anhand der Schweißgeschwindigkeit beurteilt werden. Entscheidend ist die gesamte Prozesskette – einschließlich Rüsten, Spannen, Nachbearbeiten, Prüfen und Handling.
Laserschweißen eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen Präzision, Reproduzierbarkeit und Automatisierung eine hohe Bedeutung besitzen. Typische Werkstoffe sind beispielsweise Edelstahl, Stahl, Titan sowie – mit entsprechend angepasster Laser- und Prozesstechnik – Aluminium, Kupfer und weitere metallische Werkstoffe.
Typische Anwendungen finden sich unter anderem in:
Dabei ist jedoch wichtig: Nicht jedes Bauteil, das konventionell geschweißt werden kann, eignet sich unverändert für das Laserschweißen.
Einer der häufigsten Fehler bei der Einführung besteht darin, ein ursprünglich für WIG oder MIG/MAG konstruiertes Bauteil unverändert mit einem Laser schweißen zu wollen.
Laserschweißen stellt andere Anforderungen an die Konstruktion.
Da der Laserstrahl sehr fokussiert arbeitet, ist die Überbrückung großer Fügespalte ohne Zusatzwerkstoff nur eingeschränkt möglich. Die Fügeteile sollten deshalb möglichst präzise gefertigt und positioniert werden.
Statt große Spalte durch zusätzliches Schweißmaterial auszugleichen, sollte die Konstruktion möglichst eine definierte und reproduzierbare Fügesituation gewährleisten.
Nicht nur die Einzelteiltoleranz ist relevant. Entscheidend ist die resultierende Lage der Schweißstelle nach dem Zusammenbau.
Toleranzketten sollten daher bereits während der Konstruktion betrachtet werden. Bei automatisierten Prozessen muss die tatsächliche Schweißposition innerhalb der durch Prozess, Optik, Sensorik und gegebenenfalls Bahnkorrektur beherrschbaren Abweichung liegen.
Der Laser benötigt grundsätzlich eine geeignete optische Zugänglichkeit zur Fügestelle. Konstruktionen sollten deshalb möglichst so ausgeführt werden, dass Schweißnähte ohne unnötig komplizierte Strahlführung erreichbar sind.
Bei robotergestützten Systemen können Schweißpositionen allerdings aus unterschiedlichen Winkeln angefahren werden. Dies eröffnet erheblich größere konstruktive Freiheiten als bei Anlagen mit ausschließlich linearen Achsen.
Eine reproduzierbare Positionierung der Bauteile ist Voraussetzung für einen stabilen Prozess. Eine geeignete Vorrichtung sollte die Bauteile sicher positionieren und den Fügespalt kontrollieren, ohne die Zugänglichkeit des Laserstrahls unnötig einzuschränken.
Die gute Nachricht: Da beim Laserschweißen praktisch keine mechanischen Prozesskräfte auftreten, können Spannkonzepte teilweise wesentlich einfacher ausgeführt werden als bei spanenden Fertigungsverfahren.
Eine besondere Stärke des Laserschweißens ist seine Automatisierbarkeit. Laserleistung, Pulsparameter, Bewegung, Schutzgas und weitere Prozessgrößen lassen sich reproduzierbar steuern.
Damit eignet sich das Verfahren hervorragend für automatisierte Fertigungszellen.
Mit dem RoboHAWK verfolgt Vision hierfür einen Plattformansatz. Anstatt für jede Anwendung eine vollständig neue Sonderanlage zu entwickeln, basiert das System auf einer standardisierten und modular erweiterbaren Automatisierungsplattform.
Der integrierte 6-Achs-Roboter ermöglicht die Bearbeitung komplexer dreidimensionaler Bauteilgeometrien und das Anfahren von Schweißpositionen, die mit klassischen XYZ-Systemen nur schwer erreichbar wären.
Je nach Anwendung kann die HAWK-Plattform beispielsweise um Fördertechnik, Rundtakttische, automatisierte Beschickung, Laserbeschriftung oder visuelle Qualitätskontrolle erweitert werden. Auch eine spätere Integration in verkettete Produktionsprozesse ist möglich.
Dadurch kann ein Unternehmen zunächst mit einem vergleichsweise einfachen Produktionsprozess beginnen und den Automatisierungsgrad später entsprechend steigender Stückzahlen oder neuer Anforderungen erweitern.
Gerade bei wiederkehrenden Bauteilen oder Tray-Fertigung bietet dies erhebliche Vorteile:
Nach der einmaligen Einrichtung können definierte Schweißprogramme reproduzierbar abgearbeitet werden. Die eigentliche Produktion erfordert dadurch deutlich weniger schweißtechnisches Fachwissen als ein manueller Schweißprozess.
Laserschweißen ist kein universeller Ersatz für jedes andere Schweißverfahren.
Kritisch können insbesondere sein:
Große oder stark schwankende Fügespalte
Je nach Prozessstrategie kann die Spaltüberbrückbarkeit begrenzt sein. Gegebenenfalls sind konstruktive Anpassungen, Wobble-Strategien oder Zusatzwerkstoffe erforderlich.
Stark schwankende Bauteiltoleranzen
Wenn eine Schweißnaht automatisiert abgefahren wird, muss sich die Fügestelle in einer ausreichend definierten Position befinden. Bei größeren Abweichungen können Kamerasysteme oder andere Verfahren zur Lageerkennung und Bahnkorrektur erforderlich werden.
Stark verschmutzte oder ungeeignete Oberflächen
Öle, Oxide, Beschichtungen oder andere Verunreinigungen können den Prozess beeinflussen und Poren, Spritzer oder andere Nahtfehler verursachen. Eine definierte Bauteilqualität ist deshalb insbesondere bei automatisierter Serienfertigung wichtig.
Sehr große Materialstärken
Bei großen Wandstärken können konventionelle Schweißverfahren oder hybride Verfahren wirtschaftlicher sein. Die technisch mögliche Einschweißtiefe allein ist deshalb kein ausreichendes Auswahlkriterium.
Schlecht zugängliche Schweißstellen
Der Laser benötigt einen geeigneten optischen Zugang. Auch ein 6-Achs-Roboter kann keine Fügestelle bearbeiten, wenn die Bauteilgeometrie den Strahlweg vollständig verhindert.
Eine Machbarkeitsuntersuchung mit Originalbauteilen ist deshalb vor der endgültigen Auslegung einer Anlage grundsätzlich empfehlenswert.
Die erfolgreiche Einführung beginnt nicht mit der Bestellung einer Maschine, sondern mit dem Bauteil.
Ein sinnvoller Projektablauf ist:
1. Anwendung analysieren
Werkstoff, Materialstärke, Nahtgeometrie, Stückzahl, Qualitätsanforderungen und bisheriges Verfahren werden betrachtet.
2. Schweißversuche durchführen
Mit Originalbauteilen wird geprüft, ob die gewünschte Verbindung technisch zuverlässig hergestellt werden kann.
3. Konstruktion optimieren
Fügespalt, Toleranzen, Zugänglichkeit und Bauteilgeometrie werden gegebenenfalls an den Laserprozess angepasst.
4. Spann- und Automatisierungskonzept entwickeln
Erst auf Basis eines stabilen Schweißprozesses sollte festgelegt werden, wie Bauteile aufgenommen, positioniert, geschweißt und gegebenenfalls automatisch be- und entladen werden.
5. Prozess validieren
Die entwickelten Parameter werden unter realistischen Produktionsbedingungen überprüft und dokumentiert.
6. Mitarbeiter qualifizieren und Serienfertigung starten
Bediener müssen nicht zu Laserspezialisten werden. Sie sollten jedoch Prozessgrenzen, Qualitätsmerkmale, Sicherheitseinrichtungen und die Reaktion auf Störungen verstehen.
Der größte Nutzen des Laserschweißens entsteht nicht dadurch, einen bestehenden Schweißbrenner durch einen Laser zu ersetzen.
Unternehmen sollten vielmehr Bauteil, Konstruktion, Schweißprozess und Automatisierung als Gesamtsystem betrachten.
Wer bereits bei der Konstruktion geringe Fügespalte, reproduzierbare Toleranzen und eine gute Zugänglichkeit berücksichtigt, schafft die Grundlage für einen stabilen und hoch automatisierbaren Prozess.
Moderne Laserschweißsysteme ermöglichen dadurch nicht nur höhere Schweißgeschwindigkeiten. Sie können Verzug und Nacharbeit reduzieren, die Reproduzierbarkeit verbessern und Produktionsprozesse ermöglichen, die mit manuellen Schweißverfahren wirtschaftlich kaum realisierbar wären.
Mit Systemen wie T-Base und Ergo stehen Lösungen für klassische manuelle und teilautomatisierte Laserschweißaufgaben zur Verfügung. Für eine konsequent automatisierte Produktion bietet der RoboHAWK auf Basis der modularen HAWK-Plattform zusätzliche Möglichkeiten – vom automatisierten Traybetrieb bis hin zur Einbindung von Fördertechnik, Roboterbeschickung und Qualitätskontrolle.
Unsere Empfehlung:
Beziehen Sie das Laserschweißen möglichst frühzeitig in die Produkt- und Prozessentwicklung ein. Bereits kleine konstruktive Änderungen können darüber entscheiden, ob ein Bauteil lediglich mit dem Laser geschweißt werden kann – oder ob daraus ein wirklich stabiler, schneller und wirtschaftlich automatisierbarer Fertigungsprozess entsteht.
