Laserschweissen in der Blechverarbeitung

Nachbearbeitung erübrigt sich in vielen Fällen

Ein guter WIG-Schweisser benötigt für diese Blechhaube 45 Minuten und nochmals zehn Minuten für die Nachbearbeitung. Beim Laserschweissen braucht es für das gleiche Bauteil zwei Minuten, die Nachbearbeitung entfällt komplett. Bilder: Trumpf
Selbst Ecken und Kanten lassen sich mit dem Laser gut fügen. Mit konstruktiven Anpassungen werden dabei sehr gute Ergebnisse erzielt, wie am oberen der vier Klemmenkästen zu sehen ist.
Der Stundensatz beim automatisierten Laserschweissen ist rund zweieinhalb mal höher als beim WIG-Handschweissplatz. Allerdings ist der Schweissroboter zwanzig mal schneller als Kollege Mensch und liefert erst noch so gute Ergebnisse, dass es in vielen Fällen keiner Nachbearbeitung der Bauteile bedarf. Grafik: Pia Zimmermann
Markus Back / Chefredaktor Smart Tech /

Geringer Verzug und hohe optische Güte sind Anforderungen an geschweisstes Blech. Doch genau diese Ansprüche treiben die Stückkosten in die Höhe, da das Richten und Polieren ein Vielfaches der Zeit fürs Schneiden und Biegen in Anspruch nehmen. Eine kostengünstige Alternative ist das automatisierte Laserschweissen.

Die Bedürfnisse an geschweisstes Blech sind verschieden. Während beispielsweise die Medizintechnik geringen Verzug bei hoher optischer Güte fordert, verlangt der Anlagenbau geringe Toleranzen bei hoher Festigkeit und die Lebensmittelindustrie wiederum dichte und optisch schöne Nähte. Allen drei Branchen gemein ist der hohe Aufwand für die Nachbearbeitung der Bauteile.

Lassen sich Qualität und Teilekosten beim Laserschneiden oder Stanzen des Blechs noch sehr gut beherrschen, mutieren sie allerspätestens nach dessen Schweissen zu einer schwer kalkulierbaren Konstante. Sauber und exakt geschnittene Bauteile sind plötzlich verzogen und spiegeln sämtliche Anlauffarben, unschöne und dicke Nähte schmälern den Gesamteindruck zusätzlich. Also braucht es für das anschliessende Richten und Polieren mindestens noch einmal so viel Zeit wie zuvor fürs Schweissen. Und genau bei dieser Nachbearbeitung lassen sich mit dem richtigen Fügeverfahren, wie dem automatisierten Laserschweissen, sehr viel Zeit und Geld einsparen.

Vorteile des Laserschweissens

Wann aber ist das automatisierte Laserschweissen das richtige Fügeverfahren? Dies ist dann der Fall, wenn Bauteile über einen sehr hohen Schweissnahtanteil verfügen oder aber deren Nachbearbeitung aufgrund besonderer Designanforderungen oder hohen funktionalen Anforderungen, wie geringer Verzug, enge Toleranzen oder Dichtheit, aufwendig ist. Wie gut die erzielbaren Ergebnisse sind, verdeutlicht die in unter zwei Minuten aus Baustahl geschweisste Haube. Ihre Sichtnähte sind von hoher Qualität und erfordern keine oder nur geringe mechanische Nacharbeit. Aber nicht nur die Optik der Schweissnähte und die des angrenzenden Materials stimmen auf Anhieb. Da im Vergleich zum WIG-Schweissen die Wärmeeintragszone sehr konzentriert ist, reduziert sich auch der Verzug auf ein Minimum.

Ein weiterer Vorteil des Laserschweissens ist die sichere Beherrschung von bisher nicht möglichen Nahtgeometrien. Dies gestattet aussergewöhnliche Designs und erhöht die Flexibilität. So lässt sich beispielsweise ein sehr dickes mit einem sehr dünnen Blech verbinden oder aber ein Blech durch ein anderes hindurch mit einem weiteren verschweissen. Während das mit Laser problemlos geht, sind die beiden genannten Beispiele mit dem Lichtbogen schon eine grössere Herausforderung.

Die Flexibilität des Lasers geht aber über die möglichen Nahtgeometrien hinaus. So kombinieren gewitzte Maschinenbauer auf einer Plattform unterschiedliche Laser-Schweissverfahren und geben damit dem Anwender ein vielseitiges Werkzeug an die Hand. So sind mit der TruLaser Weld 5000 von Trumpf beim Tiefschweissen bis zu 11 mm für besonders feste Verbindungen ebenso möglich wie Wärmeleitschweissen für glatte und schöne Oberflächen. Im Modus «Fusionline» arbeitet der Laser mit Zusatzdraht, wodurch sich Bauteile mit bis zu 1 mm Spaltmass zuverlässig fügen lassen. Hier wie bei den zwei anderen Betriebsarten sind hochfeste Nähte, die sich nicht oder kaum brechen lassen, das Ergebnis. Und geht eine Verbindung durch Gewaltanwendung doch einmal in zwei Teile, bricht interessanterweise nicht etwa die Schweissnaht, sondern das Grundmaterial, wie Versuche zeigten.

Toleranzen und Hilfsmittel

Hochwertige Schweissnähte erfordern, und das könnte als eine Einschränkung des Verfahrens gesehen werden, ein exaktes arbeiten. Scheitert das Laserschweissen letztlich an den kleinen Toleranzen? Keineswegs. Es gibt verschiedene Tricks, zum Beispiel eine aufs Verfahren angepasste Konstruktion, um das Thema «Toleranzen» zu beherrschen. Deutlich wird dies an einem Klemmenkasten. Konventionell würden dessen Ecken über die Diagonale auf Gehrung konstruiert. Das Problem hierbei ist, dass zwei Biegungen aufeinander treffen und es selbst bei einem sehr präzisen Biegen des Bauteils zur Spaltbildung kommt. Das gleiche Bauteil lässt sich aber auch über 90 Grad konstruieren, wodurch eine Schnittkante an eine gebogene Kante anliegt. Ist eine konstruktive Anpassung nicht gestattet oder möglich, garantiert das Schweissen mit Zusatzdraht die Machbarkeit und die benötigte Festigkeit.

Für das automatisierte Laserschweissen bedarf es einer Vorrichtung, die das Bauteil in der Position hält. Eine solche Vorrichtung bedarf es aber ebenfalls beim Fügen mit einem Lichtbogenroboter. Ausserdem müssen diese Halterungen nicht zwingend kompliziert sein. Es lässt sich selbst mit einfachsten Vorrichtungen arbeiten, in dem Bauteile vorgeheftet und in einem einfachen Spannsystem fixiert werden. Gehen die Stückzahlen in den Bereich von einhundert und mehr, lassen sich mit Blechen und Standardspannern günstig Vorrichtungen konstruieren.

Blick auf Investitionskosten

Wie sieht es aber mit den Investitionskosten aus? Es ist wie oben beschrieben nicht etwa die Maschinenauslastung ausschlaggebend, sondern was automatisiert werden soll! Bei sehr kurzen Schweissnähten und geringen Anforderungen an die Optik ist möglicherweise das Handschweissgerät die bessere Wahl. Geht es jedoch um die Fertigung der erwähnten Haube, dürfte sich aufgrund der langen Schweissnähte und der optischen Anforderungen die konventionelle Fertigung hinziehen. Die Firma Trumpf wollte dies genau wissen und liess nachrechnen (siehe Grafik). Bei 500 Exemplaren im Jahr und einer 25-prozentigen Maschinenauslastung rechnet sich deren Anschaffung innerhalb von zwei Jahren. Dies, sagt der Hersteller selbst, sei ein sehr positives Beispiel. Allerdings zeige dieses auch, dass eine Anlage nicht zwingend zu 100 Prozent ausgelastet sein müsse und sich deren Anschaffung selbst bei kleineren Aufträgen schnell rechne.