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Das Laserschweißen ist eine relativ junge Fügetechnologie. Trotzdem hat es sich in vielen Anwendungsbereichen durchgesetzt. Am Beispiel der Fertigung von Kfz-Rückleuchten ist dies gut erklärbar. Die bisherigen Fügeverfahren konnten bei großen Kunststoffteilen die Anforderungen an mehr Design-Flexibilität, an eine bessere Qualität der sichtbaren Nähte und an eine höhere Wirtschaftlichkeit nicht zufriedenstellend erfüllen. Mit der Serienqualifizierung bei mehreren deutschen Autoherstellern hat das Laserschweißen jetzt in diesem Segment den Durchbruch erreicht. So konnte das Verfahren bei der Maßhaltigkeit, der Inline-Prozesskontrolle und einer guten Wirtschaftlichkeit bei der Gesamtkostenbetrachtung überzeugen.

Beim Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffen werden ein lasertransparenter und ein laserabsorbierender Werkstoff miteinander verbunden. Die Laserstrahlung dringt mit geringer Abschwächung durch den oberen Fügepartner in die Fügezone und wird dort vom unteren Fügepartner an der Oberfläche absorbiert.

Ähnliche Naht-Festigkeiten

Der untere Teil der Schweißnaht wird bis zum Aufschmelzen erwärmt. Durch Wärmeübertragung übernimmt der obere Fügepartner die Energie und erwärmt sich so weit, dass die Molekülkette im Berührungsbereich diffundieren können. So entsteht eine stoffschlüssige Verbindung. Die Festigkeiten dieser Naht sind denen im vollen Material ähnlich und erreichen somit nahezu Schweißfaktor 1. Je nach Anwendung und Geometrie sowie Beschaffenheit der zu fügenden Bauteile kommen unterschiedliche Varianten des Laserstrahl-Kunststoffschweißens zum Einsatz. Sie werden nach der Art der Energieeinbringung in Kontur-, Simultan-, Quasisimultan- und Hybridschweißen untergliedert.

Beim Konturschweißen werden die Thermoplaste entlang einer frei programmierbaren Kontur lokal aufgeschmolzen und dort miteinander verschweißt. Das Verfahren ist sehr flexibel und eignet sich besonders für dreidimensionale Schweißnähte sowie für rotationssymmetrische und sehr große Bauteile. Beim Twinweld-Hybridschweiß-Verfahren von LPKF Laser & Electronics, Erlangen, wird die Energieeinbringung durch den Laser mit einer zweiten polychromatischen Lichtquelle kombiniert. Daraus ergibt sich ein Gesamtstrahlprofil, das nach außen hin stark abfällt und in der Mitte durch den Laser einen Intensitätspeak aufweist. Passiert ein solches System jetzt einen Punkt auf der Schweißlinie, so wird hier das Material erst langsam aufgeheizt, vom Laser in Schmelze gebracht und kühlt danach durch den weiteren Einfluss der Halogenstrahler langsam wieder ab. Spannungen im Material werden so vermieden. Dieses spezielle Verfahren eignet sich vor allem für Bauteile, bei denen die Schweißnaht direkt sichtbar ist.

Beiden Verfahren gemeinsam ist, dass die gesamte Schweißkontur geschmolzen wird. Beim Simultanschweißen wird dies durch aufwendige Installationen mehrerer Laseremitter entlang der Schweißkontur realisiert. Diese Technologie eignet sich aufgrund der hohen konstruktiven Anforderungen nur für Bauteile mit extrem hohen Stückzahlen.

Beim Quasisimultanschweißen wird der fokussierte Laserstrahl durch Laserscanner mit hoher Geschwindigkeit über die Schweißkontur geführt. Der Laserstrahl fährt diese Kontur mehrmals hintereinander ab, bis die gesamte Schweißkontur gleichzeitig geschmolzen ist.

Quasisimultanschweißen eignet sich bei kleinen Bauteilen (Begrenzung auf den Arbeitsbereich des Laserscanners) und beliebigen Stückzahlen. Eine sichere Prozessüberwachung wird durch eine integrierte Fügewegüberwachung realisiert.

Von Mikro bis ganz groß

Die Anwendungsbereiche des Laserschweißens haben sich in wenigen Jahren stark erweitert. In der Automobilindustrie wird das Verfahren seit 1998 eingesetzt. Aktuell gewinnen große Bauteile wie Rückleuchten, Panoramadächer, Frontscheinwerfer sowie großflächig lackierte externe Bauteile aus Kunststoff an Bedeutung. Bei Produkten für die Medizintechnik spielen die absolute Sauberkeit und die sichere Schweißung die entscheidende Rolle – eine besondere Stärke des Laserschweißens.

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Über den Autor

Frank Brunnecker leitet die Business-Unit Laser Welding bei der LPKF Laser & Electronics in Erlangen. frank.brunnecker@lpkf.com