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Fügetechnik (Subject) / Strahlschweißen (Lesson)

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• Definition Strahl Mathematik, Geometrie: einseitig infinite Linie, die an einem festen Punkt beginnt von einer Energiequelle ausgehendes Bündel elektromagnetischer Wellen/Partikel Elektromagnetische Welle: z.B. Licht/LaserPartikel: z.B. Elektronenstrahl
• Wärmeeinkopplung Figure 1  Lokales Aufschmelzen und Verdampfen auf der Werkstoffoberfläche Ausbildung einer Dampfkapillaren Durchdringung der gesamten Werkstückdicke Ausbildung der Schweiß-naht durch Relativbewegung zwischen Strahl und Bauteil Wärmequelle beim Strahlschweißen ist ein energiereicher Licht- (Laser) oder Partikelstrahl (Elektronenstrahl), der seine Energie am Auftreffpunkt durch Wechselwirkung mit dem Werkstoff an diesen abgibt. Es entsteht Wärme. Wird mehr Wärme pro Zeiteinheit zugeführt, als in den umgebenden Werkstoff abfließen kann, dann heizt sich dieser lokal so weit auf, dass er lokal schmilzt oder bei sehr hohen Energiedichten auch lokal verdampfen kann. Dabei bildet sich eine Dampfkapillare aus (die beim Laserstrahlschweißen auch Keyhole genannt wird), die von Schmelze umgeben ist. Durch Bewegen dieser Dampfkapillare entlang des Stoßes entsteht die Schweißverbindung durch Zusammenfließen der Teilschmelzen der Einzelteile.
• Unterscheidung nach Wärmetransportmechanismus Wärmeleitungsschweißen vs Tiefschweißen Die von der Schweißstelle abfließende Wärmemenge ist vor allem von der Temperaturdifferenz zum „kalten“ Grundwerkstoff und von Wärmeleitkoeffizienten abhängig. Die resultierende Temperatur an der Schweißstelle stellt sich bei Gleichgewicht von zugeführter und abfließender Wärmemenge ein. Die entscheidende Größe ist hier die Energiedichte des Strahles. Die Energiedichte dient somit den Transportmechanismus der Energie im Bauteil. sehr hohen Energiedichten (Tiefschweißeffect):- erhitzt sich das Material so weit, dass es lokal verdampft- öffnet sich ein Dampfkanal, der es den Strahl erlaubt, seine Energie tiefer in das    Werkstück zu tragen und dort abzugeben- Es entstehen so tiefe und schlanke Nahtquerschnitte, bei denen vergleichsweise wenig Schmelze entsteht- Verschweißen größerer Blechdicken bei relativ hohen Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht geringeren Energiedichten (Wärmeleitungschweißen)- erdampfungstemperatur nicht erreicht, es bildet sich in der Folge kein Dampfkanal- relativ breite und flache Schmelzbäder- Verschweißen dünnerer Bleche genutzt
• Strahlschweißen – Kräfte in der Dampfkapillare F1: Kraft aus DampfdruckF2: Kraft aus OberflächenspannungF3: Kraft aus hydrostatischen Druck Die Dampfkapillare (bzw. das Keyhole) werden durch den Druck des verdampfenden Materials offen gehalten, dem wirken die Oberflächenspannung und der hydrostatische Druck der Schmelze schließend entgegen. Die nach mindestens einer Seite hin offene Kapillare ermöglicht es dem entstehenden Dampf nach außen zu entweichen. Der zum Offenhalten des Kanals notwendige Dampfdruck muss daher durch kontinuierliches Verdampfen von Grundwerkstoff durch kontinuierliche Energiezufuhr aufrecht gehalten werden.
• Schweißnahtfehler Figure 2 Bedingt durch die geringen Fokus- bzw. Strahldurchmesser des Laserstrahls oder Elektronenstrahls, müssen bei der Nahtvorbereitung enge Toleranzen eingehalten werden. Da beim Strahlschweißen i.d.R. kein Zusatzwerkstoff eingebracht wird, können z.B. Spalte nur sehr schlecht überbrückt werden.
• Nahtvorbereitung Figure 3 Voraussetzung zur Vermeidung der vorstehend genannten Schweißnahtfehler beim Strahlschweißen sind zum einen die (wiederholt) genaue Positionierung des Strahles relativ zur Fuge und deren Spaltfreiheit (technischer 0-Spalt). Die erforderlichen Genauigkeiten zum Strahlschweißen lassen sich in der Regel bei dickeren Blechen (bei denen in der Regel die I-Naht am Stumpfstoß verwendet wird) nur mit spanenden Fertigungsverfahren, wie z.B. dem Fräsen oder Drehen, erreichen, was bei der wirtschaftlichen Betrachtung mit einbezogen werden muss. Bei dünneren Blechen, die hauptsächlich durch Stanzen und Tiefziehen ihre Gestalt bekommen, sind die erforderlichen Genauigkeiten für eine I-Naht am Überlappstoß kaum zu realisieren. Stattdessen bietennsich die anderen abgebildeten Nahtformen an. Bei diesen werden evtl. Spalte mit Hilfe der ohnehinnnotwendigen Schweißvorrichtung zugedrückt. Dieselbe Vorrichtung sorgt auch für eine reproduzierbaren Positionierung der Schweißstelle.
• Strahlschweißen – Bezeichnungen Nahtüberhölung Wurzelüberhölung Nahtdicke Nahtlänge Nahtbreiter Schmwelzzonentiefe Schemlzonenboden Schmeltzone Blindnaht Stoßfuge Endkrater
• Begriff und Eigenschaften von Laserstrahlung Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laserlicht ist: monochromatisch (gleiche Wellenlänge) kohärent (gleiche Phasenlage) parallel (geringe Divergenz) Fokussierbar ( hohe energiedichte- ermöglich tiefschweißen)
• Das Prinzip eines Lasers Prinzip der stimulierten Emission Anregung auf höheres Energieniveau durch Energiezufuhr von Außen Beim Auftreffen eines Photons erfolgt eine Abgabe der Anregungsenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung charakteristischer Wellenlänge 2 Photonen der selben Wellenlänge verlassen das System Resonator: Lichtwelle wird im Resonator zur Verstärkung durch Mehrfachreflektion optischrückgekoppelt
• Das elektromagnetische Spektrum Diodenlaser 800-980nmFestkörperlaser 1030-1080 nmC02 Laser 10,6 micro m  Dioden- und Festkörperlaser  Festkörperlaser und Diodenlaser liegen mit ihrer Wellenlänge relativ nah am sichtbaren Licht, ihre Strahlung verhält sich in der Folge ähnlich wie sichtbares Licht. Gläser und Materialien, die für sichtbaresLicht transparent sind, sind auch transparent für die Strahlung aus diesen Lasertypen. gleiche Art und Weise leiten und fokussieren Es ist daher unbedingt erforderlich, Laserbearbeitungsstationen vollständig auch gegen den Austritt von Streustrahlung zu kapseln C02 laser Materialien, die für das sichtbare Licht transparent sind, absorbieren einen großen Teil der Energie. absorbierte Anteil würde Glaslinsen oder Lichtleitfasern thermisch überlasten und zerstören Umlenkung des Laserstrahles und Fokussierung erfolgen daher durch Spiegel (sehr groß mechanische Aufwand zur Realisierung eines Systms mit Robotern) ist es jedoch möglich, die (Streu)-Strahlung von CO2 Lasern mit einfachen Gläsern oder Plexiglas sicher abschirmen und nicht hermetisch dicht gekapseltwerden.dicht gekapselt werden.
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• Laser bsp. 150 - 350 nm Excimer-Laser- Mikrobearbeitung (Chipherstellung), Medizinanwendungen (Augen) 380 - 780 nm Sichtbares Licht-Laserpointer 532 nm (grün) Nd:YAG mit Frequenzverdopplung oder Praseodym als Dotierungselement 670 - 1100 nm (rot-IR) Titan:Saphirlaser-> Pulse im fs-Bereich möglich 1030 nm (IR) YAG-Scheibe, Dotierungsmaterial Yb (Scheibenlaser) 1064 nm (IR) YAG-Stab, Dotierungsmaterial Nd (Nd:YAG Laser) 1070-1080 nm (IR) Glasfaser mit Dotierungsmaterial Yb (Faserlaser) 3 μm (IR) Dotierungsmaterial Erbium-> Augensicher und wird daher zur Entfernungsmessung verwendet 10,6 μm CO2-Laser 570 μm Methanol-Laser
• prizipielle Anlagenaufbau figure 5 CO2 Straherzeuger Strahführungs über spiegel Fokusierung über spiegel Werkstuck Kartesisches Werkstückhandlung Festköperlaser Straherzeuger Strahführung über Lichtleitkabel Transmissive Fokussieroptik Transmissive Fokussieroptik (linse) Werkstuck 6D werkzeugshandhabung
• Prinzipaufbau eines lampen- und diodengepumpten Nd:YAG-Lasers figure 6 Beim diodengepumpten Stablaser werden zur Anregung des laseraktiven Mediums Diodenbänke verwendet, deren emittiertes Licht kollimiert und auf das aktive Medium gerichtet wird. Der Wirkungsgrad eines solchen Systems liegt bei ca. 12 %. Im Gegensatz zu den Hochleistungsdioden des Diodenlasers brauchen die einzelnen Diodenbänke nur verhältnismäßig wenig Leistung, so dass eine hohe Lebensdauererreicht werden kann. Eine zweite Möglichkeit ist die Anregung über Blitz- oder Bogenlampen, die zur optimalen Einkopplung der Anregungsenergie in einem Doppelellipsoid angeordnet sind, in deren gemeinsamem Brennpunkt der Festkörperstab liegt. Der Wirkungsgrad liegt hierbei jedoch unter 4 %.
• Prinzipaufbau eines Faserlasers Die optische Faser (Glasfaser) ist mit aktivem Material meist Ytterbium dotiert. Durch Anregung dieser Teilchen geben sie ihre Energie in Form von Laserstrahlung ab. Durch die Länge der Faser ergibt sich eine große Oberfläche und damit eine effektive Kühlung. Der Faserlaser ist vom Prinzip her ein diodengepumter Festkörperlaser. Das aktive Medium ist hier eine dotierte Lichtleitfaser, in die das von den Dioden erzeugte Licht eingekoppelt wird. Die Strahlung verbleibt durch Totalreflexion in der Faser und induziert so die weitere Emission von Laserstrahlung. Im Grunde kann der aus der aktiven Faser austretende Laserstrahl direkt fokussiert und für den Schweißprozess genutzt werden. Da die Herstellung dieser Faser jedoch sehr aufwendig und teuer ist, wird der Strahl in der industriellen Praxis in herkömmliche Glasfasern, wie sie auch beim Nd:YAG-Laser verwendet werden, eingekoppelt. Wie auch beim Nd:YAG und Scheibenlasern werden beim Faserlaser einzelne Module (typische Strahlleistung jeweils 600 W bis 1 kW) zusammengeschaltet, um die gewünschte maximale Strahlleistung der Laseranlage zu erreichen.
• Scheibenlaser figure 8 eine Form des Festkörperlasers, bei welchem das aktive Medium (der Laser-Kristall) die Form einer Scheibe mehrfache Durchgänge der Pumpstrahlung durch die Laserscheibe erzeugt Einer der Resonatorspiegel ist an der Rückseite der Kristallscheibeaufgedampft, der gegenüberliegende Auskoppelspiegel befindet sich in einiger Entfernung zur Scheibe. Vorteil dieser Form des Lasers ist die bessere Kühlung des Laserkristalls gute Fokussierbarkeit im Vergleich zu anderen Hochleistungs-Festkörperlasern erreicht wird
• Diodenlaser Mechanische Robustheit, hoher Wirkungsgrad und geringe Abmessungen Rekombination: am p-n-Übergang: Wird eine geeignete Spannung angelegt können freie Elektronen aus dem Leitungsband des n-dotierten (n wie negativ, freibewegliche Elektronen) Halbleiters in die Löcher im Valenzband des p-dotierten (p wie positiv, freibewegliche positive Lücken) Halbleiters übergehen Bei einigen Materialkombinationen entstehen Photonen bei der Rekombination. Diesen Effekt nutzt man für Leuchtdioden und auch Diodenlaser. Laserbarren in den Abmessungen 10 mm x 0,6 mm x 0,1 mm, der auf einen Kühlkörper aufgebracht ist Durch eine geeignete Stapelung dieser Barren zu sogenannten Stacks addieren sich die Laserleistungen durch optische Überlagerung
• Wellenlängenabhängige Absorption unterschiedlicher Werkstoffe Problematisch beim Laserstrahlschweißen ist, dass ein großer Teil der Strahlung an der Werkstückoberfläche reflektiert wird Beispielsweise absorbiert Stahl bei einer Wellenlänge von 10,6 μm lediglich10 % der auftreffenden Strahlung. Da Kupfer ein hoch reflektierendes Metall mit gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit ist, wird es häufig als Spiegelwerkstoff eingesetzt. Für das Schweißen von Aluminium eignen sich Festkörperlaser sehr viel besser, als CO2-Laser. Jedoch hatte der CO2-Laser in der Vergangenheit den Vorteil der höheren verfügbaren Strahlleistung.
• Reflexion und Schweißtiefe in Abhängigkeit der Intensität Einschweißtiefe beim Erreichen der Schwellintensität (I ≥ 106 W/cm2) sprunghaft Durch das Erreichen der Verdampfungstemperatur des verwendeten Werkstoffs, bildet sich eine Dampfkapillare im Material aus eine deutliche Reduzierung der Reflexion und somit eine verbesserte Energieeinbringung in den Werkstoff
• Abhängigkeit der Absorption Intensität Temperature Wellenlänge Werkstoff
• Wärmeleitungschweißen vs Tiefschweißen Wärmeleitungsschweißen [1] Intensität I < 106 W/cm2 Aufschmelzen von Material Absorption an fester oder flüssiger Oberfläche, A < 30 % Bildung eines Schmelzbades mit geringer Einschweißtiefe Tiefschweißen [2] Intensität I ≥106 W/cm2 Verdampfen von Material Fast vollständige Energieeinkopplung durch Absorption im Dampf bzw. an der Schmelzfront, A > 90 % Bildung einer Dampfkapillaren mit hoher Einschweißtiefe
• Prinzip des Laserstrahlschweißens figure 10 Stahlwerkstoffe mit technischen Oberflächen reflektieren die Laserstrahlung bis zu 95 %. So ist beiniedrigen Intensitäten (I ≤ 106 W/cm2) allenfalls ein Aufschmelzen von Werkstückoberflächen bzw. -kanten und damit ein Wärmeleitungsschweißen geringer Tiefenwirkung möglich. Schwellintensität (I ≥ 106 W/cm2) findet dann ein Phasenübergang statt, welches einen Plasmakanal ausbildet (Tiefschweißeffekt) Der größte Teil der Schmelze umströmt die durch die Fügezone bewegte Kapillare, derenSchließen durch den Dampfdruck verhindert wird Der Rest des Werkstoffs verdampft und kondensiert entweder an der Kapillarenwand oder strömt in ionisierter Form ab Bei geeigneter Parameterwahl kann eine nahezu vollständige Energieeinkopplung in das Werkstück erzielt werden Beim CO2-Laser wird die Strahlung durch das Plasma, dessen Absorptionseigenschaften von der Strahlungsintensität und der Dichte des Dampfes abhängen, absorbiert. Strahlung durch plasma die Bearbeitungszone abschrimen Schweißen mittels CO2-Laser zur Plasmakontrolle Gase (Schutzgasplasma) eingesetzt (Helium, da möglichst höhe Ionisationspotential) Festkörperlaser (Stab-, Faser- und Scheibenlaser) sowie Diodenlaser besitzen eine um den Faktor 10 kleinere Wellenlänge als CO2-Laser Die Absorption der Strahlung erfolgt daher nicht im Plasma, sondern durch Mehrfachreflexion an der Schmelzfront des Plasmakanals Druckluftdüsen eingesetzt, die den Strahlengang „sauber“ halten
• Abhängigkeit der erreichbaren Einschweißtiefen Werkstoff(Wärmeleitfähigkeit, Reflexionsverhalten) Resonatorbauart (Strahlqualität) Fokuslage verwendete Optik (Brennweite, Fokusdurchmesser).
• Porenbildung und Mittelrippendefekt Vorteil der Laserstrahschweißen Das Laserstrahlschweißen ist durch sehr schlanke Nähte gekennzeichnet, mit denen relativ große Blechdicken mit vergleichsweise wenig geschmolzenem Material verbunden werden können. Dazu ist relativ wenig Energie notwendig (Die Streckenenergie ist niedrig), was auf der einen Seite die Veränderungen der Werkstoffeigenschaften lokal begrenzt und nur wenig Schweißverzug produziert. Auf der anderen Seite erhöht diese geringe Energieeinbringung auch das Risiko für Fehler: Bedingt durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit und die damit verbundene schlechte Entgasungsmöglichkeit der Schmelze kann es beim Laserstrahlschweißen insbesondere bei dicken Blechen Einschweißungen (fehlende Entgasung über die Nahtwurzel) zu Porenbildung kommen. zu geringe Schweißgeschwindigkeit kann jedoch auch zur Porenbildung führen, wenn die Schmelze dann an der Wurzelseite Gase aufnehmen kann. umwandelnden Stahlwerkstoffen ist der Kohlenstoffgehalt wegen der hohen Abkühlgeschwindigkeit als kritische Einflussgröße zu betrachten Aluminium und Kupfer bereiten aufgrund ihrer thermophysikalischen Materialeigenschaften Probleme bei der Energieeinkopplung und der Prozessstabilität.
• Energieflussschema Figure 11 ca 50-90% Verlustenergie-CO2: 90%- Nd:YAG: 90%- Faser: 70%- Scheibe: 70%-Diode: 50% ca.10-50% Strahlenergie-0-2,5% Diagnostik- 2,5-12,5% FokussierungWerkstück-5% Reflektion- 10% Transmission- ca 40 % Wärmekonvektion, -leitung, Metalldampfplasma ca 30-45% Schmelzernergie =====> 4-22% Steckdosenwirkjungsgrad
• Vor- und Nachteile Prozess Vorteil - hohe Leistungsdichte- kleiner Strahldurchmesser- hohe Schweißgeschwindigkeit- berührungsloses Werkzeug- Schweißen unter Atmosphäre möglich Nachteil - begrenzte Einschweißtiefe ( 25 mm)- hohe Reflexion an Metallen
• Vor- und Nachteile Werkstück Vorteil  - minimale thermische Belastung- geringer Verzug- Schweißen fertig bearbeiteter Teile möglich- Schweißen an schwer zugänglichen Stellen- unterschiedliche Werkstoffe schweißbar Nachteil - aufwendige Nahtvorbereitung- exakte Positionierung notwendig- Aufhärtungsgefahr- Rissgefahr- Al, Cu schwer schweißbar
• Vor- und Nachteile Anlage Vorteil - kurze Taktzeiten- Mehrstationenbetrieb möglich- Anlagenverfügbarkeit > 90%- gut automatisierbar Nachteil - aufwendige Strahlführung und -formung- Leistungsverluste an optischen Elementen- Schutz vor Laserstrahlung notwendig- hohe Investitionskosten- schlechter Wirkungsgrad (CO -Laser: < 20%, Nd:YAG: < 5%)
• Einsatzgebiete in der Praxis Automobilbau- Getriebeteile - Karosseriebau- Motorenkomponenten Luft- und Raumfahrtindustrie-Triebwerkskomponenten- Instrumentengehäuse Stahlverarbeitende Industrie- Rohrherstellung- Fahrzeugaufbauten- Endlosbänder- Blechdosen Elektronikindustrie- Leiterplatten- Batteriegehäuse- Trafobleche- Bildröhren Anlagen- und Apparatebau- Dichtschweißnähte an Gehäusen- Messsonden Medizintechnik- Herzschrittmachergehäuse- Hüftgelenkprothesen
• Laserstrahlstrahlschweißen – Arbeitsschutz Laser zum Schweißen fallen aufgrund ihrer Ausgangsleistung Grundsätzlich in die Schutzklasse 4 Die …. Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Beim Einsatz dieser Laserstrahlung besteht Brand- oder Explosionsgefahr. (DIN EN 60825-1) Unfallverhütungsvorschrift „Laserstrahlung“ (BGV B2): „Laserschweißanlagen sollen in geschlossenen Räumen betrieben werden, der unbefugte Zutritt ist durch geeignete Maßnahmen zu verhindern, bzw. bei Betreten ist der Laser abzuschalten. Personen, die sich zu Einricht- und Wartungsarbeiten im Laserbereich aufhalten, sind durch persönliche Schutzausrüstung (insbesondere Laserschutzbrillen nach DIN EN 207 zu schützen und besonders zu unterweisen“
• Elektronenstrahlschweißen – Erzeugung eines Elektronenstrahls Heizen der Wolframkathode durch Widerstandserwärmung Anlegen der Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Anode und der Steuerspannung zwischen Kathode und Steuerelektrode Erzeugung des Elektronenstrahles durch Reduzierung der Steuerspannung
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• Elektronenstrahlschweißen – Strahlerzeuger beheitze Wolframkathode Weyneltzylinder Anode Druckdrossel Strahlrohrventil Stigmator Magnetlinse Ablenksystem Elektronenstrahl Werkstück
• Elektronenstrahlschweißen – Kriterien für die Anwendung hohe Schweißnaht Reproduzierbarkeit qualitativ hochwertige Schweißverbindungen Schweißen oxidschichtbehafteter Werkstoffe (Mg, Al) Werkstoffkombinationen Dickblechapplikationen Präzisionsschweißen (Rundnähten) Schweißen reaktiver Werkstoffe (Titan, Niob)
• Elektronenstrahlschweißen – Schweißen im Hochvakuum Wanddicken bis zu 300 mm bei Längen zu Breiten Verhältnissen von bis zu 50:1 aus niedrig- und hochlegierten Werkstoffen in einer Lage und ohne Zusatzwerkstoffschnell und präzise gefügt werden Im Vergleich zum Schutzgas-Engspaltschweißen kann die Fertigungszeit um einen Faktor von ca. 20 bis 50 reduziert werden
• Elektronenstrahlschweißen – Nutzung der schnellen Strahlablenkung Durch die Möglichkeit, den Elektronenstrahl elektromagnetisch abzulenken, ist eine hochfrequente Steuerung möglich: Mehrkapillartechnik, auch Strahlsprung- oder Mehrstrahltechnik Schweißen paralleler Nähte Wärmeeinbringung.
• Elektronenstrahlschweißen – Nahtformen für das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum Figure 13 Üblicherweise wird beim Elektronenstrahlschweißen das Werkstück bewegt, während der Strahl stationär in horizontaler oder vertikaler Position auf das Werkstück gerichtet bleibt. Je nach Steuerungsmöglichkeiten des Verfahrtisches sind wie bei konventionellen Schweißverfahren verschiedenste Schweißpositionen möglich. Die zu bevorzugende Nahtform für das Elektronenstrahlschweißen ist die I-Naht. Häufig werden Zentrierungen und Bearbeitungszugaben vorgesehen. Bei Axialnähten sollten Übermaßpassungen (Presssitze) als Nahtvorbereitung gewählt werden, da die bei Schweißbeginn einsetzend Querschrumpfung zu einer erheblichen Vergrößerung des Schweißspaltes im gegenüberliegenden Fugenbereich führen kann. In einigen Fällen können auch T-Stöße geschweißt werden, wobei der T-Stoß mit I-Naht nur dann gewählt werden kann, wenn die Festigkeitsanforderungen an die Verbindung gering sind
• Elektronenstrahlschweißen – Nahtformen für das Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre Figure 14 Durch den sich an der Atmosphäre stark aufweitenden Strahl müssen beim Atmosphären-Elektronenstrahlschweißen (Non-Vacuum-Electron-Beam-Welding, NV-EBW) einige Besonderheiten hinsichtlich der Nahtgestaltung beachtet werden.
• Elektronenstrahlschweißen – Vergleich: Schweißen im Vakuum vs Athmosphäre Vakuum großer Blechdickenbereich (0,1 mm bis 300 mm) sehr schmale Nähte (t:b = 50:1) geringe Gesamtwärmeeinbringung ins Werkstück => geringer Verzug=> auch fertig bearbeitete Bauteile können geschweißt werden sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich kein Schutzgas erforderlich hoher Prozess- und Anlagenwirkungsgrad werkstoffbedingt oft einzige mögliche Schweißmethode an Atmosphäre sehr hohe Schweißgeschwindigkeit gute Spaltüberbrückbarkeit keine Reflektionsprobleme bei der Energieeinkopplung ins Werkstück
• Elektronenstrahlschweißen – Einsatzgebiete des Elektronenstrahlschweißens Industriezweige Automobilbau Luft- und Raumfahrt Maschinenbau Werkzeugbau Nukleartechnik Kraftwerksbau Feinwerktechnik und Elektroindustrie Lohnschweißunternehmen (job shop) Werkstoffe nahezu alle Stähle Aluminium und Aluminiumlegierungen Magnesiumlegierungen Kupfer und Kupferlegierungen Titan Wolfram Gold Werkstoffkombinationen (z.B. Cu - Stahl, Bronze - Stahl) elektrisch leitfähige Keramiken
• Elektronenstrahlschweißen – Arbeitsschutz Schutz vor Röntgenstrahlung: Geräte unterliegen bei Überschreiten bestimmter Grenzwerte der Röntgenverordnung-Benennung von Strahlenschutzbeauftragten Anlagen gegen das Austreten von Röntgenstrahlung geschützt, z.B. bei Hochspannungsanlagen durch Auskleiden mit Blei.Sie gelten dann (bei Erfüllung weiterer Sicherheitsauflagen) als Vollschutzgeräte.-Keine über die in einer Arbeitsumgebung üblichen Massnahmen hinausgehendenSchutzmaßnahmen erforderlich
• Laserstrahlschweißen – Kriterien für die Auswahl einer Optik zum Laserstrahlschweißen Lasertyp- Transmissive Optik (Festkörperlasern)- Reflektive Optik (CO2-Laser) Notwendiger Arbeitsabstand- Zugänglichkeit zur Naht==> Brennweite Notwendiger Fokusdurchmesser- Überschreitung Kritische Strahlintensität- Verfügbare Laserleistung- Erreichte Strahlqualität==> Brennweite Die Brennweite wird nach zwei Gesichtspunkten ausgewählt. Sie muss zum einen lang genug sein, um die Optik so weit entfernt von der Schweißstelle führen zu können, dass keine Kollisionen mit dem Bauteil auftreten, und Verfügbaren Strahlqualität und Laserleistung der notwendige Fokusdurchmesser zur Überschreitung der kritischen Strahlintensität ergibt. Brennweite und Fokusdurchmesser sind über die Strahlqualität physikalisch miteinander verknüpft was die Berechnung der Brennweite für einen gewünschten Fokusdurchmesser aus der Strahlqualität ermöglicht.
• Laserstrahlschweißen – Charakterisierung eines Laserstrahles Strahqualität ergibt sich aus  StrahparameterproduktSPP = rF * .5 * θF = .4 * dF * ΘF Beugungsmaßzahl M2M2 = SPP * π / λ = .4 * dF * ΘF * π / λ  K-ZahlK= 1/M2 =λ / (SPP * π) = 4 * λ /  ( dF * ΘF * π ) Der ideale Laserstrahl ist parallel und weist eine Leistungsverteilung über den Querschnitt auf, die der Gaußverteilung entspricht Die Fokussierbarkeit eines solchen idealen Strahles ist dann nur noch von der Wellenlänge abhängig. Reale Laserstrahlen weisen dagegen ein gewisses Maß an Divergenz, das heißt Aufweitung, auf, ihre Leistungsverteilung weicht wegen unvermeidbarer Toleranzen im Strahlerzeuger ebenfalls von der idealen Gaußverteilung ab, was Einfluss auf die Fokussierbarkeit hat und über Leistungsverteilung und minimalen Durchmesser im Arbeitspunkt die Schweißeigenschaften verändert. Um die Qualität oder Güte eines Laserstrahles vergleichen zu können, werden das Strahlparameterprodukt SPP, die Beugungszahl M² sowie die K-Zahl durch Vermessung des fokussierten Rohstrahles ermittelt und berechnet. Dabei bezeichnen M² = 1 und K = 1 den idealen Strahl, wobei mit der Vergrößerung von M² bzw. der Verkleinerung von K die Strahlqualität und damit die Fokussierbarkeit abnehmen.
• Laserstrahlschweißen – Remote Schweißen Laserstrahlschweißen kann im Karosseriebereich als Wettbewerb zum Widerstandpunktschweißen gesehen werden. Hier werden dann meist mehr oder weniger große „punktförmige“ Konturen als I-Naht am Überlappstoß geschweißt. Als Vorteil: gegenüber dem Widerstandspunktschweißen sind vor allem die nur einseitig notwendige Zugänglichkeit zur Schweißstelle (die den Vorrichtungsbau vereinfacht) kleinere notwendige Flanschbreiten zu nennen, die eine Gewichtsreduzierung der fertigen Karosserie ermöglichen. Bei konventionellen Anlagenaufbauten würden die kleinen Konturen mit häufigen Richtungswechseln, bei denen die schwere Schweißoptik in der Schweißgeschwindigkeit der Nahtkontur folgend mit bewegt werden muss, zu hohen Querbeschleunigungen der Schweißköpfe führen, die die Führungsmaschinen mechanisch hoch belasten. Dieses schränkt die möglichen Schweißgeschwindigkeiten stark ein. Das Remoteschweißen löst das Problem, indem die Bewegungen zur Erzeugung der Nahtkontur selbst und das Verfahren von einer Schweißstelle zur nächsten voneinander entkoppelt werden.
• Laserstrahlschweißen – Prinzip Remote Schweißen Innerhalb des Bearbeitungskopfes befinden sich ein um zwei Achsen drehbarer Spiegel sowie eine verfahrbare Fokussieroptik. Mit Hilfe dieser Elemente kann der Fokuspunkt des Laserstrahles auf begrenztem Raum unter dem Bearbeitungskopf in drei Raumachsen verfahren werden. Da die bewegten Massen klein sind, kann dieses sehr schnell erfolgen. So können die „punktförmigen“ Konturen auch mit sehr hohen lasertypischen Schweißgeschwindigkeiten abgefahren werden. Um ausreichenden Bearbeitungsabstand zu gewährleisten werden für die Fokussieroptiken große Brennweiten benötigt. Um bei langen Brennweiten ausreichend kleine Fokusdurchmesser zum Tiefschweißen erreichen zu können werden Strahlerzeuger benötigt, die gute Strahlqualität liefern, z.B. Faserlaser.
• Laserstrahlschweißen – Verwendung von Zusatzwerkstoff 2 Methode:  Kaltdrahtzufuhr Heißdrahtzufuhr Reines Laserstrahlschweißen hat den prinzipiellen Nachteil ohne Zusatzwerkstoff auskommen zu müssen. Die Folge ist die Notwendigkeit, Fugenvorbereitungen ohne Spalte verwenden zu müssen, da fehlendes Material nicht aufgefüllt werden kann. Diese sind in der Regel spanend herzustellen, was sie vergleichsweise teuer macht. Ebenfalls unmöglich ist die metallurgische Beeinflussung des Schweißgutes über einen Zusatzwerkstoff. Durch Zuführen eines Drahtes in die Prozesszone, wo dieser vom Strahl aufgeschmolzen wird, lassen sich diese prinzipiellen Nachteile reduzieren. Die Energie, welche für das Aufschmelzen des Drahtes benötigt wird, steht dann allerdings nicht mehr für das Aufschmelzen von Grundwerkstoff zur Verfügung. Bei gleicher Laserleistung verringern sich daher die mögliche Schweißgeschwindigkeit und/oder die mögliche Einschweißtiefe.
• Laserstrahlschweißen – Verwendung von Zusatzwerkstoff 2 Methode:  Kaltdrahtzufuhr Heißdrahtzufuhr Reines Laserstrahlschweißen hat den prinzipiellen Nachteil ohne Zusatzwerkstoff auskommen zu müssen. Die Folge ist die Notwendigkeit, Fugenvorbereitungen ohne Spalte verwenden zu müssen, da fehlendes Material nicht aufgefüllt werden kann. Diese sind in der Regel spanend herzustellen, was sie vergleichsweise teuer macht. Ebenfalls unmöglich ist die metallurgische Beeinflussung des Schweißgutes über einen Zusatzwerkstoff. Durch Zuführen eines Drahtes in die Prozesszone, wo dieser vom Strahl aufgeschmolzen wird, lassen sich diese prinzipiellen Nachteile reduzieren. Die Energie, welche für das Aufschmelzen des Drahtes benötigt wird, steht dann allerdings nicht mehr für das Aufschmelzen von Grundwerkstoff zur Verfügung. Bei gleicher Laserleistung verringern sich daher die mögliche Schweißgeschwindigkeit und/oder die mögliche Einschweißtiefe. Um möglichst wenig der (teuren) Strahlenergie für das Aufschmelzen des Drahtes verwenden zu müssen, kann dieser durch Widerstandserwärmung mit elektrischem Strom (preiswert!) bei Spannungen, bei denen noch kein Lichtbogen brennt, vorgewärmt werden. Mit Hilfe dieser als Heißdrahtzufuhr bezeichneten Variante sind im Vergleich zur als Kaltdrahtzufuhr bezeichneten stromlosen Zuführung Erhöhungen der Abschmelzleistung, der Schweißgeschwindigkeit und der Einschweißtiefe möglich.
• Laserstrahlschweißen – Vorteil von Verwendung von Zusatzwerkstoff Beeinflussung der mechanisch-technologischen Eigenschaften in Naht- und Schmelz-zone (z.B. Festigkeit, Zähigkeit, Korrosion, Verschleißwiderstand) über die metallurgische Zusammensetzung des Zusatzdrahtes Verringerung der Anforderung an die Genauigkeit der Nahtvorbereitung bzgl. Kantenver-satz, Kantenvorbereitung und Strahlversatz aufgrund breiterer Schmelzbäder "Auffüllen" von nichtidealen, z.B. V-förmigen Fugengeometrien Erzielung einer definierten Nahtüberwölbung auf der Strahlein- und Austrittsseite
• Laserstrahlschweißen – Vorteil von Verwendung von Zusatzwerkstoff Beeinflussung der mechanisch-technologischen Eigenschaften in Naht- und Schmelz-zone (z.B. Festigkeit, Zähigkeit, Korrosion, Verschleißwiderstand) über die metallurgische Zusammensetzung des Zusatzdrahtes Verringerung der Anforderung an die Genauigkeit der Nahtvorbereitung bzgl. Kantenver-satz, Kantenvorbereitung und Strahlversatz aufgrund breiterer Schmelzbäder "Auffüllen" von nichtidealen, z.B. V-förmigen Fugengeometrien (Erhöhung der Spaltüberbrückbarkeit) Erzielung einer definierten Nahtüberwölbung auf der Strahlein- und Austrittsseite
• Laserstrahlschweißen – Laser-MSG-Hybrid-Schweißen MSG preiswerte, konventionelle Energiequelle gezielte Beeinflussung der Wärmeführung Zugabe von Zusatzwerkstoff- Spaltüberbrückbarkeit- Metallurgische Gefügebeeinflussung Laser Hohe Schweißgeschwindigkeit Hohe Einschweißtiefe Tiefe, schmale Naht Geringe thermische Belastung Hybridprozess (Figure 15) Prozessstabilisierung durch Wechselwirkungen zwischen den Prozessen- Vergleich zum reinen MSG-Prozess kaum anhaftende Schweißspritzer auf. Steigerung des thermischen Wirkungsgrades Erweiterte Schweißmöglichkeiten
• Laser-MIG-Hybrid-Schweißen Vorteile in der Paneelherstellung Gesteigerte Schweißgeschwindigkeit Geringerer Verzug geringerer Aufwand für Richtarbeiten Kürzere Durchlaufzeit Geringere Materialmengen in den Produktionsanlagen Geringere Summe gebundenen Kapitals Geringerer Platzbedarf Kürzere Feedbackzeit
• Hybrid-Schweißen AH36 (Stahl), Nullspalt, T-Stoß Der obere Nahtbereich und die Oberraupe sind MSG-dominiert, wohingegen der untere Teil und die Wurzel durch den Laserstrahlschweißprozess dominiert werden Die hohe Einschweißtiefe (durch den Laser) ermöglicht bei dieser Verfahrensvariante z.B.auch den Vollanschluss beim einseitigen Schweißen eines T-Stoßes (Gurtbreite 6 mm) bzw. beim beidseitigen Schweißen eines T-Stoßes (Gurtbreite 12,3 mm).

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