Was ist Konduktionsschweißen und Keyhole-Schweißen?

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

Laserschweißmodi

Laserschweißen ermöglicht das sehr präzise Fügen von Metallen. Ein fokussierter Laserstrahl schmilzt und verbindet Metalloberflächen. Dafür gibt es zwei Hauptverfahren: das Wärmeleitungsschweißen und das Tiefschweißen. Jedes Verfahren beeinflusst das Aussehen der Schweißnaht und ihre Tiefe.

Wärmeleitungsschweißen

Das Wärmeleitungsschweißen ist gut für glatte und flache Schweißnähte geeignet. Der Laser erhitzt die Oberfläche 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 wird.

Hier ist eine Tabelle, die Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen vergleicht:

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

Tiefschweißen

Beim Tiefschweißen wird wesentlich mehr Energie eingesetzt. Der Laser ist so stark, dass er ein kleines Loch im Metall erzeugt. Dies ermöglicht tiefe und schmale Schweißnähte. Geeignet für dickere Metalle 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.

Modusübergang

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:

• Leistungsdichte beeinflusst die Eindringtiefe des Lasers.
• Strahldurchmesser verändert die Energieverteilung.
• Scangeschwindigkeit verändert die Geschwindigkeit der Wärmebewegung.
• Rückstoßdruck drückt das geschmolzene Metall weg und hilft bei der Bildung des Keyholes.
• Schmelzflussdynamik hilft, die Form des Lochs und der Schweißnaht zu bestimmen.
• Keyhole-Stabilität hängt von der Lochgröße und der Laserstabilität ab.

Sie können diese Einstellungen 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 zum Verbinden von Metallen. Der Laser erhitzt die Oberfläche 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 1370°C (2500°F).
• Die meisten Schmelzbäder erreichen etwa 1090°C (2000°F).
• Die Temperatur ändert sich mit Metall und Lasereinstellungen.

Sie können die Tiefe und Breite der Schweißnaht ändern. Dies geschieht durch Änderung der Laserleistung und der Einwirkdauer. 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 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

Man sieht, dass das Wärmeleitungsschweißen eine flache Schweißnaht erzeugt. Die Schweißnaht ist normalerweise breiter als tief. Dies hilft, ein Durchbrennen von dünnem Metall zu vermeiden.

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	Häufige Anwendungen
Kohlenstoffstahl	Bis zu 2mm	1000W	Automobil, Bauwesen
Bis zu 8mm	2000W	Automobil, 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, Transport
Bis zu 3.5mm	2000W	Luft- und Raumfahrt, Transport
Bis zu 5mm	3000W	Luft- und Raumfahrt, Transport
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 Tabelle für Laserleistungseinstellungen für verschiedene Metalle und Dicken einsehen:

Anwendungen

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

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

Wärmeleitungsschweißen wird häufig für Kupfer und Aluminium verwendet. Diese Metalle werden in der Elektronik eingesetzt, da sie Elektrizität gut leiten. Man findet Wärmeleitungsschweißen auch in der Luft- und Raumfahrt, bei medizinischen Geräten und in der Lebensmittelverarbeitung. Dünne Bleche können schnell und mit geringem Verzug gefügt werden.

Vor- und Nachteile

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

Aspekt	Wärmeleitungsschweißen	Tiefschweißen
Schweißnahtdurchdringung	Typischerweise breiter als tief, gesteuert durch Pulsdauer	Tiefere Durchdringung
Wärmeeintragsregelung	Präzise Kontrolle des Wärmeeintrags, minimiert Verzug	Weniger Kontrolle über den Wärmeeintrag
Qualität der Schweißnaht	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 steuern. Das bedeutet weniger Verzug und eine besser aussehende Schweißnaht. Der Prozess senkt das Risiko von Gasblasen und anderen Problemen. Zusätzliche Nacharbeiten sind oft nicht erforderlich. Die Schweißnähte sehen glatt und sauber aus.

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

Doch für dickes Metall ist das Wärmeleitschweißen nicht gut geeignet. Die Schweißnaht dringt nicht tief ein. Wenn Sie eine starke, tiefe Schweißnaht benötigen, verwenden Sie stattdessen das Tiefschweißen.

Details zum Tiefschweißen

So funktioniert es

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 im Metall, das als Keyhole (Schlüsselloch) bezeichnet wird. Das Keyhole ermöglicht es der Laserenergie, tief in das Material einzudringen. Sie erhalten eine Schweißnaht, die viel tiefer als breit ist.

• Die Temperatur nahe der Keyhole-Wand kann etwa 3000 K (ca. 4920°F) erreichen. Manchmal übersteigt sie sogar den 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 die Keyhole-Bildung und die Schweißtiefe.

Der Dampfhohlraum, oder Keyhole, ist das Geheimnis der tiefen Eindringung. Die Laserenergie trifft zuerst auf die Vorderwand des Keyholes. Dies lässt das Metall schnell schmelzen und verdampfen. 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.

Wichtige 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 innerhalb des Keyholes beeinflussen seine 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.

Es können Probleme auftreten, wenn das Keyhole nicht stabil ist. Wenn das Keyhole wackelt oder 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 Hochleistungslaserschweißen. 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 Blasen bilden lassen, aber Stickstoff hilft, 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 Belastungen standhalten müssen.

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

Hier sind einige gängige Anwendungen für das Tiefschweißen:

Sektor	Beschreibung der Anwendung
Medizinprodukte	Wird für Implantate und chirurgische Instrumente verwendet. Es hält die Wärme niedrig, um das Metall zu schützen.
Energie	Wird in Pipelines und Kraftwerken eingesetzt. Es schafft starke Verbindungen für unter Druck stehende Systeme.
Elektronik	Wird für kleine Teile und Dichtungen verwendet. Es minimiert Hitzeschäden und erzeugt luftdichte Verbindungen.

Das Tiefschweißen findet man auch in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau und im Automobilbau. Es hilft, 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 Eindringung 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 flacher, horizontaler oder vertikaler Steigposition verwenden.
• Der Prozess reagiert empfindlich auf Änderungen der Einstellungen.
• Für beste Ergebnisse benötigen Sie automatisierte Ausrüstung.
• Wenn das Keyhole nicht stabil ist, können Poren entstehen, die die Schweißnaht schwächen.

Vergleich

Prozessunterschiede

Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen funktionieren auf unterschiedliche Weise. Das Wärmeleitschweißen erhitzt nur die Oberfläche des Metalls. Der Laser schmilzt eine dünne Schicht, sodass die Schweißnaht flach ist. Das Tiefschweißen verbraucht viel mehr Energie. Der Laser schmilzt das Metall und verwandelt es in Dampf. Dadurch entsteht ein tiefes Loch, das als Keyhole bezeichnet wird. Das Keyhole ermöglicht es Ihnen, tiefer in das Metall zu schweißen.

Hier ist eine Tabelle, die zeigt, wie sich die Schweißraupenformen und Eindringprofile unterscheiden:

Schweißmethode	Schweißraupenform	Eindringprofil
Tiefschweißen	Schmal, hohes Seitenverhältnis	Tiefer, zylindrischer Hohlraum
Wärmeleitschweißen	Breitere Schweißraupen	Geringe Eindringtiefe

Schweißgeschwindigkeiten und Schweißtiefe sind ebenfalls unterschiedlich:

Schweißmodus	Eindringtiefe	Schweißgeschwindigkeit
Wärmeleitungsmodus	Flach	Niedriger
Tiefschweißmodus	Tief	Höher

Ergebnisse und Anwendungen

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

• Beim Wärmeleitschweißen erhitzt der Laser die Oberfläche, bringt sie aber nicht zum Kochen. Die Schweißnaht ist flach.
• Beim Tiefschweißen kocht der Laser das Metall. Dadurch bildet sich 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	Batterieverbindungen, dicke Teile, Produktionslinien

Eine Methode wählen

Sie sollten einige Dinge berücksichtigen, bevor Sie eine Schweißmethode wählen. Die Metalldicke ist wichtig. Wärmeleitschweißen ist am besten für Bleche unter 1 mm Dicke geeignet. Tiefschweißen funktioniert besser für Bleche über 3 mm Dicke. Auch die Art der Fugenausführung ist wichtig. Wärmeleitschweißen ist gut für Überlapp- oder Stumpfnähte mit kleinen Spalten. Tiefschweißen kann größere Spalten oder komplizierte Formen bewältigen.

Faktor	Wärmeleitschweißen	Tiefschweißen
Metalldicke	Am besten für Bleche unter 1 mm	Geeignet für Bleche dicker als 3 mm
Fugenform	Funktioniert gut mit kleinen Spalten	Besser für große Spalten oder komplexe Designs
Anwendungsanforderungen	Geringer Verzug, glatte Oberfläche	Starke, tiefe Schweißnähte für hochbelastete Aufgaben
Oberflächenbedingungen	Verzeihend bei Unregelmäßigkeiten	Empfindlich gegenüber Verunreinigungen und Unregelmäßigkeiten

Beide Methoden erfordern eine gute Passgenauigkeit und Fugenvorbereitung. Besonders bei Stumpfnähten müssen Sie sehr sorgfältig mit der Positionierung sein. Wärmeleitschweißen ist ideal für kleine, empfindliche Teile und wenn Sie geringe Hitzeschäden wünschen. Tiefschweißen ist am besten für tiefe, starke Schweißnähte. Wählen Sie immer die Methode, die zu Ihrem Projekt passt.

Sie verstehen nun, wie sich Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen unterscheiden. Die folgende Tabelle erklärt, was bei jeder Methode passiert:

Schweißmodus	Laserleistungsschwelle	Resultierender Effekt
Wärmeleitschweißen	0,5 MW/cm2	Weniger tiefe Schweißnähte, aber breitere Form
Tiefschweißen	1,5 MW/cm2	Tiefere Schweißnähte, aber schmaler

Verwenden Sie Wärmeleitschweißen, wenn Sie dünne Werkstücke haben oder winzige Teile verbinden müssen, wie in der Elektronik oder bei medizinischen Instrumenten. Wählen Sie Tiefschweißen für dicke, starke Metalle, wie in Autos oder Flugzeugen.