Faserlaser: Warum wir beim Schweißen im Bereich der E-Mobilität auf Finesse statt auf rohe Kraft setzen
Um selbst die anspruchsvollsten Schweißaufgaben in der Automobil- und E-Mobilitätsbranche erfolgreich zu bewältigen, ist eine präzise Steuerung der Laserleistungsabgabe an das Werkstück erforderlich.
26. Oktober 2021 von Coherent
Der Einsatz vonFaserlasernin der Automobilproduktion ist eine große Erfolgsgeschichte – sie werden mittlerweile für zahlreiche Schweiß- und Schneidanwendungen genutzt, darunterRohkarosserien, Anbauteile,Antriebsstrangkomponenten und vieles mehr. Das ist keine Überraschung. Faserlaser bieten gegenüber den meisten bisher eingesetzten Technologien – sowohl Laser- als auch Nicht-Laser-Technologien – zahlreiche Vorteile.
Die Automobilindustrie ist jedoch nach wie vor eine wichtige Quelle für Innovationen. Während Hochleistungsfaserlaser bereits seit einiger Zeit erfolgreich in der Automobilproduktion eingesetzt werden, erfordern die anspruchsvollsten Schweißverfahren, die nun zur Unterstützungder E-Mobilitätund des Leichtbaus zum Einsatz kommen, mehr als nur rohe Leistung und blinde Kraft. Auch wenn es tatsächlich eine ganze Reihe unterschiedlicher Einzelanwendungen gibt, umfassen die meisten davon in der Regel:
- Sehr dünnes oder hitzeempfindliches Material
- „Schwer“ zu schweißende Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer und hochfester Stahl
- Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe
TUm diese anspruchsvolleren Aufgaben zu bewältigen, muss ein Laser zwei wesentliche Eigenschaften aufweisen. Die erste ist eine ausreichende Leistung, um die erforderlichen Produktionsdurchsätze zu gewährleisten. Eine hohe Leistung ist zudem erforderlich, um bei dickeren Werkstücken eine ausreichende Materialdurchdringung zu erzielen. Die zweite ist die Fähigkeit, die Verteilung der Laserleistung auf der Werkstückoberfläche präzise zu steuern – sowohl räumlich als auch zeitlich.
Leistung mitPräzision
Coherent den Faserlaser mit einstellbarem Ringmodus (ARM) speziell , um sowohl Leistung als auch Präzision zu liefern. Um dies zu erreichen, nutzt der ARM eine Doppelstrahlausgabe – er erzeugt einen zentralen Spot, der von einem weiteren konzentrischen Ring aus Laserlicht umgeben ist. Die Leistung sowohl im zentralen Spot als auch im Ring kann unabhängig voneinander gesteuert und sogar moduliert werden.
Coherent HighLight FL-ARM-Serie Faserlaser sind mit einer Gesamtleistung von bis zu 10 kW erhältlich. Dies ist mehr als ausreichend, um praktisch alle kritischen Fügeaufgaben mit nutzbaren Durchsatzraten durchzuführen. Tatsächlich benötigen die meisten der heikelsten und anspruchsvollsten Anwendungen in der Regel weniger als die Hälfte dieser Leistung. Coherent bieten somit die Möglichkeit, genau dann und genau dort, wo es benötigt wird, ausreichend Laserleistung bereitzustellen.
Ein Beispiel dafür, wie dies funktioniert, ist das Schweißen von Kupfer. Einige Hersteller setzen beim Schweißen von Kupfer auf grüne Laser, da diese Lichtfarbe von Kupfer besser absorbiert wird als die Infrarotstrahlung eines Faserlasers. Dies gilt jedoch nur bei Raumtemperatur. Sobald sich das Kupfer erwärmt, absorbiert es Infrarotlicht gut, und sobald sich ein Schlüsselloch gebildet hat, wird die Absorption sogar noch besser. Und dann wird die geringere Absorption zu einem Vorteil, da sie ein tieferes Eindringen des Laserlichts ermöglicht, wodurch sich dickere Werkstücke leichter schweißen lassen.
Das Schweißverfahren für Kupfer mit einem ARM-Laser beginnt also damit, dass zunächst nur der Ringstrahl mit Energie versorgt wird, um das Material so lange zu erhitzen, bis es schmilzt. Anschließend wird ein leistungsstarker Zentralstrahl zugeschaltet, um das Schlüsselloch zu erzeugen. Während des Schweißvorgangs bleibt jedoch ein Teil der Leistung im Ringstrahl erhalten, da dies das Schlüsselloch stabilisiert und es weniger turbulent und chaotisch macht. Dies reduziert Spritzer und sorgt für gleichmäßigere Ergebnisse. Wenn der Strahl das Ende der Schweißnaht erreicht, wird die Ringleistung vollständig abgeschaltet und die Kernleistung sanft heruntergeregelt, um ein sauberes, gleichmäßiges Ende zu erzielen.
Genau diese Fähigkeit – das Heizprofil an das Material anzupassen, um die Stabilität und Gleichmäßigkeit des Schlüssellochschweißnahts zu maximieren und die Leistung am Ende des Schweißvorgangs hoch- und herunterzufahren – bietet ähnliche Vorteile beim Schweißen anderer schwieriger Werkstoffe wie Aluminium und verzinktem Stahl. Zudem ermöglicht sie das hochpräzise Schweißen dünner, empfindlicher oder wärmeempfindlicher Werkstoffe.
Überwältigende Logik
Einige Hersteller vonFaserlasern vom Typ, die dem Coherent ähneln, haben besonders hervorgehoben, dass ihre Produkte es ermöglichen, 100 % der Gesamtleistung in den Kern- oder Ringstrahl zu lenken, als wäre dies ein Vorteil. Das ist es jedoch nicht – denn das Besondere am ARM-Laser besteht gerade darin, dass die Aufteilung der Leistung auf Kern- und Ringstrahl die Wärmezufuhr in das Werkstück so verteilt, dass bessere Ergebnisse erzielt werden als mit einem Einzelstrahl – genau wie im zuvor beschriebenen Beispiel des Kupferschweißens. Warum sollte man sonst nicht gleich einen handelsüblichen (und kostengünstigeren) Faserstrahl-Einzelstrahl-Laser verwenden?
Zudem wurde die Befürchtung geäußert, die Coherent sei nicht „flexibel“. Um diese Behauptung zu verstehen, muss man wissen, dass ARM-Laser tatsächlich aus zwei oder mehr Faserlasermodulen bestehen, von denen jedes entweder in den Kern oder in den Ring gekoppelt wird, um verschiedene maximale Leistungsverhältnisse zu erzielen. (Im Betrieb lässt sich die Leistung jedes Moduls dann stufenlos von 0 % bis 100 % dieses Maximums variieren.)
Die Anzahl der Module, die in die Kern- und Ringfasern eingespeist werden, wird bei der Herstellung des Systems festgelegt. So kann ein 8-kW-ARM-Laser, der aus vier 2-kW-Modulen aufgebaut ist, mit drei verschiedenen maximalen Leistungsverhältnissen zwischen Kern- und Ringfaser konfiguriert werden. Diese betragen 6 kW/2 kW, 4 W/4 kW oder 2 kW/6 kW. Und diese Gesamtwerte können nachträglich nicht mehr geändert werden, daher die vermeintliche „Inflexibilität“.
Die für den Laser eines bestimmten Kunden verwendete Konfiguration basiert jedoch auf Prozessversuchen, die lange vor dem Kauf des Lasers durchgeführt wurden. Diese legen die Leistungsstufen und Leistungsverhältnisse fest, die für die erfolgreiche Durchführung des angestrebten Arbeitsgangs in der Produktion erforderlich sind. Zudem bieten sie ein ausreichend großes Prozessfenster, um alle Änderungen zu ermöglichen, die zur Anpassung an Prozessschwankungen (beispielsweise chargenbedingte Abweichungen bei den Rohstoffen) notwendig sind. Darüber hinaus lässt ein bestimmter Laser in der Regel einen sehr großen Spielraum für spätere Änderungen am Prozess selbst. Unterm Strich bedeutet dies: Durch die Festlegung der richtigen Leistung und des richtigen Leistungsverhältnisses zu Beginn entfällt die Notwendigkeit, Laserleistung größere Änderungen an Laserleistung vornehmen zu müssen.
Die Konkurrenz mag behaupten, dass das Coherent kein „echter“ 8-kW-Faserlaser sei. Und sie haben Recht – es ist ein 8ARM fiber laser. Das bedeutet, dass er besser als jedes andere Gerät in der Lage ist, die Laserleistung genau so einzusetzen, wie es für eine bestimmte Aufgabe die besten Ergebnisse liefert. Und derselbe 8-kW-Faserlaser wird auch dann weiterhin bessere Ergebnisse liefern, wenn sich Ihre Anforderungen ändern oder weiterentwickeln.
Entdecken Sie die Coherent FL ARM-Serie
Verwandte Ressourcen
