Kombi-Verfahren bietet Kostenvorteile

Dipl.-Ing. Gerd Trommer ist Fachjournalist in Gernsheim

Das Laser-Hybrid-Schweißverfahren hat, technisch betrachtet, zwei Eltern: das Laser- und das Lichtbogen-Metallschutzgas-Schweißen (MSG). In der Automobilfertigung setzt sich der junge Sproß erfolgreich durch. „Laser-Hybrid ist für uns und die Phaeton-Türen die beste Lösung“, sagt Dr. Thomas Graf, Leiter des Aluminium-Leichtbauzentrums der VW AG in Wolfsburg. Doch nicht nur Großunternehmen können das Innovationspotenzial des Verfahrens nutzen. Es bietet sich auch für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) an.

Während die Automobilhersteller das Verfahren stark im Karosserie- und Türbau anwenden, steht für Zulieferer der mögliche Einsatz in der Fertigung von Einzelteilen oder Systemkomponenten im Vordergrund. Große Chancen sehen Experten in der Blechverarbeitung: Behälter für Flüssigkeiten, Druckbehälter, Filter oder Armaturen werden von Herstellern in unterschiedlichen Branchen wie Heizung, Sanitär, Hydraulik und Pneumatik benötigt. Dietrich Aldinger, Geschäftsführer der gleichnamigen GmbH in Nagold, hat sich eine Laser-Hybrid-Anlage zugelegt: „Damit können wir in komplexen Edelstahlgehäusen Nähte schweißen, die mit dem Laser allein nicht realisierbar sind. Generell sinkt der Aufwand für die Nahtvorbereitung.“

Da Laser-Hybrid die Vorteile des Lasers und des Lichtbogens kombiniert und gleichzeitig deren Nachteile eliminiert, eignet es sich bei vielerlei Aufgaben besser als eines seiner technischen Elternteile. Einerseits erschließt es neue Anwendungen, die aus den Synergieeffekten entstehen, andererseits substituiert es Anwendungen, die bisher jeweils einem der beiden Elternteile zugeordnet waren. „Mit der Kombination der beiden Fügeverfahren erweitern wir die Grenzen herkömmlicher thermischer Fügeverfahren hinsichtlich Produktivität, Wirtschaftlichkeit, Nahtqualität und Prozess-Sicherheit“, betont Stephan Helten. Er ist im Aluminium-Leichtbauzentrum der Audi AG in Neckarsulm zuständig für Lasertechnik und war gemeinsam mit Fronius projektverantwortlich an der Entwicklung des Hybrid-Schweißverfahrens für das neue Topmodell A8 beteiligt.

Für die Synergieeffekte stehen eine optimierte Nahtgeometrie, bessere metallurgische Nahteigenschaften, hohe Nahtfestigkeit und -zähigkeit, gesteigerte Prozessstabilität und ein größeres Anwendungsspektrum. Im Vergleich zum Laserschweißen lassen sich die maximale Laserleistung und damit die Investitionskosten wesentlich reduzieren und die Nahtvolumina vergrößern. Gegenüber dem MSG-Schweißen bieten der konzentrierte Wärmeeintrag mit hoher Schweißtiefe und -geschwindigkeit, das bessere Ausfließen der Nahtflanken sowie die niedrigeren Fertigungszeiten und -kosten deutliche Vorteile. Der geringe Wärmeeintrag und Verzug sparen ebenfalls Kosten, weil Nacharbeit nahezu entfällt. Die höhere Dauerschwingfestigkeit wirkt sich nicht nur konstruktiv, sondern auch unter den späteren Betriebsbedingungen positiv aus.

Ein gravierendes Argument für den klassisch flexiblen Mittelständler liefert die Anlagentechnik: Das Hybridsystem erlaubt maßgeschneiderte Kombinationen von Laser und Lichtbogen zwischen 0 und 100 %. Demnach kann der Nutzer die Anlage auch als reines Lichtbogen- oder Laser-Schweißsystem betreiben. An einem Bauteil lassen sich in einer Aufspannung und mit geringen Umstellzeiten Laser-Hybrid-, Laser- und Lichtbogen-Nähte erzeugen.

Das Spektrum der Nähte und Werkstoffe ist breit: Bördel-, I-, Kehl-, Stich- sowie Überlappnähte sind in niedrig legierten Stählen ebenso möglich wie in hochlegierten oder in Aluminium und dessen Legierungen. Grenzen setzen eher die Spaltüberbrückbarkeit und die Werkstücktoleranzen. Sie liegen deutlich über denen beim Laserschweißen, jedoch unterhalb derer bei reinen MSG-Prozessen. Derzeit zählen das mechanisierte Handling und die vom Laserschweißen kommenden Sicherheitsbestimmungen noch zu den zu beachtenden Einflussgrößen. Diesen technischen Voraussetzungen stehen jedoch erhebliche technische, qualitative und wirtschaftliche Vorteile gegenüber.

Bei der Frage nach der Wirtschaftlichkeit zählt die Quantität zu den wichtigsten Faktoren. Sind beispielsweise 500 000 m Nahtlänge/a zu schweißen, schafft das eine Laser-Hybrid-Anlage bei 4 m/min Schweißgeschwindigkeit im Zweischichtbetrieb an 200 Arbeitstagen. Für die identische Leistung wären bei 1 m/min vier MSG-Anlagen erforderlich, ohne die Rüst- und Leerlaufzeiten zu berücksichtigen.

Die höhere Grundinvestition in die Laser-Hybrid-Anlage wird sehr schnell vom Platzbedarf und dem Personalaufwand kompensiert. Für die Gebäude- und Personalkosten gilt in diesem Beispiel etwa der Faktor 4. Hinzu kommen niedrigere Verbrauchskosten: Der Verbrauch an Zusatzwerkstoff beträgt lediglich die Hälfte, und der Gasverbrauch sinkt aufgrund der schmaleren Naht, der kleinere Gasdüsendurchmesser und der höheren Schweißgeschwindigkeit auf ein Zwölftel.

Geringer Wärmeeintrag und Verzug reduzieren Nacharbeit

In einem Forschungsprojekt zum Metallschutzgas-Laser-Hybrid-Verfahren, das die Carl Cloos Schweißtechnik GmbH, Haiger, gemeinsam mit der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt (SLV), Halle, durchführte, wurde speziell die Möglichkeit einer robotergestützten Anwendung berücksichtigt. Als Kernpunkte der Entwicklung wurden die einfache Schnittstelle zwischen den Systemkomponenten, eine anwenderfreundliche Bedienoberfläche und ein modular aufgebauter Laser-Hybrid-Schweißkopf mit frei programmierbarer externer Achse realisiert.

Durch Integration der externen Achse in die Bahnsteuerung des Roboters sind die zu fügenden Teile gut zugänglich. Der Einsatz diodengepumpter Nd:YAG-Laser, die sich durch hohe Strahlqualität auszeichnen, optimiert den Prozess weiter. Im Bereich der Dünnblechverarbeitung resultiert hieraus eine erhöhte Schweißgeschwindigkeit, bei größeren Blechdicken eine gesteigerte Einschweißtiefe. Durch die hohe Strahlqualität sollen sich die erforderlichen Laserleistung und somit die Investkosten deutlich reduzieren lassen.