Ultraschallschweißen und Laserstrahlschweißen

Fachinformationen zum Ultraschall- und Laserstrahlschweißen 

Ein wesentliches Kennzeichen aller Schweißverfahren ist, dass die hergestellten Verbindungen oder aufgebrachten Beschichtungen unlösbar sind.

Nun entwickelt sich aber auch die Schweißtechnik kontinuierlich weiter und neben bewährten Verfahren wie beispielsweise dem WIG-, dem MIG– und MAG– oder dem Elektrodenschweißen entstehen neue Techniken oder bestehende Ansätze werden optimiert.

Zu den neueren Schweißverfahren gehören beispielsweise das
Ultraschall- und das Laserstrahlschweißen.

Hier die wichtigsten Fachinfos zu diesen beiden Schweißverfahren: 

Fachinformationen zum Ultraschallschweißen

Das Ultraschallschweißen wird angewandt, um thermoplastische Kunststoffe und metallische Werkstoffe zu fügen, wobei es sich bei den metallischen Werkstoffen in erster Linie um Aluminium, Kupfer und Legierungen dieser Werkstoffe handelt. Die Wärme, die für das Fügen notwendig ist, wird durch hochfrequente mechanische Schwingungen erzielt.

Da diese Schwingungen durch eine Molekular- und Grenzflächenreibung zwischen den Werkstücken entstehen, gehört das Ultraschallschweißen in die Gruppe der Reibschweißverfahren. Zu den großen Vorteilen dieses Verfahrens gehören die hohe Wirtschaftlichkeit und die sehr kurzen Schweißzeiten. Die Ultraschallfrequenz wird durch einen Generator erzeugt, der die Netzspannung in eine hochfrequente Hochspannung umwandelt. Über ein geschirmtes Kabel erreicht die elektrische Energie dann einen Ultraschall-Wandler, der als Konverter bezeichnet wird. Der Konverter nutzt den piezoelektrischen oder den magnetostriktiven Effekt und erzeugt die mechanische Ultraschallfrequenz.

Dies wiederum führt dazu, dass mechanische Schwingungen entstehen, die über ein Amplitudentransformationsstück an die Sonotrode weitergeleitet werden. Je nach Anwendung werden dabei Sonotroden in unterschiedlichen Bauformen verwendet, meist bestehen diese aber auch Stahl, Aluminium oder Titan.

Die Form und die Masse des Amplitudentransformationsstücks wiederum wirkt sich auf die Amplitude der Schwingung und auf die Impedanzanpassung aus. Die Schwingungen werden dann unter Druck auf die Werkstücke, die verbunden werden sollen, übertragen. Dadurch erhitzen sich die Werkstücke und erweichen.

Gleichzeitig steigt der Dämpfungsfaktor an, wobei die Zunahme des Dämpfungskoeffizienten dazu führt, dass auch die innere Reibung ansteigt und damit ein beschleunigter Temperaturanstieg erfolgt. Wird Aluminium, und hier insbesondere dünne Bleche, Folien oder Drähte, per Ultraschall geschweißt, werden die Werkstücke hingegen oft nicht bis zum Schmelzpunkt erhitzt.

Stattdessen wird nur die Oxidschicht aufgebrochen und die Verbindung entsteht, indem sich die Werkstücke miteinander verzahnen.   

Fachinformationen zum Laserstrahlschweißen

Das Laserstrahlschweißen, das kurz auch als Laserschweißen bezeichnet wird, wird in erster Linie dann angewandt, wenn hohe Schweißgeschwindigkeiten, schmale und schlanke Schweißnähte sowie ein geringer thermischer Verzug gefordert sind. In aller Regel erfolgt das Laserstrahlschweißen ohne die Zugabe von Schweißzusatzstoffen.

Die Fokussierung der Laserstrahlung erfolgt durch eine Optik, wobei sich die Stoßkanten der zu verschweißenden Werkstücke unmittelbar am Fokus der Optik befinden. Ein wichtiger Schweißparameter in diesem Zusammenhang ist die Lage des Fokus im Verhältnis zur Oberfläche der Werkstücke, der auch über die Einschweißtiefe bestimmt. Beim Laserstrahlschweißen entstehen innerhalb von sehr kurzer Zeit extrem hohe Energiekonzentrationen auf minimalen Raum, was dazu führt, dass die Metalle schmelzen. Gleichzeitig kühlt die Schweißnaht in sehr kurzer Zeit wieder ab und wird dadurch sehr hart.

Beim Laserstrahlschweißen von Metallen wird zwischen dem Lasertiefschweißen und dem Wärmeleitungsschweißen unterschieden, wobei der Hauptunterschied in der eingesetzten Strahlintensität liegt. Beim Lasertiefschweißen wird mit hohen Strahlintensitäten im Fokus gearbeitet, die dazu führen, dass sich in der Schmelze eine Dampfkapillare in Strahlrichtung in der Tiefe des Werkstücks bildet.

Der Werkstoff schmilzt also auch in der Tiefe auf und dadurch kann das Schmelzvolumen vergrößert werden. Beim Wärmeleitungsschweißen hingegen wird mit geringeren Strahlintensitäten gearbeitet, die auch ausreichen, um den Werkstoff aufzuschmelzen. Eine Dampfkapillare wird dabei aber nicht erzeugt und das Schmelzbad dringt weniger tief ein. Aus diesem Grund findet das Wärmeleitungsschweißen in erster Linie bei Metallen mit geringen Materialstärken Anwendung.

Um Kunststoffe mittels Laserstrahl zu verschweißen, muss es sich um Thermoplaste handeln, denn nur Thermoplaste bilden eine Schmelze. Meist werden die Kunststoffe dann in einem Überlappungsverfahren unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Schweißpartnern gefügt. Der obere Schweißpartner wird so gewählt, dass der Laser, meist ein Diodenlaser, nahezu ungehindert durch ihn hindurchstrahlt und ihn dabei kaum erhitzt.

Der untere Schweißpartner hingegen absorbiert die Strahlung. Das bedeutet, er nimmt die Energie auf, erweicht und überträgt die entstandene Wärme auf den oberen Schweißpartner. Der Energieübergang und der Materialkontakt werden dadurch sichergestellt, dass beide Schweißpartner immer wieder zusammengepresst werden.

Die Schweißnaht entsteht dadurch, dass die beiden Stoffe ineinanderfließen.   Einer der größten Pluspunkte beim Laserschweißen liegt darin, dass ein nur geringer und konzentrierter Energieeintrag in das Werkstück erfolgt und dadurch ein nur geringer thermischer Verzug gegeben ist.

Zudem ermöglicht das Laserstrahlschweißen Arbeiten in Entfernungen von bis zu 500mm und an schwer zugänglichen Stellen in beliebiger Umgebungsatmosphäre. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass mittels Laserstrahl alle Nahtgeometrien möglich sind, Stumpf- und Kehlnähte also genauso wie Überlappungsnähte. Nur bei der Überbrückung von großen Spaltbreiten kommt das Laserstrahlschweißen an seine Grenzen. Klarer Nachteil sind die hohen Kosten für die Schweißanlagen.

Weiterführende Schweißtechniken, Anleitungen und Tipps:

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