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Laserauftragsschweißen - Ein handwerkliches Verfahren

Mit diesem Erfahrungsbericht eines Lohnbearbeiters aus einer langjährigen Praxis heraus, wird das Laserauftragsschweißen einmal so dargestellt, wie es ein Werkzeugmacher bzw. ein Außenstehender leicht verstehen kann. Auf physikalische Zusammenhänge wurde bewusst verzichtet. Allerdings muss zur Abgrenzung darauf hingewiesen werden, das es sich bei dem angesprochenen Laser um einen gepulsten Nd:YAG-Laser handelt.

Beschrieben werden die Vorteile des Verfahrens, die sich bei der Handhabung des Lasers als Werkzeug ergeben. Alle bislang in Aufsätzen aufgeführten Vorteile beschreiben fast immer nur die Ergebnisse, die sich durch die Bearbeitung ergeben, z.B. kleine Wärmeeinflußzone oder nahezu verzugsfreies Schweißen.

Rückblick

Das Auftragsschweißen oder auch Reparaturschweißen an Spritz- und Druckguss-Werkzeugen ist mittlerweile ein anerkanntes Verfahren. Die Anfänge hierzu liegen allerdings noch gar nicht so lange zurück. Als die LMB im Jahre 1993 mit dieser Anwendung startete, gab es nur wenige Betriebe, die sich mit dieser Schweißtechnik beschäftigten. Somit lagen fast keine zugänglichen Erfahrungswerte vor. Auch Veröffentlichungen waren zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt. Demzufolge gab es jede Menge Vorbehalte gegen dieses Verfahren. Außerdem wurde der Einsatz des Lasers als handwerkliches Werkzeug so gut wie nicht angesprochen. Galt und gilt doch der Laser auch heute noch als das Instrument, dass sich sehr gut in eine automatisierte Produktion einbauen läßt. Für den handwerklichen Einsatz schien der Laser nicht geeignet

Von den Einsatzbereichen her wurde der Laser immer als ein hochtechnisches System dargestellt, das außer im Labor nur im industriellen Bereich eingesetzt wird. Außerdem erschien der Laser und sein Einsatz so kompliziert, daß ihn nur Ingenieure oder Physiker richtig bedienen konnten.

Die Wandlung

Trotz der Vorbehalte gab es bereits schon vor mehr als 10 Jahren Laserhersteller wie z.B. Haas Laser, die sich intensiv mit dem handwerklichen Einsatz des Lasers auseinander setzten. Seinen ersten Durchbruch im handwerklichen Bereich erlangte der Laser beim Einsatz im Dentallabor. Hier kommt es auch heute noch darauf an, kleine und feine Schweißungen ohne Verzug am Werkstück durchzuführen. Da aber der Zahnersatz nicht in großen Stückzahlen hergestellt, sondern immer individuell angepasst wird, ergab sich zwangsläufig, daß die Hand des Schweißers als Manipulator beim Laserschweißen eingesetzt werden musste. Mittlerweile sind im Dentalbereich viele hundert Laser mit Erfolg im Einsatz und haben somit zur Verbreitung im handwerklichen Bereich maßgeblich beigetragen.

Eigene erste Schweißversuche

Begonnen hat das Auftragsschweißen im Hause LMB mehr zufällig. Im Zusammenhang mit dem Austesten von Software wurde 1993 ein Haas Laser beschafft. Durch Kontakte im näheren Umfeld ergaben sich sehr rasch die ersten Anfragen, ob nicht mal eben das eine oder andere kleine Werkzeug geschweißt werden könnte.

Aber schon nach den ersten Schweißungen war deutlich zu erkennen, daß die vorhandenen physikalischen Grundkenntnisse über den Laser keineswegs ausreichten, um eine gute Schweißung zu erstellen. Notwendig waren vielmehr Erfahrungen im Bereich der Schweißtechnik und des Werkzeugbaus. Denn es zeigte sich, daß man die Sprache der Werkzeugbauer verstehen und sprechen musste, um die Aufgabenstellungen schnell und richtig erfassen zu können. Dank bestehender Kontakte zu den ersten Anwendern auf diesem Gebiet konnten Mitarbeiter gewonnen werden, die bereits über Erfahrungen beim Laserauftragschweißen verfügten.

Gestartet wurde das Auftragsschweißen mit einem selbst erstellten Bearbeitungssystem, daß im Laufe der Zeit mehr und mehr an die Aufgabenstellung angepasst wurde.

Die präzise Schweißung

Immer wieder wird darauf hingewiesen, daß der Laser sehr fein und präzise schweißt. Um dies jedoch ohne viele Fehlversuche erreichen zu können, bedarf es einer besonderen Eigenschaft des Werkzeuges, die es in dieser Form bei anderen Schweißverfahren nicht gibt. Es handelt sich hier um die Tatsache, daß der Bediener durch das Werkzeug hindurchsehen kann und somit in der Lage ist, genau festzulegen, wo der Laserstrahl auftreffen soll. Zur Beobachtung wird dazu ein Stereomikroskop in den Strahlengang eingeblendet, ohne daß der eigentliche Laserstrahl davon beeinflusst wird. Mit einem integrierten Fadenkreuz, vergleichbar wie bei einem Zielfernrohr, kann der Laserstrahl vor der Bearbeitung exakt ausgerichtet werden. Zusätzlich wird der Bearbeitungsbereich über das eingesetztes Mikroskop noch vergrößert, so daß auch kleine Konturen im Bereich von einem Zehntelmillimeter gut erkennbar sind.

Diese Einrichtung dient aber nicht nur zu einer genauen Justierung, sondern gibt auch die Möglichkeit einer sofortigen optischen Kontrolle noch während der Schweißung.

Schweißnahtüberwachung

Durch die direkte Beobachtung an der Oberfläche einer Schweißung kann eine erste Aussage über die Güte der Schweißung gemacht werden. Wie es in der Tiefe hinsichtlich Lunker oder Poren aussieht , kann so natürlich nicht festgestellt werden.

Aber auch diese Beobachtung lässt sich nur mit einem kleinen Trick erreichen. Wie bei jedem anderen Schweißverfahren, so entsteht auch beim Laserschweißen eine helle Fackel über der Schweißstelle. Bei einer ständigen Beobachtung würde das Auge geblendet und nach kurzer Zeit könnte der Bediener nichts mehr erkennen. Um dieses helle Licht auszublenden, ist im sichtbaren Strahlengang eine kleine Klappe, der so genannte Blendschutz, eingebaut, der während des kurzen Schweißvorganges ( Zeit zwischen 1 - 20 ms ) die helle störende Strahlung ausblendet. Die Unterbrechung erfolgt so schnell, daß der Bediener sie nicht bemerkt und scheinbar immer die Schweißnaht Punkt für Punkt ohne Probleme verfolgen kann.

Neben der optischen Kontrolle gibt es aber für den erfahrenen Schweißer noch ein anderes Merkmal, das mit zu einer Beurteilung herangezogen wird. Eingefleischte QS-Fachleute werden hier sicher lächeln. Aber der erfahrene Bediener setzt zusätzlich auch noch sein Gehör ein, um vom Klang her eine Aussage hinsichtlich der Schweißqualität zu treffen. Da jeder einzelne Schweißpuls ein individuelles Geräusch auslöst, ist dies für den Geübten ein Beurteilungskriterium. Ausgehend von der max. Pulsfrequenz, die bei ca. 10 Hz liegt, lassen sich mitunter von Puls zu Puls akustische Unterschiede heraushören.

Der Bediener

Bislang wird und wurde beim Laserauftragsschweißen fast immer nur vom Laser gesprochen. Genauso wichtig ist aber der Bediener. Beide zusammen, Laser und Bediener, müssen ein gutes Team bilden. Auch der beste Laser kann in der Hand eines Ungeübten keine guten Resultate erzielen, was umgekehrt auch gilt. Nur eine langjährige Erfahrung und ein ständiges Üben ergeben eine gleichbleibende Qualität auf hohem Niveau

Dabei bedarf es seitens des Bedieners einer ständigen hohen Konzentration, um die Arbeiten durchzuführen, denn folgende Tätigkeiten sind gleichzeitig und gefühlvoll aufeinander abgestimmt notwendig:

• Beobachtung durch ein Stereomikroskop
• Halten und Zuführen des Schweißdrahtes mit der einen Hand in der richtigen Position, Abweichungen von einem Zehntel Millimeter sind schon kritisch. Eine automatische Drahtzufuhr ist in den meisten Fällen nicht praktikabel.
• Halten und Führen der kleineren Werkstücke oder Bedienung einer Tastatur mit der anderen Hand, um eine Bewegungseinrichtung in vier Achsen zu steuern
• Auslösen des Laserpulses mit einem Fuß über einen Fußschalter

Zusätzlich dazu müssen an einem komplexen Werkstück die Parameter geändert werden. Dies können sein :

• Pulshöhe, um die Schweißtiefe zu beeinflussen
• Pulsdauer, um das Schweißvolumen zu vergrößern
• Fokusdurchmesser, um die Intensitätsverteilung im Schweißpunkt zu verändern
• Lage der Schutzgasdüse mit Durchflussmenge

Leider sind die genannten Parameter nicht voneinander entkoppelt, sondern beeinflussen sich gegenseitig. Zwei zusätzliche Parameter ergeben sich noch aus den unterschiedlichen Dicken und Zusammensetzungen der Drähte.

Auch die Arbeitshaltung des Bedieners am Gerät kann nicht immer als ideal betrachtet werden. Es kommt vor, daß auf Grund der Größe und des Gewichtes des Werkstückes keine Kippung im Teil erfolgen kann. In diesem Falle wird, um z.B. in eine Vertiefung zu gelangen, die Optik mit dem Stereomikroskop gekippt. Der Bediener muß in diesem Falle mit einer schiefen Kopfhaltung die Schweißungen durchführen.

Gefahren für den Bediener

Zunächst ist es notwendig, daß besonders bei schweren Werkstücken eine Absicherung erfolgt, so daß ein Abrutschen vom Tisch nicht möglich ist.

Bei der Beobachtung durch das Stereomikroskop sind die Augen des Bedieners durch einen Filter geschützt. Will er jedoch die Schweißung direkt beobachten, muß er eine Schutzbrille aufsetzen.

In der Regel erwärmen sich nur kleinere Werkstücke so sehr, daß sie nur mit einem Handschuh gehalten werden können. Meistens wird jedoch ohne Handschuhe gearbeitet.

Da bei Beobachtung über das Mikroskop sofort ersichtlich ist, wenn sich ein Teil der Hand im Strahlengang befindet, ist die Gefahr eines direkten Beschusses mit dem Laserstrahl sehr gering. Sollte dies dennoch einmal erfolgen, dann muß das Auftreffen in oder nahe der Fokussierungsebene erfolgen, um zu einer kleinen Verbrennung zu führen, anderenfalls wird die Haut nur erwärmt. Mögliche kleine Verletzungen, die in der Praxis selten auftreten, verheilen normalerweise ohne Probleme.

Was kann alles bei der LMB geschweißt werden

Wie für andere Schweißverfahren so gilt auch für das Laserschweißen, nur die Werkstoffe können geschweißt werden, die einen gewissen Grad an Schweißbarkeit besitzen. Sicher können mit dem Laser einige Grenzen der Schweißbarkeit verschoben werden, aber zaubern kann er auch nicht. In der Mehrheit werden Spritz-und Druckgußwerkzeuge, aber auch Schneidwerkzeuge, bis zu einem Gewicht von 30 kg geschweißt. Werkzeuge bis 100 kg sind seltener. Aber auch größere Werkzeuge bis zu einem Gewicht von ca. 1.000 kg sind im Hause schon geschweißt worden.

Zusammenfassung

Noch sind nicht alle Anwendungsmöglichkeiten beim Laserauftragsschweißen erschlossen. Aber schon heute muß sich ein Lohnbearbeiter Gedanken über die Zukunft machen, denn mehr und mehr wird diese Schweißtechnik direkt in die Betriebe wandern. Für den Lohnbetrieb verbleiben dann die Sonderlösungen hinsichtlich Material, Größe und Gewicht der Werkzeuge.