Traditionelles versus Laserschweißen

Bei viel schnelleren Bearbeitungsgeschwindigkeiten und höherer Qualität könnte man meinen, dass das Laserschweißen schnell das Feld erobern würde. Aber das traditionelle Schweißen bleibt bestehen. Und je nachdem, wen Sie fragen und welche Anwendungen Sie in Betracht ziehen, wird es möglicherweise nie verschwinden. Was sind also die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden, die weiterhin zu einem gemischten Markt führen?

Traditionelle Schweißmethoden sind nach wie vor beliebt. Im Großen und Ganzen gibt es in der Industrie drei Arten des traditionellen Schweißens: MIG (Metall-Inertgas), WIG (Wolfram-Inertgas) und Widerstandspunktschweißen. Beim Widerstandspunktschweißen drücken zwei Elektroden die zu verbindenden Teile zusammen, ein großer Strom wird durch diese Stelle geleitet und der elektrische Widerstand des Teilmaterials erzeugt die Wärme, die die Teile zusammenschweißt. Es handelt sich um eine schnelle Methode und laut Erik Miller, Business Development Manager der Lasergruppe von Miller Electric Mfg LLC in Appleton, Wisconsin, ist sie die vorherrschende Methode im Automobilbereich, insbesondere für Karosserien. Er fügte jedoch hinzu, dass der größte Markt für das Laserschweißen der Ersatz des Widerstandspunktschweißens sei. Umgekehrt hat Miller keine „irgendwelche Lawine“ bei der Ersetzung von WIG oder MIG durch Laser gesehen. Und selbst innerhalb der Automatisierungsgruppe des Unternehmens sind rund 90 Prozent der Projekte im MIG-Bereich angesiedelt.

Was ist der Grund für die anhaltende Beliebtheit von MIG? „Das Verbrauchsmaterial ist ein kontinuierlich zugeführter Draht“, sagte Miller. „Dadurch wird Material hinzugefügt und die Schweißnaht verstärkt, was sie perfekt für eine Kehlnaht [bei der die Teile senkrecht stehen] macht.“ Autogener Laser verschmilzt die beiden Grundmaterialien miteinander. Ein Laser kann eine Kehlnaht herstellen, aber die Genauigkeit und Präzision der Teile und alles andere muss laut Miller um eine Größenordnung höher sein.

„Bei einer MIG-Schweißnaht an einer Kehle beträgt die Toleranz mindestens plus oder minus einen halben Drahtdurchmesser, in der Regel sogar noch mehr“, sagte er. Ebenso ist das Prozessfenster von MIG für andere Arten von Schweißnähten viel größer als beim Laserschweißen. Mit anderen Worten: Teile müssen nicht so präzise sein und Vorrichtungen müssen nicht eine nahezu perfekte Passform gewährleisten, wie dies bei autogenen Lasern der Fall ist.

Auch das MIG-Schweißen lässt sich leichter automatisieren. Wie Miller es ausdrückte, sind die einzigen Faktoren, die Sie kontrollieren müssen, Fahrgeschwindigkeit, Spannung, Stromstärke, Brennerwinkel und Arbeitswinkel, und „wenn Sie fünf der zehn Dinge richtig machen, erhalten Sie immer noch eine gute Schweißnaht.“ Die Automatisierung des Laserschweißens erfordert einen Roboter mit ausgezeichneter Bahngenauigkeit und Wiederholbarkeit, und es müssen noch mehr Faktoren im Schweißprozess kontrolliert werden. TIG ist in dieser Hinsicht ähnlich.

Das heißt nicht, dass die Automatisierung des MIG-Schweißens so einfach ist, dass es jeder kann. Es ist immer noch ein Experte erforderlich, der die Programmierung übernimmt und Probleme diagnostiziert. Ed Hansen, Direktor für globales Produktmanagement und flexible Automatisierung bei ESAB Welding & Cutting Products, Denton, Texas, sagte, dies sei ein weiterer Pluspunkt für MIG.

„Nach vielen Jahren empirischer und wissenschaftlicher Erkenntnisse ist das traditionelle Schweißen gut verstanden. Wir wissen, was nötig ist, um ein vorhersehbares Ergebnis zu erzielen, das die für die Struktur erforderliche Verbindung liefert. Und obwohl wir über den Mangel an qualifizierten Arbeitskräften sprechen, der ein echtes Problem für die Branche darstellt, gibt es immer noch einen großen Pool an erfahrenen Schweißern, Technikern und Ingenieuren, die alle mit der Verwaltung dieser traditionellen Prozesse vertraut sind.“ Bei den meisten Produkten handelt es sich um eine einfache, kostengünstige Lösung, die akzeptable Ergebnisse liefert.

Es ist so, dass die Vorabkosten für ein MIG- oder WIG-System geringer sind als für ein Lasersystem. Die Kosten für Laser sind jedoch gesunken und werden auch weiterhin sinken. „Der Laser kostet etwa ein Drittel bis die Hälfte eines Laserschweißsystems“, sagte Hansen, „und die Kosten sinken je nach Schweißfähigkeit um 10 bis 15 Prozent pro Jahr.“

Miller bemerkte außerdem, dass „der Laserprozesskopf teurer ist als herkömmliche Köpfe, die Zuführungsfaser teuer ist und auch der Schutz einer Laserzelle teurer ist.“ Beispielsweise muss eine Laserzelle „lichtdicht“ sein und 4 Zoll (101,6 mm) dicke Wände haben, um einem direkten Treffer 10 Minuten lang standzuhalten, ohne durchzubrennen. (Der Laser wäre über einer 4 Zoll (101,6 mm) dicken Zelle nicht im Fokus. dicke Tiefe.) WIG- und MIG-Systeme können durch kostengünstiges Blech abgeschirmt werden, das Lücken zulässt.

Wenn man andererseits Unterschiede im Durchsatz und bei den Kosten pro Teil berücksichtigt, gewinnt der Laser oft, wie wir sehen werden. Dies gilt insbesondere für WIG, ein sehr langsamer Prozess, der ein hohes Maß an Geschick erfordert und daher teuer in der Anwendung ist. Aus diesem Grund sei TIG weitgehend auf die industrielle Lebensmittel- und Geräteherstellung sowie einige Präzisionskomponenten beschränkt, sagte Miller. „Menschen entscheiden sich für WIG für Anwendungen in Lebensmittelgeräten, weil die Schweißnaht keine poröse Oberfläche hat – sie ist sehr glatt“, sagte er. Aber wenn diese Teile in großen Mengen hergestellt werden müssen, wird der ROI eines Lasersystems die Türen sprengen, also ist es in diesen Fällen natürlich, dass es die Oberhand gewinnt.

Masoud Harooni, Produktmanager für Laserschweißen bei Trumpf Inc., Hoffman Estates, Illinois, sagte, dass selbst WIG keine vollständig zufriedenstellende Oberfläche für die Lebensmittelverarbeitung und andere Anwendungen erzeugen kann, bei denen das Aussehen von entscheidender Bedeutung ist. „Es ist nicht so schlimm wie MIG, aber eine WIG-Oberfläche erfordert definitiv ein Nachschleifen, was beim Laser nicht erforderlich ist“, sagte Harooni. „Außerdem ist die Geschwindigkeit des Laserschweißens für sichtbare Schweißnähte zwei- bis dreimal schneller als beim WIG-Schweißen. Wenn Sie an einem Kühlschrank oder einem ähnlichen Teil einen schönen Radius sehen, wurde dieser entweder geschliffen oder lasergeschweißt.“

Ein letztes Votum für das traditionelle Schweißen: Bis auf wenige Spezialfälle muss das Laserschweißen aus Sicherheitsgründen automatisiert werden. Und damit bleibt viel Arbeit für menschliche Schweißer, wie Hansen erklärte. „Man kann keinen Roboter auf ein Gerüst oder in die Bilge eines Schiffes klettern lassen. Wir können von solchen Superrobotern träumen, aber praktisch gesehen wird es sie in naher Zukunft nicht geben.“

Laut Miller tendiert die US-Fertigung dazu, konservativ zu sein, und „wenn es kein Problem zu lösen gibt, wird die kostengünstigste, robusteste und am besten geprüfte Lösung gewählt.“ Man greift also erst dann zum Laser, wenn das MIG-Schweißen nicht funktioniert oder das WIG-Schweißen zu langsam ist.“

Das Massen-WIG-Schweißen ist entweder bereits ins Ausland verlagert oder wurde vom Laser übernommen. Wo stellt der Laser also eine Herausforderung für MIG dar?

Ein Hauptanliegen sind die Schäden – sei es metallurgischer oder struktureller Art –, die möglicherweise durch die relativ langwierige und großflächige Wärmeübertragung des MIG in das Teil, gefolgt von einem langen Abkühlzyklus, verursacht werden. Umgekehrt überträgt der Laser Wärmeenergie in einem sehr kleinen Strahl und schmilzt nur einen lokalen Bereich. Der gesamte Wärmeeintrag ist viel geringer als bei MIG und das Teil kühlt sehr schnell ab, wodurch Verformungen und metallurgische Effekte minimiert werden.

Harooni bot eine nützliche Analogie: „Stellen Sie sich eine Flasche Wasser an einem Sandstrand im Vergleich zu einer Nadel vor. Wenn Sie ein Fünf-Pfund-Gewicht auf die Flasche legen, dringt es nicht in den Sand ein. Aber wenn Sie nur ein paar Gramm auf die Nadel geben, wird es passieren. Stellen Sie sich das Gewicht, das Sie aufbringen, als Wärme vor, die Flasche als MIG und die Nadel als Laser.“

Hansen von ESAB sagte, dass Laser den Wärmeeintrag im Vergleich zu MIG um etwa 85 Prozent reduzieren und „die Restspannung in einer Schweißnaht direkt proportional zum Wärmeeintrag ist.“ Je mehr Wärme Sie einbringen, desto mehr Eigenspannung wird erzeugt. Und das bedeutet Knicken, Verziehen und Schrumpfen und all diese Dinge, die einen Albtraum verursachen, wenn man aus diesem Teil eine Baugruppe macht oder es in eine Struktur oder ein Fahrzeug einbaut.“

Je größer das Teil, desto mehr kleine individuelle Eigenspannungen würden zu Makroverformungen, die sehr kostspielig und später schwer zu beheben seien, fügte er hinzu. Und das ist ein wichtiger Aspekt für Kunden, die versuchen, ihre Produkte „leichter“ zu machen. Darüber hinaus sagte er: „Manche Legierungen entmischen sich oder verändern ihre Eigenschaften, wenn man sie erhitzt, oder Kornstrukturen wachsen in unerwünschter Weise.“ Bei vielen dieser Materialien sind die Kornstruktur und Mikrostrukturen anders, wenn man die Schweißnaht schmilzt und dann abkühlt.“

Miller von Miller Electric wies darauf hin, dass die neueste Generation hochfester Stähle „einen großen Teil ihrer Festigkeit durch ausgefeilte Wärmebehandlungsverfahren erhält.“ Wenn man sie bei niedriger Abkühlgeschwindigkeit schmilzt und verfestigt (wie beim MIG-Schweißen), gehen all diese Stärken verloren. Laser kann dabei helfen, die ursprüngliche Festigkeit des Materials aufrechtzuerhalten.“

In einem anderen Beispiel sagte Miller, dass das MIG-Schweißen von Titan aufgrund „eines Problems mit schwebenden Kathoden“ schwierig sei. Der Lichtbogen ist nicht stabil. Laser ist also die perfekte Wahl.“ Bei Aluminium der 6000er-Serie besteht das Problem in der Heißrissbildung. „Heißrissbildung ist eine Funktion der Wanderung des Magnesiumsilizids zur Korngrenze. Wenn man also das Material erhitzen, schmelzen und abkühlen kann, bevor das Magnesiumsilizid wandert, kann man eine rissfreie Schweißnaht erzeugen“, sagte er. „Laser können das mit modernsten Scantechniken erreichen, bei denen wir den Strahl mit einem Spiegel hin und her bewegen.“

Aus Millers Sicht finden die meisten Laseranwendungen in schwer schweißbaren Materialien statt. Aus Haroonis Sicht ist Laser so viel schneller, dass sogar Blechprojekte auf Laser umsteigen. Wie viel schneller? Harooni von Trumpf sagte, dass das MIG-Schweißen normalerweise mit 20–30 Zoll (508–762 mm) pro Minute erfolgt – höchstens 40 Zoll (1.016 mm) pro Minute. Laser können laut Harooni mit einer Geschwindigkeit von fast 200 Zoll (508 cm) pro Minute schweißen, sodass allein der Verbindungsprozess bereits viel schneller ist. Der zweite Vorteil ist die Reduzierung der Nachbearbeitung. Harooni stellte fest, dass das Erscheinungsbild der Schweißnaht verbessert wird Wichtig: Nach einer MIG-Schweißung müsste ein langer Schleifzyklus erfolgen, der nach dem Laserschweißen nicht erforderlich wäre.

„Deshalb“, fügte er hinzu, „ist es normalerweise so, dass ein Teil, das mit MIG-Schweißen zu einem Preis von 25 US-Dollar hergestellt wurde, beim Laserschweißen nur 15 US-Dollar kosten würde, selbst wenn man die höhere Anfangsinvestition in das Laserschweißen berücksichtigt.“ Harooni berichtete beispielsweise über ein aktuelles Projekt, bei dem Trumpf die Zykluszeit beim Schweißen einer großen Tür von zehn Stunden auf 35 Minuten verkürzte. Ein anderer Kunde hatte Schwierigkeiten beim MIG-Schweißen eines Aluminium-Elektrogehäuses. Lunker waren ein häufiges Problem und die Gesamtzykluszeit betrug vier Stunden. Harooni sagte, Trumpf habe diese Zeit durch Laserschweißen auf 18 Minuten verkürzt.

Hansen fügte hinzu, dass die Fähigkeit des Lasers, tief in das Material einzudringen, seinen Vorteil gegenüber herkömmlichem Schweißen vervielfacht. Denn der Laser ist nicht nur drei- bis zehnmal schneller als MIG (und sogar noch schneller im Vergleich zu WIG), er kann auch relativ dicke Verbindungen schweißen, die mit MIG oder WIG mehrere Durchgänge erfordern würden.

„Die traditionellen Techniken erfordern außerdem ein Reinigen und Schleifen zwischen den Durchgängen, was die Gesamtzykluszeit weiter verlängert“, erklärte Hansen. „Mit dem Laser können Einzeldurchgänge bis zu einer Breite von etwa einem halben Zoll geschweißt werden, im Vergleich zu etwa fünf Durchgängen beim MIG-Schweißen, abhängig vom verwendeten Prozessor. Über einem halben Zoll müsste beim Laserschweißen vorher eine Fase an der Kante geschnitten oder geschliffen werden, aber es ist eine viel kleinere Fase als die ganzen Verbindungsfasen, die für das MIG-Schweißen benötigt werden.“

Für Materialien mit einer Dicke von einem halben Zoll wäre das Laserschweißen allein in der Schweißgeschwindigkeit 15–50 Mal schneller als das MIG-Schweißen – und sogar noch schneller, wenn man auch die zusätzliche Nachbearbeitung berücksichtigt, die für das MIG-Schweißen erforderlich ist.

Bei solch hohen Produktionsraten sind natürlich viele Schweißarbeiten erforderlich, um ein Lasersystem zu versorgen und Ihren ROI zu maximieren. Wie Hansen es ausdrückte: „Typischerweise kann der Laser beispielsweise beim Blechschweißen bis zu drei bis fünf Unterlichtbogenschweißsysteme erzeugen.“ Es ist viel Arbeit nötig, um fünf Sub-Arc-Systeme zu versorgen.“

Da das autogene Laserschweißen einen festen Sitz zwischen den zu verbindenden Teilen erfordert, ist es in vielen Fällen am besten, die Verbindungsstellen neu zu gestalten, um dem Laser überlappende Oberflächen zu bieten (um seine Durchstechfähigkeit zu nutzen). Immer mehr Hersteller sind bereit, in bessere vorgelagerte Prozesse und Werkzeuge zu investieren, um den höheren Durchsatz des Lasers zu nutzen.

Aber für diejenigen, die sich solchen Veränderungen widersetzen, oder in Situationen, in denen Lücken unvermeidbar sind, gibt es Hybridsysteme, die Laser- und Drahtvorschubtechnologie kombinieren, sowie andere Neuentwicklungen, die die Einsatzmöglichkeiten des Lasers erweitern. Ein einfaches Konzept (das bereits im Zusammenhang mit der Lösung des Heißrissproblems erwähnt wurde) ist das Wackeln des Laserpunkts. Miller sagte, es handele sich um ein altes Konzept, das in letzter Zeit viel wirtschaftlicher geworden sei. Er führte als Beispiel an, wie man einen Punkt mit 1,2 mm Durchmesser mit hoher Geschwindigkeit über einen 3 mm großen Bereich hin- und herbewegt, um den größeren Bereich effektiv zu erfassen und trotzdem eine gute Schweißnaht herzustellen.

Hansen sagte, dass Hybridsysteme den MIG-Prozess und einen Laserstrahl kombinieren. „Wir nutzen den Laser wirklich, um eine Durchdringung zu erreichen. Wenn Sie den Einbrand einer MIG-Schweißnaht beeinflussen möchten, müssen Sie normalerweise mehr Stromstärke hinzufügen. Durch die Verwendung des Lasers zum Durchdringen können wir die Stromstärke des MIG reduzieren und die kleinste Schweißnaht verwenden, die unsere Struktur für technische Zwecke zulässt. Der Laser ermöglicht es uns also, das MIG zu optimieren.“ Durch den Laserstrahl, der den Lichtbogen stabilisiert, ergeben sich zudem Synergien zwischen den Prozessen. „Wir können mit dem Lichtbogen viel schneller reisen, als wenn wir keinen Laserstrahl hätten. Dadurch können wir mit dem Hybridprozess so schnell vorankommen“, sagte er.

Die Fusion Line von Trumpf, die Harooni als „einen mit Draht unterstützten Prozesslaser zum Einbringen von mehr Masse in die Lücken“ beschrieb, kann Lücken mit einer Breite von bis zu 1 mm überbrücken.

ESAB hat seinerseits eine adaptive Schweißtechnologie entwickelt, die den Zustand der Teile erkennt und die Prozessparameter entsprechend ändert. Das System verwendet eine Kamera, die „einen Laserstreifen auf das Teil malt und es dann aus einem Parallaxenwinkel betrachtet, um die Form der Verbindung zu sehen, etwa 20–40 mm vor dem Prozess“, sagte Hansen. Mithilfe der laserkohärenten Bildgebung wird das Schlüsselloch gemessen, das der Laser in das Metall schneidet. „Wir können die Eindringtiefe und die Form des Schlüssellochs messen und diese Informationen entweder als Qualitätsmaßstab oder in einem geschlossenen Regelkreis zur Steuerung des Prozesses nutzen“, sagte er.

Das System passt die Laserdurchdringung, die Laserleistung, die Parameter des Gasmetalllichtbogens, die Drahtvorschubgeschwindigkeit, die Spannung, den Gasfluss und die Bewegungsgeschwindigkeit automatisch an, während der Schweißkopf das Teil bearbeitet. Das Ziel, das durch die Anforderungen der US-Marine vorangetrieben wurde, besteht darin, die Vorteile des Laserschweißens mit geringer Wärmezufuhr auf „konventionell vorbereitete Teile“ zu übertragen (dh Teile, die nicht mit engen Toleranzen für das Standard-Laserschweißen bearbeitet wurden). Hansen berichtete, dass dies das Prozessfenster für das Hybridschweißen um den Faktor fünf erweitert, verglichen mit dem, was mit stationären Steuerungen möglich gewesen wäre.

Das Laserschweißen ist für viele Anwender noch relativ neu, und Harooni betonte Trumpfs Engagement für Schulung und Support von Anfang an sowie die Vorteile der Offline-Programmierung ihrer Systeme nach der Installation.

Darüber hinaus bietet Trumpf mit TeachLine ein neues kamerabasiertes Sensorsystem an, das die Lage der zu schweißenden Naht erkennt. „Kunden möchten die Produktion nicht unterbrechen, um ein neues Teil zu programmieren oder Änderungen an ihrer Programmierung vorzunehmen. Daher können sie diese Offline-Programmierung nutzen und das Teil hochladen, programmieren und in die Zelle bringen. Mit TeachLine müssen sie es nicht optimieren. TeachLine würde das Teil sehen und das Programm, das Sie offline erstellt haben, anpassen. Die Kombination aus Offline-Programmierung und TeachLine hilft unseren Kunden, Produktionsänderungen schnell umzusetzen.“

ESAB führt außerdem eine neue „digitale Lösungssuite“ ein, die eine große Menge an Informationen über den gesamten Schweißprozess, einschließlich Zusatzwerkstoff, Grundmaterial und Gas, vereint, um die Bedienung der Systeme zu vereinfachen. Wie Hansen es ausdrückte: „Es ist einfach, ein kompliziertes System zu erstellen. Es ist sehr schwierig, ein kompliziertes System einfach erscheinen zu lassen. Und dorthin gehen wir mit unseren digitalen Lösungen. Wir nutzen unser Prozesswissen, um intelligente Entscheidungen zur Prozesssteuerung zu treffen, sodass der Bediener nicht mehr so ​​erfahren und sachkundig sein muss wie in der Vergangenheit.“

ESAB arbeitet auch an Möglichkeiten, seine Ausrüstung in die Lage zu versetzen, die Qualität der von ihm hergestellten Schweißnaht zu beurteilen und im Idealfall selbst die Entstehung eines Defekts oder einer Unterbrechung zu verhindern.

Schließlich gab es auch beim herkömmlichen Schweißen Verbesserungen, wie beispielsweise fortschrittliche Wellenformen und das ActiveWire-Konzept von Miller Electric, das den MIG-Draht kontinuierlich vor- und zurückführt, um Spritzer und Wärmeeintrag zu reduzieren. Der Ansatz erweitert die MIG-Anwendungen, die automatisiert werden können, und macht MIG selbst für das Schweißen einiger ultradünner Materialien zu einer praktikablen Lösung.

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