Was ist Konduktionsschweißen und Keyhole-Schweißen?

Beim Wärmeleitungsschweißen schmilzt ein Laser die Oberfläche des Metalls, um eine flache, breite Schweißnaht zu erzeugen. Das Tiefschweißen hingegen verwendet Laser mit höherer Energie, um tiefe, schmale Schweißnähte durch das Erzeugen winziger Löcher im Metall zu schaffen. Beide Methoden fallen unter die Kategorie des Laserschweißens, das in der Luft- und Raumfahrt, Medizin, Energiewirtschaft und in industriellen Anwendungen weit verbreitet ist und vielen Branchen hilft, Metalle zu verbinden. Sie werden auch in der Elektronik- und Halbleiterfertigung eingesetzt.

Laserschweißmodi

Mit dem Laserschweißen können Metalle sehr präzise verbunden werden. Ein fokussierter Laserstrahl schmilzt und verbindet Metalloberflächen. Dafür gibt es zwei Hauptmethoden: das Wärmeleitungsschweißen und das Tiefschweißen. Jede Methode beeinflusst das Aussehen der Schweißnaht und ihre Tiefe.

Wärmeleitungsschweißen

Das Wärmeleitungsschweißen eignet sich gut für glatte und flache Schweißnähte. Der Laser erwärmt die Oberseite des Metalls. Die Wärme breitet sich durch das Metall aus. Dadurch entsteht eine breite, aber nicht sehr tiefe Schweißnaht. Es wird typischerweise zum Schweißen dünner Teile oder Werkstücke verwendet, bei denen eine ästhetisch ansprechende Schweißnaht gewünscht ist.

Hier ist eine Tabelle, die das Wärmeleitungsschweißen und das Tiefschweißen vergleicht:

Schweißmodus	Energiedichte (MW/cm²)	Eigenschaften
Wärmeleitungsschweißen	~0.5	Flache und breite Schweißnaht, Wärmeausbreitung durch Leitung, gut für ästhetisch ansprechende Schweißnähte.

Tiefschweißen

Das Tiefschweißen verbraucht viel mehr Energie. Der Laser ist so stark, dass er ein kleines Loch im Metall erzeugt. Das hilft, tiefe und schmale Schweißnähte zu erzeugen. Es ist geeignet für dickes Metall oder Situationen, die eine starke Schweißnaht erfordern.

Tiefschweißen:

Schweißmodus	Energiedichte (MW/cm²)	Eigenschaften
Tiefschweißen	>1.5	Tiefe und schmale Schweißnähte, schnelles Schweißen, erzeugt ein Keyhole für bessere Lasernutzung.

Wie sich die Modi ändern

Sie können vom Wärmeleitungsschweißen zum Tiefschweißen wechseln, indem Sie die Lasereinstellungen ändern. Der Übergang erfolgt nicht an einem exakten Punkt. Er hängt von vielen Faktoren ab:

• Die Leistungsdichte beeinflusst die Eindringtiefe des Lasers.
• Der Strahldurchmesser ändert, wie sich die Energie ausbreitet.
• Die Scangeschwindigkeit ändert, wie schnell sich die Wärme bewegt.
• Der Rückstoßdruck drückt das geschmolzene Metall und hilft, das Keyhole zu bilden.
• Die Schmelzflussdynamik hilft, das Loch und die Schweißnaht zu formen.
• Die Keyhole-Stabilität hängt von der Lochgröße und der Gleichmäßigkeit des Lasers ab.

Sie können diese Dinge ändern, um die gewünschte Schweißnaht zu erhalten. Das Laserschweißen ermöglicht es Ihnen, den besten Weg für Ihr Projekt zu wählen.

Details zum Wärmeleitungsschweißen

Funktionsweise

Das Wärmeleitungsschweißen verwendet einen Laser, um Metalle zu verbinden. Der Laser erwärmt die Oberseite des Metalls. Die Wärme dringt in das Metall ein. Nur eine dünne Schicht schmilzt. Das Schmelzbad wird sehr heiß, nahe am Schmelzpunkt. Zum Beispiel:

• Kohlenstoffstähle schmelzen bei etwa 2500°F.
• Die meisten Schmelzbäder erreichen etwa 2000°F.
• Die Temperatur ändert sich mit dem Metall und den Lasereinstellungen.

Sie können die Tiefe und Breite der Schweißnaht ändern. Dies geschieht, indem Sie die Laserleistung und die Dauer der Anwendung ändern. Sie verwenden weniger Leistung als beim Tiefschweißen. Der Laser dringt nicht durch das Metall. Er erzeugt eine glatte und flache Schweißnaht.

Eigenschaften

Das Wärmeleitungsschweißen erzeugt eine Schweißnaht, die breiter als tief ist. Die Schweißraupe sieht glatt und flach aus. Dieser Typ ist gut für dünne Materialien oder ästhetisch ansprechende Schweißnähte. Hier ist eine Tabelle mit der Schweißtiefe und -breite für Edelstahl:

Schweißtiefe (mm)	Schweißbreite (mm)
0.25	0.1
0.33	0.115
0.194	0.09
Durchschnittliche Tiefe	0.2 - 0.3
Minimale Breite	< 0.075

Sie sehen, dass das Wärmeleitungsschweißen eine flache Schweißnaht erzeugt. Die Schweißnaht ist normalerweise breiter als tief. Dies hilft Ihnen, dünnes Metall nicht zu durchbrennen.

Sie können verschiedene Laser und Leistungen für verschiedene Metalle und Dicken wählen. Hier ist eine Tabelle, die Ihnen bei der Auswahl hilft:

Material	Dickenbereich	Empfohlene Laserleistung	Gängige Anwendungen
Kohlenstoffstahl	Bis zu 2mm	1000W	Automobilbau, Bauwesen
Bis zu 8mm	2000W	Automobilbau, Bauwesen
Edelstahl	Bis zu 2mm	1000W	Lebensmittelverarbeitung, Medizinprodukte
Bis zu 5mm	1500W	Lebensmittelverarbeitung, Medizinprodukte
Bis zu 8mm	2000W	Lebensmittelverarbeitung, Medizinprodukte
Aluminium	Bis zu 2mm	1000W bis 1500W	Luft- und Raumfahrt, Transportwesen
Bis zu 3.5mm	2000W	Luft- und Raumfahrt, Transportwesen
Bis zu 5mm	3000W	Luft- und Raumfahrt, Transportwesen
Kupfer	Bis zu 1mm	1000W	Elektrik, Sanitär
Bis zu 3mm	2000W	Elektrik, Sanitär
Titan	Bis zu 2mm	1000W	Luft- und Raumfahrt, Medizin
Bis zu 5mm	2000W	Luft- und Raumfahrt, Medizin
Dünne Materialien	0.3mm bis 1mm	300W bis 1000W	Allgemeines Schweißen
1mm bis 2mm	1000W	Allgemeines Schweißen
Mittlere Dicke	2mm bis 5mm	1000W bis 1500W	Allgemeines Schweißen
Dicke Materialien	5mm bis 8mm	2000W bis 3000W	Allgemeines Schweißen
Über 8mm	Fortgeschrittene Techniken	Allgemeines Schweißen

Sie können auch eine Grafik für Lasereinstellungen für verschiedene Metalle und Dicken ansehen:

Anwendungen

Das Wärmeleitungsschweißen wird in vielen Branchen eingesetzt. Es eignet sich am besten für dünne Teile und wenn ein schönes Finish gewünscht wird. Hier sind einige gängige Anwendungen:

Anwendungsbereich	Beschreibung
Verbinden dünner Materialien	Wird zum Fügen von Blechen mit geringer Materialstärke verwendet, gewährleistet schnelles und verzugsarmes Schweißen.
Gerätegehäuse	Ecknähte an sichtbaren Oberflächen von Gerätegehäusen, bietet ästhetische und funktionale Vorteile.
Elektronik	Anwendungen in der Elektronik, wo glatte, porenfreie Nähte unerlässlich sind.

Sie verwenden Wärmeleitungsschweißen oft für Kupfer und Aluminium. Diese Metalle werden in der Elektronik verwendet, da sie Elektrizität gut leiten. Sie sehen Wärmeleitungsschweißen auch in der Luft- und Raumfahrt, bei medizinischen Geräten und in der Lebensmittelverarbeitung. Sie können dünne Bleche schnell und mit geringer Verformung verbinden.

Vor- und Nachteile

Das Wärmeleitungsschweißen hat viele Vorteile, aber auch einige Grenzen. Hier ist ein kurzer Überblick:

Aspekt	Wärmeleitungsschweißen	Tiefschweißen
Schweißtiefe	Typischerweise breiter als tief, gesteuert durch Pulsdauer	Tiefere Eindringung
Wärmeeintragskontrolle	Präzise Kontrolle des Wärmeeintrags, minimiert Verzug	Weniger Kontrolle über den Wärmeeintrag
Schweißqualität	Verbessert die Gesamtqualität und reduziert Fehler	Höheres Fehlerrisiko
Prozesstyp	Verwendet gepulstes Laserschweißen für kontrolliertes Schmelzen	Kontinuierlicher Wellenlaser für tiefe Schweißnähte

Sie können die Wärme sehr gut kontrollieren. Das bedeutet weniger Verzug und eine besser aussehende Schweißnaht. Der Prozess reduziert die Wahrscheinlichkeit von Gasblasen und anderen Problemen. Sie benötigen oft keine zusätzliche Nachbearbeitung. Die Schweißnähte sehen glatt und sauber aus.

• Sie können die Schweißnahtform gut kontrollieren.
• Sie können dünne und empfindliche Teile verbinden.
• Sie reduzieren die Wahrscheinlichkeit von Problemen wie Blasen oder Rissen.
• Sie sparen Zeit bei der Nachbearbeitung.

Für dickes Metall ist das Wärmeleitschweißen jedoch nicht gut geeignet. Die Schweißnaht geht nicht tief. Wenn Sie eine starke, tiefe Schweißnaht benötigen, verwenden Sie stattdessen das Tiefschweißen.

Details zum Tiefschweißen

Funktionsweise

Das Tiefschweißen verwendet einen leistungsstarken Laser, um Metall zu schmelzen und zu verdampfen. Der Laserstrahl konzentriert sich auf einen kleinen Punkt. Dadurch entsteht ein winziges Loch, ein sogenanntes Keyhole, im Metall. Das Keyhole lässt die Laserenergie tief in das Material eindringen. Sie erhalten eine Schweißnaht, die viel tiefer als breit ist.

• Die Temperatur in der Nähe der Keyhole-Wand kann etwa 3000 K (ca. 2727 °C) erreichen. Manchmal liegt sie sogar über dem Verdampfungspunkt des Metalls.
• Der Druck im Keyhole ist sehr hoch. Dieser Druck hilft, das Loch offen zu halten, während sich der Laser entlang der Naht bewegt.
• Die Laserleistung und die Geschwindigkeit, mit der Sie den Laser bewegen, beeinflussen beide, wie sich das Keyhole bildet und wie tief die Schweißnaht reicht.

Der Dampfhohlraum oder das Keyhole ist das Geheimnis der tiefen Penetration. Die Laserenergie trifft zuerst auf die Vorderwand des Keyholes. Dadurch schmilzt das Metall und verdampft schnell. Das geschmolzene Metall fließt aufgrund der Oberflächenspannung um das Keyhole herum. Die Größe des Keyholes ändert sich, wenn der Druck im Inneren steigt und fällt.

Wichtigste Erkenntnisse	Beschreibung
Keyhole-Bildung	Die Tiefe des Keyholes hängt davon ab, wie viel Laserenergie auf die Vorderwand trifft.
Dynamik des Schmelzbades	Die Oberflächenspannung bewegt das geschmolzene Metall um das Keyhole herum.
Druck und Energie	Druckänderungen im Keyhole beeinflussen dessen Größe und die Schweißqualität.

Eigenschaften

Das Tiefschweißen erzeugt eine tiefe und schmale Schweißnaht. Das Seitenverhältnis, das die Tiefe im Vergleich zur Breite angibt, liegt normalerweise zwischen 0,5 und 2,5. Dies hängt davon ab, wie schnell Sie den Laser bewegen und wie viel Leistung Sie verwenden.

• Sie können dicke Materialien schweißen, manchmal bis zu 25 mm.
• Die Schweißnaht ist schmal und dringt tief in das Metall ein.
• Sie erhalten starke Verbindungen, die viel Belastung standhalten können.

Bei instabilem Keyhole können Probleme auftreten. Wenn das Keyhole wackelt oder sich zu schnell schließt, können Gasblasen eingeschlossen werden. Diese Blasen werden zu Poren, winzigen Löchern in der Schweißnaht. Poren können die Schweißnaht schwächen.

• Porosität ist ein großes Problem beim Hochleistungslaserstrahlschweißen. Sie kann die Festigkeit der Schweißnaht verringern.
• Wenn das Keyhole nicht stabil ist, können mehr Poren entstehen.
• Die Art des Schutzgases ist wichtig. Argon kann die Blasenbildung fördern, Stickstoff hilft jedoch, das Keyhole stabil zu halten und Poren zu reduzieren.

Anwendungen

Das Tiefschweißen kann für viele Aufgaben eingesetzt werden, die starke, tiefe Schweißnähte erfordern. Diese Methode eignet sich am besten für dicke Metalle und Teile, die starker Belastung standhalten müssen.

Materialart	Dickenbereich
Edelstahl	Bis zu 12 mm
Titanlegierungen	Bis zu 16 mm

Hier sind einige gängige Anwendungen für das Tiefschweißen:

Sektor	Anwendungsbeschreibung
Medizinische Geräte	Wird für implantierbare Geräte und chirurgische Instrumente verwendet. Es hält die Wärme niedrig, um das Metall zu schützen.
Energie	Wird in Pipelines und Kraftwerken verwendet. Es erzeugt starke Verbindungen für unter Druck stehende Systeme.
Elektronik	Wird für kleine Teile und Dichtungen verwendet. Es reduziert Hitzeschäden und erzeugt luftdichte Verbindungen.

Das Tiefschweißen findet sich auch in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau und in der Automobilindustrie. Es hilft Ihnen, dicke Platten zu verbinden und Teile herzustellen, die lange halten müssen.

Vor- und Nachteile

Das Tiefschweißen bietet viele Vorteile, aber Sie sollten die Risiken kennen.

Vorteile:

• Sie können dicke Materialien mit tiefer Penetration schweißen.
• Die Schweißnähte sind stark und schmal.
• Sie können diese Methode für hochfeste und strukturelle Teile verwenden.
• Der Prozess eignet sich gut für automatisierte Systeme.

Nachteile:

• Sie können es nur in flachen, horizontalen oder vertikalen Aufwärtspositionen verwenden.
• Der Prozess ist empfindlich gegenüber Einstellungsänderungen.
• Für beste Ergebnisse benötigen Sie automatisierte Geräte.
• Wenn das Keyhole nicht stabil ist, können Poren entstehen, die die Schweißnaht schwächen.

Vergleich

Prozessunterschiede

Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen funktionieren unterschiedlich. Beim Wärmeleitschweißen wird nur die Oberfläche des Metalls erhitzt. Der Laser schmilzt eine dünne Schicht, sodass die Schweißnaht flach ist. Das Tiefschweißen verwendet viel mehr Energie. Der Laser schmilzt das Metall und verwandelt es in Dampf. Dadurch entsteht ein tiefes Loch, das Keyhole genannt wird. Das Keyhole ermöglicht ein tieferes Schweißen in das Metall.

Hier ist eine Tabelle, die zeigt, wie sich die Formen der Schweißraupen und die Penetrationsprofile unterscheiden:

Schweißmethode	Form der Schweißraupe	Penetrationsprofil
Tiefschweißen	Schmal, hohes Aspektverhältnis	Tiefe, zylindrische Kavität
Wärmeleitschweißen	Breitere Schweißraupen	Flache Penetration

Schweißgeschwindigkeiten und Schweißtiefen unterscheiden sich ebenfalls:

Schweißmodus	Penetrationstiefe	Schweißgeschwindigkeit
Wärmeleitungsmodus	Flach	Niedriger
Tiefschweißmodus	Tief	Höher

Ergebnisse und Anwendungen

Beim Wärmeleitschweißen entsteht eine runde Schweißraupe. Es eignet sich am besten für dünne Metalle und kleine Teile. Sie erhalten ein glattes Aussehen und weniger Verbiegungen. Das Tiefschweißen erzeugt eine tiefe, schmale Schweißnaht. Diese Schweißnähte sind stark und können viel Kraft aushalten.

• Beim Wärmeleitschweißen erwärmt der Laser die Oberfläche, bringt sie aber nicht zum Kochen. Die Schweißnaht ist flach.
• Beim Tiefschweißen bringt der Laser das Metall zum Kochen. Dadurch entsteht ein Keyhole und eine tiefere Schweißnaht.
• Tiefschweißnähte können fast fünfmal stärker sein als Wärmeleitschweißnähte.
• Eine Tiefschweißnaht kann eine Zugfestigkeit von 187,86 MPa erreichen und sich um 24,76 % dehnen.

In Autofabriken werden beim Wärmeleitschweißen Oberflächen mit geringer Tiefe verbunden. Das Tiefschweißen wird in Produktionslinien eingesetzt, z. B. bei der Herstellung von Batterieverbindungen für Elektroautos.

Schweißart	Eigenschaften	Typische Anwendungsfälle
Wärmeleitschweißen	Verbindet Materialien an der Oberfläche; schonendere Methode	Oberflächenverbindungen, dünne Teile
Tiefschweißen	Dringt tief ein; schnellere Methode	Batterieanschlüsse, dicke Teile, Produktionslinien

Methode auswählen

Sie sollten einige Dinge bedenken, bevor Sie eine Schweißmethode auswählen. Die Metalldicke ist wichtig. Wärmeleitschweißen ist am besten für Platten unter 1 mm Dicke geeignet. Tiefschweißen funktioniert besser für Platten über 3 mm Dicke. Die Art der Fugenkonstruktion ist ebenfalls wichtig. Wärmeleitschweißen ist gut für Überlapp- oder Stumpfstöße mit kleinen Spalten. Tiefschweißen kann größere Spalten oder komplizierte Formen bewältigen.

Faktor	Wärmeleitschweißen	Tiefschweißen
Metalldicke	Am besten für Platten unter 1 mm	Geeignet für Platten über 3 mm Dicke
Fugenkonstruktion	Funktioniert gut mit kleinen Spalten