Moderner Faserlaser mit abstimmbaren Strahlprofil eröffnet neue Einsatzgebiete und Integration in individuelle Produktionsprozesse

Vielseitig und schnell schweißen

Aktuelles – Fraunhofer IWS Dresden / 14. Oktober 2020

Ein neuartiger Multimode-Faserlaser ermöglicht eine individuelle Veränderung der Laserstrahlform und -geometrie innerhalb weniger Millisekunden – ohne den Einsatz zusätzlicher externer Optikelemente. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS können nun mit nur einem Lasersystem verschiedene Anwendungen vom Wärmeleitungsschweißen bis zum Tiefschweißen durchführen. Nach den intensiven Tests des Hochleistungsfaserlasers in den Dresdner Laboren sind Industriekunden aufgerufen, gemeinsam mit den Experten des Fraunhofer IWS die Vorteile des Lasers für ihre spezifischen Anwendungen zu identifizieren.

Neuer Faserlaser mit abstimmbarem Strahlprofil ermöglicht das Laserstrahlschweißen dicker und dünner Wandstärken ohne Wechsel der Schweißoptik.
© Fraunhofer IWS Dresden
Neuer Faserlaser mit abstimmbarem Strahlprofil ermöglicht das Laserstrahlschweißen dicker und dünner Wandstärken ohne Wechsel der Schweißoptik.
Flexibel einstellbare Strahlmodi: Kleiner Strahldurchmesser mit hoher Intensität, z. B. für Tiefschweißen (l.), und großer ringförmiger Laserstrahl, z. B. für Wärmeleitungsschweißen (r.).
© Fraunhofer IWS Dresden
Flexibel einstellbare Strahlmodi: Kleiner Strahldurchmesser mit hoher Intensität, z. B. für Tiefschweißen (l.), und großer ringförmiger Laserstrahl, z. B. für Wärmeleitungsschweißen (r.).

Das Technologiefeld »Fügen« am Fraunhofer IWS bietet innovative Laserstrahlschweißverfahren und -technologien. Genutzt werden sie zur Herstellung rissfreier Schweißverbindungen aus härtbaren und hochfesten Stählen, Gusseisen sowie Aluminium- und Sonderlegierungen. Das umfangreiche werkstoffwissenschaftliche Know-how, auch interdisziplinär geprägt, und moderne Laseranalagentechnik ermöglichen es den Fügeexperten kurzfristig und flexibel auf spezifische Kundenanforderungen zu reagieren. Neu im Portfolio befindet sich ein moderner Multimode-Faserlaser, der sich an die Kundenanforderungen angelehnt programmieren lässt.


Strahlmodi im Hochleistungsfaserlaser flexibel einstellen

Das Fraunhofer IWS nutzt seit kurzem einen Vier-Kilowatt-Multimode-Faserlaser mit programmierbarer Strahlqualität für die Prozessentwicklung. Im Gegensatz zu bestehenden Lösungen ermöglicht er eine reaktionsschnelle, individuelle Veränderung der Laserstrahlform und -geometrie ohne den Einsatz externer Optiken in weniger als 30 Millisekunden – sogar während des Schweißprozesses bei voller Leistung. Die Mehrheit der Faserlasersysteme am Markt ist aufgrund ihrer fest vorgegebenen Spezifikationen, z. B. Strahldurchmesser, zum Schweißen nur für eine begrenzte Auswahl an Metallen und Bauteildicken ausgelegt. Intensive Tests des neuen Faserlasers am Fraunhofer IWS zeigten, dass Nutzer mit dem flexibel einstellbaren Strahlprofil einen kleinen Strahldurchmesser mit hoher Intensität, einen großen, ringförmigen Strahl und dazwischen gestufte, flexibel abstimmbare Indizes wählen können. »Der Multimode-Faserlaser eröffnet unseren Industriekunden die Möglichkeit, mit nur einem Lasersystem verschiedene Anwendungen vom Wärmeleitungsschweißen bis zum Tiefschweißen durchzuführen. Der Einsatz einer Universaloptik bringt den bedeutenden Vorteil, sowohl dicke als auch dünne Metalle schnell und mit höchster Schweißnahtqualität zu fügen. Die Kosten, Komplexitäten und Rüstzeiten, die mit dem Einsatz externer Optiken verbunden sind und insbesondere für mittelständische Unternehmen relevante Größen darstellen, entfallen durch die neue Laserquelle«, erklärt Dr. Dirk Dittrich, Gruppenleiter für »Laserstrahlschweißen«. Gern stehen wir beratend zur Seite, um den Laser und unser Füge-Know-how in neue oder bereits bestehende Prozesse zu integrieren.«

Beispiel einer abgestimmten Strahlform des neuen Faserlasers.
© Fraunhofer IWS Dresden
Beispiel einer abgestimmten Strahlform des neuen Faserlasers.
Schweißprozess mit dem Multimode-Faserlaser. Die Laserstrahlform und -geometrie lassen sich ohne externe Optiken in weniger als 30 Millisekunden verändern – sogar während des Schweißprozesses.
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Schweißprozess mit dem Multimode-Faserlaser. Die Laserstrahlform und -geometrie lassen sich ohne externe Optiken in weniger als 30 Millisekunden verändern – sogar während des Schweißprozesses.

IWS-Forscher stehen für Praxistests und Industrieprojekte bereit

Die Arbeitsgruppe »Laserstrahlschweißen« bietet Partnern ein breites Leistungsspektrum. Es reicht von der kundenspezifischen Prozessentwicklung über die Beratung bei der Verfahrens- und Anlagenoptimierung bis zur Prozesseinführung und -überwachung. Mit dem US-amerikanischen Unternehmen nLIGHT, Hersteller des flexibel abstimmbaren Faserlasers, pflegt die Arbeitsgruppe »Laserstrahlschweißen« um Dittrich eine langjährige Partnerschaft, die maßgeblich auf dem Austausch wissenschaftlicher Erkenntnisse beruht. Die Experten des Fraunhofer IWS analysieren die von nLIGHT entwickelten Laser, erforschen geeignete Einsatzgebiete und integrieren sie in die individuellen Produktionsprozesse verschiedenster Industriekunden. Dittrich betont: »Von der Kooperation des IWS mit unterschiedlichen Laserproduzenten profitieren unsere Kunden in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, im Maschinen- und Werkzeugbau sowie in der Energie- und Umwelttechnik. Für sie entwickeln wir maßgeschneiderte Systemlösungen, die darauf abzielen, effizienter und nachhaltiger zu produzieren. Die Zusammenarbeit mit dem IWS endet jedoch nicht beim Implementieren des Lasers in die Serienfertigung. Auch darüber hinaus stehen digitale IWS-Technologien, z. B. Sensoriken und Künstliche Intelligenz, unseren Kunden zur Verfügung, um jederzeit bestmögliche Schweißergebnisse zu erzielen.«