Mikroschweißen mit IR-Dauerstrichlasern

Die Herstellung filigraner Fügeverbindungen ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung (Bild 1). Beispiele für dünnwandige Anwendungen sind Wärmetauscher, die Kontaktierung von Batteriezellen und stromführenden Bauteilen sowie Gehäuse. Hierbei treten zumeist Blechdicken unter einem Millimeter auf. Des Weiteren verbietet der Einsatzzweck der Bauteile häufig ein sogenanntes Durchschweißen. Letzteres bedeutet, dass die Schweißnaht die Werkstücke vollständig durchdringt und auf der dem Laser abgewandten Seite eine Wurzel ausbildet. Gründe dafür sind beispielsweise eine Funktionsfläche auf der Rückseite, wie typischerweise bei Wärmetauschern, oder das Vorhandensein von Medien oder Chemikalien in einer Batteriezelle. Diese Einschränkung fordert eine kontrollierte Energieeinbringung in die Fügezone mit einer kontrollierten Einschweißtiefe, die meist der halben Wandstärke des unteren Fügepartners entspricht. Abhängig von den Anforderungen an die Fügeverbindung und den geometrischen Gegebenheiten kann dieses Ziel auf verschiedenen Wegen erreicht werden.

Geometrien für Schweißnähte
Als Geometrie einer Fügeverbindung dienen typischerweise drei Stoßarten: die I-Naht am Stumpfstoß sowie die I- und die Kehlnaht am Überlappstoß (Bild 2). Die I-Naht am Stumpfstoß erfordert eine im Vergleich zu den anderen Stößen verhältnismäßig aufwendige Nahtvorbereitung, da ein Teil des Ge­häuses ausgefräst werden muss. Zudem ist für die exakte Positionierung des Laserstrahlfokus ein präzises Positionierungssystem notwendig. Dem­gegenüber bietet dieser Fügestoß die Möglichkeit einer hohen Anbindungsfläche, was insbesondere für hoch belastete Bauteile vorteilhaft ist. Ein weiterer positiver Aspekt ist, dass die metallurgische Zusammensetzung der Schweißnaht bei diesem Stoß flexibel eingestellt werden kann, wenn der Laserstrahl asymmetrisch auf einer Seite des Spalts positioniert wird. Dies findet beim Schweißen von Mischverbindungen Anwendung, falls sich die verwendeten Werkstoffe hinsichtlich ihrer Schweißeignung deutlich voneinander unterscheiden. Eine derartige Flexibilität ist bei der I-Naht im Überlappstoß kaum gegeben, da hierbei stets ein höherer Anteil des oberen Bauteils aufgeschmolzen wird. Die I-Naht im Überlapp ist jedoch äußerst robust hinsichtlich der Positionierung des Laserstrahls. Für die Anbindung von Flanschen, Stutzen oder Halterungen bietet sich die Kehlnaht im Überlapp an, bei der die Kante des oberen Fügepartners abgeschmolzen und in den unteren Fügepartner eingeschweißt wird. Auch hier besteht eine gewisse Flexibilität, die Zusammensetzung der Schweißnaht zu beeinflussen, da der Laserstrahl entweder auf das obere oder das untere Bauteil versetzt werden kann. Sowohl die I- als auch die Kehlnaht im Überlapp benötigen keine aufwendige Nahtvorbereitung, sodass lediglich ein Nullspalt zwischen den Blechen gewährleistet werden muss.  [...]

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