Am Standort der RWTH Aachen ist ein Weltrekord im laserbasierten Tiefschweißen gelungen: Trumpf und Partner der Hochschule haben Stahlbauteile mit einem 50-Kilowatt-Hochleistungslaser in einem einzigen Schweißvorgang bis zu 14 Zentimeter tief verbunden. Vergleichbare Laserverfahren kamen bislang auf etwa sechs Zentimeter. Der Laser selbst wird bei Trumpf Laser in Schramberg gefertigt.

Hinter dem Verfahren steckt das „Laserschweißen im Vakuum“, kurz LaVa. Es soll die Fertigung großer Stahl- und Aluminiumstrukturen beschleunigen. Wenn weniger Schweißlagen nötig sind, können Fertigungszeit und Produktivität steigen – bei Bauteilen, die sonst ordentlich Geduld verlangen.

Für Windkraft, Werften und schwere Maschinen

Als mögliche Einsatzbereiche gelten Offshore-Windkraftanlagen, vor allem Monopiles und Fundamente, außerdem Schiffbau und Werften, Pipelines sowie der Anlagen- und Schwermaschinenbau. Dort müssen besonders dickwandige Stahlkomponenten wirtschaftlich und zuverlässig miteinander verbunden werden. Gerade bei Stahlbauteilen für Offshore-Windanlagen ist das Verfahren deshalb interessant.

Der Bedarf wächst auch an anderer Stelle: Erneuerbare Energien, die Elektrifizierung des Automobils und Brennstoffzellen für Schiffe, Züge und Flugzeuge schaffen neue Märkte. Gesucht werden Schweißprozesse, die wirtschaftlich, schnell, energieeffizient und zugleich qualitativ hochwertig arbeiten – etwa für Bipolarplatten von Brennstoffzellen, Batterien für Elektrofahrzeuge, Busbars der Leistungselektronik oder Kupfer-Hairpins elektrischer Antriebe.

Laserstrahlschweißen unter Vakuumbedingungen ermöglicht größere Einschweißtiefen und die Verarbeitung von Edelstahl-, Aluminium- und Kupferlegierungen sowie deren Verbindungen. Laut den vorliegenden Angaben kann LaVa gegenüber herkömmlichem Laserschweißen bis zu 35 Prozent Energie sparen. Dahinter stehen ein geringerer Bedarf an Laserleistung und Strom sowie der Verzicht auf Druckluft, die sonst zur Reinigung und zum Schutz der Optik vor Spritzern und Schmauch eingesetzt wird. Qualität und Produktivität können steigen, während die Kosten sinken.

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Von der Promotion zur Industrieanlage

Entstanden ist das Verfahren während der Promotion von Dr. Christian Otten am Institut für Schweiß- und Fügetechnik der RWTH Aachen. Otten und seine Kollegen gingen der Frage nach, warum Elektronenstrahlschweißnähte besser ausfielen als Laserstrahlschweißnähte – und welchen Einfluss Unterdruck darauf hat.

Für das Vakuum-Laserschweißen wird unter anderem die SUPERSCAN-IV-Serie von RAYLASE in den Aperturen 15, 20 und 30 eingesetzt. Die kompakten, hochdynamischen Systeme führen den Strahl über eine Ablenkeinheit, statt das Bauteil zu drehen. So können mehrere Bauteile gleichzeitig bearbeitet werden. Der SUPERSCAN IV-15 arbeitet außerhalb der Vakuumkammer und erlaubt hohe Oszillationsfrequenzen und Amplituden für Wobbleschweißen; seine Spiegel bewegen sich auch bei geringer Laserleistung schnell. Die Versionen SUPERSCAN IV-20 und -30 kommen bei Laserleistungen über 2 kW oder für kleinere Spots bei langen Brennweiten zum Einsatz.

Otten zufolge arbeitet das Unternehmen inzwischen auch mit Komplettsystemen von RAYLASE, weil die Qualität der Ansteuerkarte SP-ICE-3 zuvor überzeugt habe. LaVa-X und RAYLASE sollen damit die Produktivität und Ressourceneffizienz beim Laserschweißen im Vakuum erhöhen.

Was im Vakuum physikalisch passiert

LaVa, auch LasVak genannt, verbindet Vakuumtechnik mit Laserfügetechnik. Typisch ist ein Druckbereich von 1 bis 100 hPa. Die geringere Gasmenge hilft, Schweißspritzer und Poren zu reduzieren; die Nähte können eine ähnliche Ausbildung wie beim Elektronenstrahlschweißen erreichen. Das klingt trocken, wird am Werkstück aber sehr konkret: weniger Unruhe im Schmelzbad, weniger Ausschuss, weniger Nacharbeit.

Erste Versuche gab es bereits in den 1980er-Jahren mit CO₂-Lasern. Bei reduziertem Druck konnte die Schweißgeschwindigkeit stark gesenkt werden, während die Einschweißtiefe deutlich zunahm. Zugleich wurde die bei Atmosphärendruck auftretende Plasmafackel abgeschwächt. Ab 2009 untersuchte die RWTH Aachen das Verfahren erneut mit brillanten Festkörperlasern, etwa Scheibenlasern. Versuche mit einem 600-W-Singlemode-Faserlaser zeigten bei gleichen Parametern nahezu identische Nahtformen und -qualitäten wie beim Elektronenstrahlschweißen. Untersuchungen der TU Braunschweig bestätigten außerdem eine deutliche Verringerung der Spritzerbildung durch das Vakuum. 2011 wurden bei Versuchen mit 12 kW Strahlleistung an Stahl 50 Millimeter Einschweißtiefe erreicht.

Der sogenannte LaVa-Effekt umfasst eine größere Einschweißtiefe bei gleicher Laserleistung, weniger Spritzer und Poren sowie die Vermeidung der Dampffackel. Der Grund liegt unter anderem darin, dass der Schmelzpunkt von Metallen weitgehend druckunabhängig ist. Bei Eisen würde er im absoluten Vakuum theoretisch nur um etwa 0,01 K sinken. Der Siedepunkt dagegen fällt deutlich: Bei 0,1 hPa reduziert sich die Verdampfungstemperatur von Eisen um mehr als 1.300 K.

Dadurch wird der Temperaturgradient zwischen Dampfkapillarwand und Schmelzlinie kleiner, das Schmelzbadvolumen verringert sich und die Dampfkapillarwand wird stabiler. Auch die Schmelzbadströmungen beruhigen sich. Besonders die aufsteigende Strömung hinter der Dampfkapillare wird langsamer – die Wahrscheinlichkeit von Spritzern und Poren sinkt.

Vakuum ist nicht gleich Vakuum

Elektronenstrahlanlagen benötigen im Strahlerzeugungsbereich etwa 10⁻⁵ hPa oder höher. In der Schweißkammer sind je nach Aufgabe 10⁻² bis 10⁻⁴ hPa erforderlich, damit Elektronen nicht mit Luftmolekülen kollidieren. Beim LaVa-Schweißen genügt dagegen ein Kammerdruck von etwa 100–10² hPa. Die geringeren Anforderungen können die Evakuierungszeiten verkürzen und die mögliche Taktzeit verbessern. Moderne Elektronenstrahlanlagen erreichen in der Massenfertigung allerdings ebenfalls kurze Taktzeiten.

Beim Elektronenstrahlschweißen verschleißt die Kathode des Elektronenstrahlgenerators kontinuierlich und muss regelmäßig ersetzt werden. Bei Tiefschweißungen an Aluminium kann der Austausch nach etwa vier Stunden Strahl-ein-Zeit nötig sein, bei Stahl mit geringer Einschweißtiefe erst nach bis zu 100 Stunden. Der bevorstehende Kathodenausfall lässt sich überwachen und vorhersagen. Ein Kathodenwechsel kann jedoch die Einbaulage verändern und dadurch das Schweißergebnis beeinflussen; Präzisionsvorrichtungen sollen das verhindern.

Laserquelle und Optik einer LaVa-Anlage enthalten grundsätzlich keine entsprechenden Verschleißteile. Ausnahmen können die Alterung des Lasers und eine Bedampfung des Schutzfensters sein. Beide Verfahren ermöglichen eine stabile und reproduzierbare Schweißqualität.

Auch bei der Strahlführung gibt es Unterschiede. Elektronenstrahlen bestehen aus geladenen Teilchen und lassen sich durch Magnetfelder ablenken. Das ermöglicht gezielte Strahlmanipulationen, etwa die Mehrbadtechnik, bringt aber auch Stolpersteine mit sich: Unbeabsichtigte Magnetfelder können den Strahl ablenken, magnetisierte Bauteile müssen gegebenenfalls entmagnetisiert werden. Beim Verschweißen bestimmter Werkstoffkombinationen kann zudem der thermoelektrische Effekt zusätzliche Magnetfelder erzeugen. Laserstrahlen sind keine Partikelstrahlen und werden von Magnetfeldern nicht beeinflusst.

Beim Auftreffen eines Elektronenstrahls auf Metall entstehen Röntgenstrahlen; etwa ein Prozent der Strahlleistung wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Die geschlossene Schweißkammer schirmt sie ab. Je nach Beschleunigungsspannung sind etwa 20 Millimeter dicke Stahlwände nötig, oberhalb von 70 kV zusätzlich eine Bleischicht. Laserstrahlen erzeugen keine Röntgenstrahlung, weshalb LaVa-Kammern kostengünstiger aus Aluminium gefertigt werden können.

Ein Vorteil des Elektronenstrahlschweißens bleibt die leicht veränderbare Fokussierlänge: Sie lässt sich über den Fokusstrom anpassen. Laseroptiken besitzen meist eine feste Fokussierlänge. Soll sich der Fokuspunkt in der Vakuumkammer verändern, braucht eine LaVa-Anlage daher meist eine zusätzliche Linearachse.

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