Fachbeitrag von Frau Dr. Jerems
Schweißen Sie noch mit dem Elektronenstrahl oder schon mit dem Laser?
Das weltweit erste und einzige Hochvakuum-Laserschweißgerät von KTW Systems
Für besonders sensitive Anwendungen muss der Schweißprozess im Hochvakuum stattfinden. Gründe dafür sind die Einlagerung von Fremdpartikeln und reaktiven Gasen, was zu Versprödungen in der Schweißnaht führen kann. In solchen Fällen ist das Elektronenschweißen das Verfahren der Wahl – allerdings sehr aufwendig und kostspielig im Einsatz. Mit dem Vakuum-Laser-System des Start-Up-Unternehmens KTW Systems GmbH aus dem rheinland-pfälzischen Wehr können diese Nähte zukünftig auch mit dem Laser verschweißt werden. Unabhängig vom Lasertyp, zu deutlich reduzierten Kosten und mit gleichwertigen Schweißergebnissen.
Entkopplung von Laser und Vakuum
Kernidee dieses patentierten Laserschweißsystems ist die Entkopplung von Vakuumkammer und Laserstrahlquelle. Die zu verschweißenden Bauteile werden in der Vakuumkammer positioniert und der Raum wird in rund zehn Minuten bis auf 5*10-5 mbar abgepumpt – das entspricht einem Hochvakuum. Der Laserstrahl wird durch eine Quarz- oder Saphirglasscheibe auf den Schweißpunkt fokussiert. Hierbei ist die Wahl der Laserstrahlquelle völlig frei. Für die maximal sechs Laserköpfe kann eine individuelle Anzahl an Öffnungen angebracht werden, durch die der Laserstrahl in die Vakuumkammer eindringen kann. Hinzu kommt eine frei wählbare Anzahl an Öffnungen zum Beobachten des Schweißprozesses.
Die Vakuumkammer
Herzstück der Vakuumkammer ist die Spannvorrichtung, die das oder die Bauteile aufnimmt. Die Spanntechnik ist so ausgelegt, dass sie keine Hohlkammern hat, in denen sich Lufteinschlüsse befinden können. Sie sind rein mechanisch, um keine weiteren Zuführungen nach außen zu haben, die abgedichtet werden müssten.
In der Größe ist die Vakuumkammer annähernd frei skalierbar und kann den jeweiligen Applikationen angepasst werden – so klein wie möglich und so groß wie nötig. Denn eine Optimierung des Volumens der Vakuumkammer reduziert die Pumpzeit und erhöht die Produktivität.
Die Laserschweißnaht
Eine im Hochvakuum erzeugte Laserschweißnaht hat das gleiche Aussehen wie eine Elektronenschweißnaht: Sie zeichnet sich durch ein extremes Höhe-zu Breite-Verhältnis aus. Im luftleeren Raum gibt es keine Partikel, die den Laserstrahl ablenken könnten. Die Brennweite der Optik ist konstant, die Fokussierung auf den Schweißpunkt erfolgt mittels einer Relativbewegung des Bauteils zum Fokuspunkt.
Dieser Vorteil zeigt sich insbesondere beim Verschweißen gassensitiver Materialien wie Titan, Zirkonium, Molybdän, Tantal, Wolfram, Vanadium, Nickel oder Niob. Ohne die Umgebungsluft ist auch eine Schutzgasatmosphäre obsolet. Die erzeugten Schweißnähte weisen keine Porositäten auf.
Vorteile gegenüber dem Elektronenstrahlschweißen
Neben den deutlich geringeren Investitionskosten einer Laserstrahlquelle gegenüber einer Elektronenstrahlquelle weist das Hochvakuum-Laserschweißen noch weitere Prozessvorteile gegenüber dem Elektronenstrahlschweißen auf. Da es sich beim Elektronenstrahl um hoch beschleunigte elektrische Ladungsträger handelt, kann es beim Zusammenprall mit dem zu verschweißenden Material zu Röntgenstrahlung kommen, die aufwendig abgeschirmt werden muss. Eine unmittelbare Beobachtung des Schweißprozesses ist damit nicht möglich. Weiterhin sind die elektrischen Ladungsträger durch Magnetfelder empfindlich beeinflussbar. Herrscht auch nur ein geringer Stromfluss, kann dieser den Schweißprozess schon negativ beeinflussen und zu Ausschuss in der Fertigung führen.
Der Laserstrahl dagegen transportiert seine Energie in Form von Licht. Es entstehen weder Röntgenstrahlen noch gibt es Ablenkungserscheinungen durch magnetische und/oder elektrische Felder. Theoretisch könnten beim Laser-Hochvakuumschweißen sogar stromführende Bauteile mit statistisch wechselndem Stromfluss sicher verschweißt werden.
Die Einsatzgebiete
Das Laser-Hochvakuumschweißen deckt die gleichen Einsatzgebiete wie das Elektronenstrahlschweißen ab – und darüber hinaus. Die Materialdicken betragen bis zu 20 mm – unabhängig vom zu verschweißenden Material und den Materialpaarungen. Typische Anwendungen finden sich im Bereich Automotiv und Eisenbahnbau ebenso wie in der Luft- und Raumfahrt, der Elektronikindustrie oder der Medizintechnik, in innovativen Branchen wie der Windenergie oder bei sensitiven Anwendungen in der Verteidigung, in der Petrochemie oder im Kraftwerksbau.
Autor: Dr. Jerems, chilirot
