Beim Schweißen mittels Laserstrahl sind das Reparieren und verformungsfreie Fügen die Hauptanwendungsfelder. Der gepulste Laser bietet aufgrund der hohen Energiedichte bei sehr kurzer Pulsdauer und relativ langsamer Abfolge eine Vielzahl von Vorteilen.

Laserschweissen, Reparaturschweissen und Laserauftragsschweissen

Aus eigener Erfahrung kennt jeder, der in irgendeiner Form mit der Fertigung von Bauteilen in Berührung gekommen ist, die Problematik von zu groß gewählten Toleranzen, Zerspanungswerkzeugen, die im Einsatz brechen und das fast vollendete Werkstück ruinieren, sowie Fehler durch Unaufmerksamkeiten des Programmierers oder Maschinenbedieners, die beispielsweise dafür sorgen, dass Taschen zu tief bzw. breit gefräst werden oder Fasen an Stellen auftauchen, wo sie höchst unzweckmäßig sind.

In diesem Fall wird beim Laserschweissen der Zusatzwerkstoff manuell an die entsprechende Stelle geführt und mit Hilfe des Laserstrahls kurzzeitig aufgeschmolzen, so dass dieser sich an der entsprechenden Stelle mit dem Material des Werkstücks verbindet.

Darüberhinaus zählt speziell der Bereich der Formenbauer zu den Hauptanwendern des Laserschweissens, da die Werkzeuge im Einsatz sehr hohen Belastungen ausgesetzt sind. Das Zusammenspiel von Druck, Wärme, sowie aggressiven bzw. abrasiven Füllstoffen wirkt sich besonders negativ auf Verschleiß und Standzeit aus. Aufgrund der Komplexität moderner Kunststoffteile und dem damit implizierten Zeitaufwand bei der Werkzeugerstellung ist es notwendig geworden Reparaturen nur noch partiell durchzuführen, um Nacharbeiten so gering wie möglich zu halten.      

Die Laserbearbeitung

Das Laserfügen im CW-Betrieb (Continous Wave) wird in erster Linie zum Fügen von Bauteilen eingesetzt, die mit hoher Geschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweissnahtform und geringem thermischem Verzug miteinander verschweisst werden sollen. Das Laserstrahlschweissen, auch kurz Laserschweissen genannt, wird in der Fügetechnik meist ohne Zugabe von Zusatzwerkstoffen ausgeführt.
Bei Gepulsten Lasern (zB. Nd:Yag Festkörperlaser), die häufig für Reparaturschweissungen an Werkzeugen benutzt werden, wird häufig, speziell für das Laserstrahlschweissen hergestelltes Material manuell oder automatisiert zugeführt. Ein weiterer Vorteil dieser Bauart ist, dass vereinzelte Laserschweisspunkte an Fügepartnern aufgebracht werden können.
Die Laserstrahlung wird mittels einer speziellen Optik fokussiert, wobei sich Fokussieroptiken zum Laserfügen und Laserschneiden grundsätzlich unterscheiden und nur für diesen speziellen Zweck einzusetzen sind. Die Kontaktflächen der zu verschweissenden Bauteile befindet sich in  unmittelbarer Nähe des Brennpunktes einer Linse (im Fokus). Die Lage des Fokus relativ zur Werkstückoberfläche (oberhalb oder unterhalb) ist ein wichtiger Schweissparameter und legt auch die Einschweisstiefe fest. Der Brennfleck besitzt typische Durchmesser von einigen Zehntel Millimetern, wodurch sehr hohe Energiekonzentrationen entstehen. Durch Absorption der Laserleistung erfolgt auf der Werkstückoberfläche ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über die Schmelztemperatur von Metall hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet.

Die Wärmeleitfähigkeit der Materialien beim Laserfügen ist ein wichtiger Faktor.
Je niedriger die Diffusivität, desto mehr Wärme bleibt in der nähe des Laserstrahls. Metalle mit niedrigem Siedepunkt produzieren eine große Menge an Metall Dampf, Gas und Plasma bildet sich bei hoher Strahlintensität knapp obehalb der Metalloberfläche.
Dieses Plasma, das leicht absorbiert und die Laserenergie (den Laserstrahl) blockieren kann, hierbei kann es vorkommen das sich dadurch Lunker und Blasen bilden bevor das flüssige Metall erstarrt.
Obwohl der Schmelzpunkt von Metallen keinen signifikanten Effekt auf Laserschweißbarkeit, muss es während der ersten Absorption von Energie erreicht werden. So sind niedrige Schmelzpunkt Materialien leichter, mit einem Laser als Metalle mit hohem Schmelzpunkt zu schweißen.

Laserfuegen von Metallen

Beim Laserschweissen wird zwischen Lasertiefschweissen und Wärmeleitungsschweissen unterschieden. Beide Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch die verwendeten Strahlintensitäten.
Bei hohen Strahlintensitäten im Fokus von der Verfahrgeschwindigkeit bei einer hohen Geschwindigkeit  bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare (mit Metalldampf oder teilionisiertem Metalldampf gefüllter, schlauchförmiger Hohlraum, auch ''keyhole'' genannt) in der Tiefe des Werkstückes aus. Der Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, die Schmelzzone kann tiefer als breit sein. Die Dampfkapillare erhöht aufgrund von Reflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material, wodurch ein gegenüber dem Wärmeleitungsschweissen vergrößertes Schmelzvolumen erzeugt werden kann.
Werden geringe Strahlintensitäten verwendet, liegt in der Regel Wärmeleitschweissen vor. Da Metalle für Laserstrahlen, abhängig von der eingestrahlten Wellenlänge, eine Reflektionsrate von bis zu 95 % besitzen können, reicht die Intensität nicht aus, um ein keyhole' zu erzeugen. Die Strahlung dringt nicht ein, die Wärme und somit das Schmelzbad dringen weniger tief ein, daher werden hiermit hauptsächlich geringe Materialdicken geschweisst.

Laserschweissung von Kunststoffen

Beim Laserschweissen von Kunststoffen können ausschließlich thermoplastische Kunststoffe verwendet werden, da diese eine Schmelze bilden.
Das Laserschweissen mittels Durchstrahlung von Kunststoffen findet meist im Überlappverfahren statt. Dabei werden zwei unterschiedliche Schweisspartner verwendet. Der obere ist für die verwendete Laserwellenlänge transparent. Durch diesen strahlt der Laser nahezu ungehindert hindurch. Aufgrund der Transparenz erhitzt er sich kaum. Die untere Kunststofflage muss die Strahlung absorbieren. Dazu kann zum Beispiel eine Beigabe von absorbierenden Partikeln (ca. 0,3 Gew.-% Ruß) beitragen. Dieser Stoff nimmt die Energie auf, beginnt zu schmelzen und gibt dabei die entstandene Wärme durch Wärmeleitung auch an den oberen Partner weiter. Damit der Energieübergang und ein Materialkontakt stattfindet, müssen beide Partner oft zusammengepresst werden, zumindest jedoch passgenau zueinander sein. Durch das Zusammenfließen der beiden Stoffe kann so eine Schweissnaht hergestellt werden.
Aufgrund ausreichender Strahlqualität werden für dieses Laserschweissverfahren die effizienten Diodenlaser eingesetzt ( rel. geringe Leistungen notwendig (5 bis 150 Watt).

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel WIKI/Laser aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Doppellizenz GNU-Lizenz für freie Dokumentation und Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.