Faserlaser: Warum beim Schweißen von Elektroautos nicht nur Kraft, sondern auch Geschicklichkeit gefragt ist
Die erfolgreiche Bewältigung äußerst anspruchsvoller Schweißaufgaben bei Kraftfahrzeugen und Elektrofahrzeugen erfordert eine präzise Steuerung der Laserleistungsabgabe an das Werkstück.
26. Oktober 2021, Autor:Coherent
Der Einsatz von Faserlasernin der Automobilproduktion ist bereits äußerst erfolgreich; sie werden bereits in zahlreichen Schweiß- und Schneidanwendungen eingesetzt,darunterbeiKarosserie-Rohbau, Aufhängungskomponenten,Antriebsstrangkomponenten und vielem mehr. Das ist keineswegs überraschend. Im Vergleich zu den meisten bisher eingesetzten Technologien (laserbasiert und nicht laserbasiert) bieten Faserlaser zahlreiche Vorteile.
Dennoch ist die Automobilindustrie nach wie vor eine wichtige Quelle für Innovationen. Zwar werden Hochleistungs-Faserlaser bereits seit einiger Zeit erfolgreich in der Automobilproduktion eingesetzt, doch um die Entwicklung vonElektrofahrzeugen und die Gewichtsreduzierungvoranzutreiben, erfordern die derzeit komplexesten Schweißverfahren mehr als nur reine Leistung und rohe Kraft. Trotz der Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle geht es in den meisten Fällen um:
- sehr dünne Materialien oder wärmeempfindliche Materialien
- Materialien, die schwer zu schweißen sind, wie Aluminium, Kupfer und hochfester Stahl
- Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe
Umdiese anspruchsvolleren Aufgaben zu bewältigen, muss ein Laser zwei wesentliche Eigenschaften aufweisen. Erstens muss er über eine ausreichende Leistung verfügen, um den erforderlichen Produktionsdurchsatz zu gewährleisten. Bei der Bearbeitung dicker Werkstücke ist zudem eine hohe Leistung erforderlich, um eine ausreichende Materialdurchdringung zu erzielen. Zweitens muss die Verteilung der Laserleistung auf der Arbeitsfläche präzise gesteuert werden können – sowohl räumlich als auch zeitlich.
Leistungund Präzision
Coherent einen abstimmbaren Ringmodulations-Faserlaser (ARM), derLeistung und Präzision zu bieten. Um dieses Ziel zu erreichen, nutzt der ARM eine Doppelstrahl-Ausgabe – er erzeugt einen zentralen Lichtfleck, der von einem weiteren konzentrischen Laserring umgeben ist. Die Leistung des zentralen Lichtflecks und des ringförmigen Lichtflecks kann unabhängig voneinander gesteuert und sogar moduliert werden.
Coherent HighLight FL-ARM-SerieDie Gesamtleistung der Faserlaser der Coherent HighLight FL-ARM-Serie beträgt bis zu 10 kW. Diese Leistungsgröße ist mehr als ausreichend, um nahezu alle kritischen Schweißaufgaben mit hoher Effizienz auszuführen. Tatsächlich wird bei den meisten hochpräzisen und anspruchsvollsten Produkten in der Regel nicht einmal die Hälfte dieser Leistung benötigt. Daher könnenCoherent bei Bedarf die erforderliche Laserleistung präzise an die gewünschte Stelle lenken.
Das Schweißen von Kupfer ist ein Beispiel für dieses Funktionsprinzip. Einige Hersteller setzen mittlerweile auf Grünlaser zum Schweißen von Kupfer, da grüne Laserstrahlen von Kupfer besser absorbiert werden als die Infrarotstrahlung von Faserlasern. Dieser Prozess ist jedoch nur bei Raumtemperatur möglich. Sobald das Kupfer erwärmt wird, absorbiert es Infrarotstrahlung sehr gut, und sobald ein Schlüsselloch entsteht, nimmt die Absorptionsfähigkeit des Kupfers für Infrarotstrahlung noch weiter zu.Dann wird die geringere Absorption sogar zu einem Vorteil, da sie die Durchdringungskraft des Lasers erhöht und somit das Schweißen dickerer Werkstücke erleichtert.
Daher wird beim Schweißen von Kupfer mit einem ARM-Laser zunächst nur die Leistung des ringförmigen Strahls genutzt, um das Material zu erwärmen, bis es schmilzt.Anschließend erzeugt der hochleistungsfähige Kernstrahl ein Schlüsselloch. Während des Schweißvorgangs verbleibt jedoch ein Teil der Leistung im Ringstrahl, da dies das Schlüsselloch stabilisiert und somit Turbulenzen und Unregelmäßigkeiten reduziert. Dies verringert das Spritzen und sorgt für ein gleichmäßigeres Ergebnis. Wenn der Strahl das Ende der Schweißnaht erreicht, wird die Leistung des Ringstrahls vollständig abgeschaltet, während die Leistung des Kernstrahls sanft abfällt, um ein sauberes, gleichmäßiges Ende zu bilden.
Diese Fähigkeit – die Anpassung des Heizprofils an das jeweilige Material, um die Stabilität und Gleichmäßigkeit des Schlüssellochprozesses zu maximieren und die Leistung am Ende des Schweißvorgangs zu erhöhen bzw. zu verringern – bietet ähnliche Vorteile beim Schweißen anderer anspruchsvoller Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium und verzinkter Stahl. Darüber hinaus ermöglicht sie das hochpräzise Schweißen von dünnen, feinen oder wärmeempfindlichen Werkstoffen.
Überlastlogik
EinigeHersteller von „“-Faserlasern,die Coherent ähneln, weisen darauf hin, dass ihre Produkte eine 100-prozentige Leistungsübertragung auf den Kern- oder Ringlichtstrahl ermöglichen, als sei dies ein Vorteil. Dies ist jedoch nicht der Fall, denn die wahre Stärke von ARM-Lasern liegt darin, die Leistung zwischen Kern- und Ringlichtstrahl aufzuteilen und so die zugeführte Wärme auf eine Weise an die entsprechenden Bauteile zu leiten, die bessere Ergebnisse erzielt als bei einem Einzelstrahl.genau wie im zuvor beschriebenen Beispiel des Kupferschweißens. Warum sollte man sonst nicht direkt einen standardmäßigen (und zudem kostengünstigeren) Ein-Strahl-Faserlaser verwenden?
Es wurde zudem die Befürchtung geäußert, Coherent sei nicht „flexibel“ genug. Um diese Aussage zu verstehen, muss man wissen,ARM-Laser tatsächlich aus zwei oder mehr Faserlasermodulen aufgebaut sind, von denen jedes in den Kernstrahl und den Ringstrahl gekoppelt ist, um verschiedene maximale Leistungsverhältnisse bereitzustellen. (Während des Betriebs kann die Leistung jedes Moduls stufenlos zwischen 0 % und 100 % dieses Maximalwerts variieren.)
Bei der Konfiguration des Systems muss die Anzahl der Module für die Kern- und Ringfaser festgelegt werden. Daher kann ein 8-kW-ARM-Laser, der aus vier 2-kW-Modulen besteht, mit drei verschiedenen maximalen Leistungsverhältnissen zwischen Kern und Ring konfiguriert werden. Diese betragen 6 kW/2 kW, 4 W/4 kW oder 2 kW/6 kW. Da diese Gesamtwerte anschließend nicht mehr geändert werden können, gelten sie als „unflexibel“.
Die Konfiguration eines Lasers für einen bestimmten Kunden basiert jedoch auf Prozessversuchen, die lange vor dem Kauf des Lasers durchgeführt wurden. Diese Versuche legen die Leistungsstufen und Leistungsverhältnisse fest, die für die erfolgreiche Durchführung der angestrebten Arbeitsschritte in der Produktion erforderlich sind. Zudem bieten sie ein ausreichend großes Prozessfenster, um alle Änderungen zu ermöglichen, die zur Anpassung an Prozessänderungen erforderlich sind (z. B. Schwankungen zwischen verschiedenen Chargen von Rohstoffen).Darüber hinaus bieten die jeweiligen Laser in der Regel einen sehr großen Spielraum, um spätere Änderungen am Prozess selbst zu berücksichtigen. Entscheidend ist, von Anfang an die geeigneten Leistungswerte und Leistungsverhältnisse festzulegen, damit später keine wesentlichen Änderungen an der Laserleistung vorgenommen werden müssen.
Konkurrenten könnten behaupten, dass dieses Coherent kein „echter“ 8-kW-Faserlaser sei. Damit haben sie recht: Es handelt sich um einen 8-kW-ARM-Faserlaser. Das bedeutet, dass er die Laserleistung besser nutzt als jedes andere Produkt und somit bei bestimmten Aufgaben hervorragende Ergebnisse erzielt. Und selbst wenn sich Ihre Anforderungen ändern oder steigen, liefert ein solcher 8-kW-Faserlaser weiterhin hervorragende Ergebnisse.
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