Laserschweißen: Vorteile, Verfahren und Anwendungen
Laserschweißen hat sich in der industriellen Fertigung als eines der präzisesten und wirtschaftlichsten Fügeverfahren für metallische Werkstoffe etabliert. Kein anderes Schweißverfahren verbindet hohe Geschwindigkeit, minimalen Wärmeeintrag und reproduzierbar saubere Nahtgeometrien so konsequent miteinander.
Seit 1980 setzt H. P. Kaysser manuelles und vollautomatisches Laserschweißen für Prototypen und anspruchsvolle Serienanfertigungen ein.
Was ist Laserschweißen?
Laserschweißen ist ein thermisches Fügeverfahren, bei dem ein hochenergetischer Laserstrahl gezielt auf die Verbindungsstelle zweier metallischer Werkstücke gerichtet wird. Die konzentrierte Laserenergie bringt das Metall lokal zum Schmelzen. Die Schmelzzone der beiden Fügepartner verbindet sich und erstarrt nach dem Durchlauf des Laserstrahls innerhalb kürzester Zeit wieder zu einer festen, metallurgisch hochwertigen Schweißnaht.
Was Laserschweißen von herkömmlichen Schweißverfahren unterscheidet, ist die extreme Fokussierung des Energieeintrags. Der Laserstrahl trifft auf einen Fleck von wenigen Zehntelmillimetern und erzeugt dort eine Energiedichte, die ein Vielfaches konventioneller Verfahren erreicht. Das Ergebnis: schmale, tiefe Nähte mit geringem Wärmeeinfluss auf das umgebende Material.
Das Verfahren eignet sich für nahezu alle metallischen Werkstoffe, darunter Stahl, Edelstahl, Aluminium und Kupfer, sowie für unterschiedlichste Blechdicken von 0,2 mm bis zu mehreren Millimetern. Es lässt sich sowohl manuell als auch vollautomatisiert über Roboter- oder Linearsysteme einsetzen.
Wie funktioniert Laserschweißen?
Der Laserstrahl wird über eine Fokussieroptik auf einen definierten Punkt gebündelt und entlang der Fügestelle geführt. Je nach Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Werkstoff entstehen dabei unterschiedliche Schweißprofile. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Verfahrensprinzipien.
Wärmeleitungsschweißen
Beim Wärmeleitschweißen bleibt die Intensität des Laserstrahls unterhalb der Verdampfungsschwelle des Werkstoffs. Das Metall wird an der Oberfläche erhitzt, schmilzt auf und die Wärme wird über Wärmeleitung in das Material abgeführt. Die entstehende Schweißnaht ist breit und vergleichsweise flach, mit einer sehr gleichmäßigen Oberfläche und ohne Spritzer.
Dieses Verfahren eignet sich besonders für dünnwandige Bauteile, für optisch hochwertige Nähte sowie für Werkstoffe, die empfindlich auf hohe Temperaturspitzen reagieren. Kantenstöße und Ecken lassen sich damit gezielt verrunden, ohne Zusatzwerkstoff einzusetzen.
Lasertiefschweißen (Keyhole-Verfahren)
Beim Lasertiefschweißen ist die Intensität so hoch, dass das Metall nicht nur schmilzt, sondern teilweise verdampft. Dieser Metalldampf erzeugt einen dampfgefüllten Kanal, den sogenannten Keyhole, der sich tief in das Werkstück erstreckt. Der Laserstrahl dringt durch diesen Kanal in die Tiefe des Materials vor und erzeugt eine schmale, aber sehr tiefe Schweißnaht.
Das Lasertiefschweißen ist das gängige Verfahren für Anwendungen, bei denen hohe Einschweißtiefen und hohe Prozessgeschwindigkeiten gefragt sind. Bei H.P. Kaysser erreichen wir damit Einschweißtiefen bis zu 12 mm, bei gleichzeitig minimaler Wärmeeinflusszone und geringem Verzug am Bauteil. Im Übergang vom flüssigen Schmelzbad zum festen Material erfolgt die Erstarrung durch die hohe Streckenenergie linienförmig, wodurch keine grobkörnigen Übergangsgefüge entstehen und die mechanische Festigkeit im Nahtbereich vollständig erhalten bleibt.
Vor- und Nachteile des Laserschweißens
Laserschweißen bietet gegenüber konventionellen Schweißverfahren eine Reihe von Eigenschaften, die in der Serienfertigung von Präzisionsbauteilen besonders ins Gewicht fallen.
Vorteile
- Minimaler Schweißverzug: Die konzentrierte Energieeinbringung begrenzt die Wärmeeinflusszone auf einen kleinen Bereich. Das Bauteil bleibt maßhaltig, Nacharbeit durch Richten entfällt in den meisten Fällen.
- Hohe Schweißgeschwindigkeit: Laserschweißen ist deutlich schneller als MIG/MAG- oder WIG-Schweißen und eignet sich daher sehr gut für Serienfertigungen mit hohen Stückzahlen.
- Feinste Nahtgeometrien: Der Laserstrahl ermöglicht schmale, tiefe Nähte mit sauberer Optik, auch an schwer zugänglichen Stellen oder bei sehr dünnen Materialien ab 0,2 mm Blechdicke.
- Kein Festigkeitsverlust: Da keine grobkörnigen Übergangsgefüge entstehen, bleibt die mechanische Festigkeit im Schweißnahtbereich vollständig erhalten.
- Schweißen ohne Nacharbeit: Viele Bauteile verlassen die Anlage ohne Schleif- oder Richtaufwand, was Prozesskosten und Durchlaufzeiten senkt.
- Hohe Wiederholgenauigkeit: Automatisierte Laserschweißsysteme arbeiten prozesssicher und reproduzierbar, was gleichbleibende Qualität über die gesamte Serie sicherstellt.
- Berührungsloser Prozess: Da kein mechanisches Werkzeug auf das Bauteil einwirkt, gibt es keinen Elektrodenverschleiß und keine Krafteinwirkung auf das Werkstück.
Nachteile
- Hohe Anforderungen an die Bauteilpassung: Laserschweißen verzeiht wenig Toleranz an der Fügestelle. Spaltmaße müssen eng sein, da der fokussierte Strahl keine Lücken überbrückt wie etwa MIG/MAG mit Zusatzdraht. Mit entsprechenden Vorrichtungen und Zusatzdraht lässt sich dies jedoch gezielt kompensieren.
- Aufwändige Vorbereitung: Die Qualität der Schweißnaht steht und fällt mit der Vorbereitung, insbesondere mit der Spannvorrichtung. Ein präzise konstruiertes Spannsystem ist Voraussetzung für prozesssichere Ergebnisse.
- Investitionsintensiv: Laserschweißanlagen sind in der Anschaffung teurer als konventionelle Schweißsysteme. Für Serienfertigung und anspruchsvolle Baugruppen relativiert sich das durch die geringeren Prozesskosten schnell.
Laserschweißen vs. MIG / MAG und WIG
Die Wahl des Schweißverfahrens hängt immer von Bauteil, Werkstoff, Stückzahl und den geforderten Nahtqualitäten ab. Trotzdem lassen sich einige klare Unterschiede benennen, die in der Praxis regelmäßig entscheidend sind.
Wärmeeinbringung und Verzug: MIG/MAG- und WIG-Schweißen bringen deutlich mehr Wärme in das Bauelement ein als Laserschweißen. Gerade bei dünnwandigen Teilen oder Baugruppen mit engen Maßtoleranzen führt das zu Verformungen, die anschließend gerichtet werden müssen. Beim Laserschweißen ist die Wärmeeinflusszone so klein, dass sich Verformungen in den meisten Fällen minimieren lassen.
Nahtgeometrie: Lasernähte sind schmaler, tiefer und gleichmäßiger als MIG/MAG-Nähte. Das hat nicht nur optische Vorteile, sondern auch konstruktive: Durch die geringere Nahtbreite kann Material eingespart und das Bauteilgewicht reduziert werden.
Geschwindigkeit und Produktivität: Laserschweißen ist bei geeigneten Bauteilen erheblich schneller als WIG-Schweißen und arbeitet im automatisierten Betrieb deutlich produktiver als MIG/MAG. Das macht es für Serienteile mit hohen Stückzahlen besonders wirtschaftlich und steigert die ++Produktivität++ in der Serienfertigung spürbar.
Spaltüberbrückung: MIG/MAG-Schweißen ist toleranter gegenüber Spaltmaßen und eignet sich besser für Bauelemente mit größeren Fügespalten oder wenn Zusatzmaterial zum Auffüllen benötigt wird. Beim ++Lasern++ mit Zusatzdraht lässt sich das jedoch ebenfalls realisieren.
Fazit: Für Präzisionsbauteile, dünne Materialien, enge Toleranzen und Serienfertigung spielt Laserschweißen seine Stärken voll aus. Für grobe Konstruktionen, große Spalte oder Einzelteile ohne hohe Qualitätsanforderungen kann MIG/MAG die wirtschaftlichere Wahl sein.
Nahtarten beim Laserschweißen
Je nach Komponente und Fügesituation kommen beim Laserschweißen unterschiedliche Nahtarten zum Einsatz. Die Nahtgeometrie wird durch die Lage der Fügepartner zueinander bestimmt und beeinflusst, welches Verfahrensprinzip sinnvoll ist.
I-Naht
Die I-Naht entsteht beim stumpfen Stoß zweier Fügepartner auf gleicher Ebene. Der Laserstrahl trifft senkrecht auf die Stoßfläche und erzeugt eine tiefe, schmale Verbindung. Dieses Nahtbild wird besonders beim Lasertiefschweißen eingesetzt und ermöglicht bei T-Stößen Vollanbindungen bis zu einer Blechdicke von 12 mm. Durch die hohe Einschweißtiefe bei gleichzeitig kleiner Wärmeeinflusszone eignet sich die I-Naht sehr gut für tragende Verbindungen mit hohen Festigkeitsanforderungen.
Kehlnaht
Die Kehlnaht verbindet zwei Bauteile, die im rechten Winkel zueinander stehen, etwa bei einem T-Stoß oder einer Eckverbindung. Der Laser trifft im 45-Grad-Winkel auf den Fugenbereich und erzeugt eine dreieckige Nahtgeometrie. Bei H.P. Kaysser fertigen wir Kehlnähte sowohl rechts als auch links und erreichen damit bei Blechdicken ab 5 mm eine sichere Anbindung mit definiertem a-Maß. Durch den Einsatz von Zusatzdraht lässt sich das a-Maß gezielt einstellen.
Überlappnaht
Bei der Überlappnaht liegen zwei Bleche übereinander und werden durch die Laserquelle von oben durchgeschweißt. Das obere Blech wird dabei vollständig durchdrungen, damit sich die Verbindung mit dem darunter liegenden Bauteil herstellt. Dieses Nahtbild ist besonders im Karosseriebau und bei Blechbaugruppen verbreitet, da es sich sehr gut für automatisierte Prozesse eignet und reproduzierbar hohe Festigkeiten liefert.
Bördelnaht und Wörbelnaht
Die Bördelnaht entsteht, wenn zwei aufgebördelte Blechkanten stumpf zusammengeführt und verschweißt werden. Sie wird häufig bei dünnwandigen Blechteilen eingesetzt und ermöglicht eine schlanke, optisch ansprechende Verbindung ohne Zusatzwerkstoff. Die Wölbnaht ist eine Variante des Wärmeleitschweißens: Kanten und Ecken werden dabei durch gezielte Wärmeeinbringung verrundet, was vor allem bei Gehäusen und Sichtteilbereichen gefragt ist, wo eine saubere Optik ohne Nachbearbeitung gefordert wird.
Anwendungsbereiche des Laserschweißens
Laserschweißen wird überall dort eingesetzt, wo hohe Nahtqualität, enge Toleranzen und reproduzierbare Ergebnisse gefordert sind. Die Kombination aus Präzision, Geschwindigkeit und minimalem Wärmeeintrag macht das Verfahren für viele Branchen zur ersten Wahl.
Automobilindustrie
In der Automobilindustrie gehört Laserschweißen seit Jahrzehnten zum Standard. Karosseriebauteile, Getriebekomponenten, Sitzversteller und Sicherheitsteile werden mit dem Laser gefügt, weil die Nähte bei minimalem Verzug höchste Festigkeiten erreichen. Auch im Bereich E-Mobilität, etwa bei Komponenten für Ladesäulen oder Batteriegehäuse, gewinnt das Verfahren weiter an Bedeutung.
Luft- und Raumfahrt
In der Luft- und Raumfahrt sind die Anforderungen an Schweißverbindungen besonders hoch. Geringstes Bauteilgewicht, maximale Festigkeit und lückenlose Dokumentation sind Pflicht. Laserschweißen erfüllt diese Anforderungen, weil die Wärmeeinflusszone klein bleibt, das Gefüge im Nahtbereich erhalten bleibt und die Nähte messtechnisch nachweisbar sind.
Maschinenbau und Automatisierung
Präzise Schweißbaugruppen für Werkzeugmaschinen, Handhabungssysteme und Automatisierungsanlagen werden häufig mit dem Laser gefügt. Enge Maßtoleranzen, saubere Nahtgeometrien und die Möglichkeit, ohne aufwändige Nacharbeit zu fertigen, machen das Verfahren hier besonders wirtschaftlich.
Medizin-, Pharma- und Lebensmitteltechnik
Überall dort, wo hygienische Anforderungen gelten, sind glatte, spaltfreie Schweißnähte aus Edelstahl gefordert. Laserschweißen liefert genau das: saubere Oberflächen ohne Poren oder Hinterschneidungen, die sich leicht reinigen lassen und keine Angriffsfläche für Bakterien bieten.
Laserschweißen bei H. P. Kaysser
Laserschweißen ist bei H.P. Kaysser kein Zukauf, sondern Kernkompetenz. Wir setzen das Verfahren seit über 40 Jahren in der Lohnfertigung ein und haben in dieser Zeit sowohl die Prozesse als auch die Maschinenausstattung konsequent weiterentwickelt. Heute stehen uns mehr als 15 hochwertige Laserschweißgeräte zur Verfügung, manuell und vollautomatisiert, für Dünnblech ab 0,2 mm ebenso wie für Dickblech bis 12 mm.
Ein entscheidender Faktor für die Qualität unserer Schweißergebnisse ist der eigene Vorrichtungsbau. Wir entwickeln und fertigen alle Spann- und Positioniervorrichtungen inhouse und stimmen sie exakt auf das jeweilige Bauteil ab. Nur eine präzise fixierte Fügestelle garantiert prozesssichere Nähte und reproduzierbare Ergebnisse über die gesamte Serie.
Robotergestütztes Laserschweißen
Unser robotergestütztes Laserschweißsystem arbeitet mit YAG-Lasern und einer Leistung von 2 bis 8 kW. Der Arbeitsbereich umfasst Bauteile bis zu 2.000 x 1.000 x 700 mm. Wir erreichen Einschweißtiefen bis zu 8 mm und setzen Optiken bis 300er Single-Spot oder Scanner ein. Der Lichttransport erfolgt über Lichtleiterkabel, was eine hohe Ortsflexibilität des Roboters ermöglicht. Die Schweißnahtüberwachung erfolgt optisch in Echtzeit.
Dieses System eignet sich besonders für anspruchsvolle Schweißbaugruppen mit komplexen Geometrien, bei denen der Roboterarm alle relevanten Nahtlagen präzise anfahren muss. Dreh-, Wechsel- oder Kippvorrichtungen ergänzen das System, wenn 360-Grad-Nähte oder meterlange ununterbrochene Schweißnähte gefragt sind.
Lineargestütztes Laserschweißen
Für großformatige Komponenten setzen wir auf lineargestützte Schweißsysteme mit einem Arbeitsbereich von bis zu 4.000 x 2.000 x 1.000 mm. Die Laserleistung beträgt 6 kW, die Einschweißtiefe reicht bis ca. 10 mm. Neben dem Schweißen ist auch das 3D-Laserschneiden in derselben Anlage möglich.
Besonders geeignet ist dieses System für großformatige Rahmen, Behälter und Konstruktionen, bei denen lange Schweißnähte mit gleichbleibender Qualität über mehrere Meter erforderlich sind. Der lineare Aufbau mit reinen Linearachsen gewährleistet eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit. Schweißen mit Zusatzdraht ist ebenfalls möglich, die Schweißnahtüberwachung erfolgt sowohl optisch als auch taktil.
Handlaserschweißen
Diese Art des Laserschweißens ergänzt unser automatisiertes Portfolio dort, wo Flexibilität gefragt ist. Mit handgeführten Laserschweißgeräten bis 2 kW und Einschweißtiefen bis 5 mm eignet sich das Verfahren besonders für den Prototypenbau, für Reparaturschweißungen und für Großbaugruppen, bei denen eine aufwändige Vorrichtung nicht wirtschaftlich wäre. Der Bediener führt den Schweißkopf dabei manuell entlang der Fügenaht, was eine hohe Flexibilität bei wechselnden Bauteilgeometrien ermöglicht.
Zusatzdraht kann automatisiert bis 1,6 mm und manuell bis 3,2 mm verarbeitet werden, was eine sehr gute Spaltüberbrückbarkeit ermöglicht. Für Aluminiumbauteile setzen wir auf robotergestütztes Handlaserschweißen mit Push-Pull-Drahtvorschub, der eine gleichmäßige Drahtförderung und präzise Nahtübergänge sicherstellt. Das a-Maß für Kehlnähte lässt sich dabei bis 2 mm definiert einstellen.
Qualitätssicherung und Zertifizierungen
Laserschweißen auf höchstem Niveau erfordert mehr als nur leistungsstarke Anlagen. Es braucht dokumentierte Prozesse, qualifiziertes Personal und eine lückenlose Qualitätssicherung von der Vorrichtung bis zur fertigen Schweißnaht.
Bei H.P. Kaysser arbeiten wir mit einem eigenen Prüflabor, in dem Schweißnähte geschnitten, feingeschliffen, geätzt und mikroskopisch ausgewertet werden. Die Einschweißtiefe, die Nahtgeometrie und die Gefügestruktur werden dokumentiert und stehen unseren Kunden als Nachweis zur Verfügung.
Unsere Qualifizierungen im Überblick:
- Zertifikat EN-ISO 9001:2015
- DIN 2303 Q2 BK1 und BK2
- DIN EN ISO 3834-2:2021
EXC3 nach EN 1090-2