Manuelles Laserstrahlschweissen

Nichtrostende Stähle mit grosser Materialdicke

Text und Bilder: Eros Togni Metalcostruzioni SA

Die Weiterentwicklung von Fügeverfahren trägt wesentlich zur Effizienz- und Qualitätssteigerung im Metallbau bei. In diesem Umfeld verbindet Eros Togni Metalcostruzioni SA traditionelles handwerkliches Know-how mit modernen Fertigungstechnologien.
Kürzlich hat das Unternehmen eine der ersten Verfahrensqualifikationen für nichtrostende Stähle mit grosser Materialdicke gemäss ISO 15614-11:2025 erfolgreich erlangt. Damit wurde ein Verfahren qualifiziert: das manuelle Laserstrahlschweissen (HLBW), das bis vor wenigen Jahren vorwiegend auf dünne Bleche oder Mikroschweissanwendungen beschränkt war.
Die folgende Analyse beleuchtet die technischen, metallurgischen und konstruktiven Auswirkungen des manuellen Laserstrahlschweissens bei grösseren Materialdicken sowie dessen Unterschiede zu konventionellen Lichtbogenverfahren wie MIG/MAG und TIG.

Physik und Prozesskinematik des manuellen Laserstrahlschweissens

Die HLBW-Technologie (Hand Laser Beam Welding) basiert auf Faserlaserquellen mit hoher Leistungsdichte. Im Gegensatz zu Lichtbogenprozessen konzentriert der Laser die Energie auf einen Spot von Bruchteilen eines Millimeters. Dadurch entsteht der sogenannte Keyhole-Effekt, bei dem ein Dampfkapillar in das Material eindringt.
Die in den Qualifikationsprüfungen ermittelte Wärmeeinbringung lag durchschnittlich bei rund 50 J/mm und damit deutlich unter typischen TIG-Werten von 300–800 J/mm bei vergleichbaren Materialdicken. Dadurch reduzieren sich Wärmeeinflusszone (WEZ), Eigenspannungen und thermische Verformungen deutlich.

Metallurgische Analyse: Feinkörniges Gefüge und Zähigkeit

Ein wesentlicher Befund der Laborprüfungen betrifft die hohe Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbads. Aufgrund der hohen Vorschubgeschwindigkeit und des geringen Schmelzvolumens entsteht ein steiler thermischer Gradient, der das Kornwachstum reduziert und ein feinkörnigeres Gefüge begünstigt.
Daraus ergeben sich mehrere Vorteile:
1. Verbesserte mechanische Eigenschaften durch feinere Gefügestrukturen.
2. Höhere Zähigkeit und geringeres Risiko von Versprödung, insbesondere bei strukturellen Anwendungen.
3. Verbesserte Korrosionsbeständigkeit, da die Verweilzeit im kritischen Temperaturbereich für Chromkarbidausscheidungen reduziert wird.

Normative Anforderungen: ISO 15614-11:2025

Die Qualifikation von Schweissanweisungen für das manuelle Laserstrahlschweissen orientiert sich an ISO 15614-11:2025. Im Vergleich zu klassischen Lichtbogenverfahren definiert die Norm spezifischere und teilweise engere Geltungsbereiche.
Ein wesentlicher Unterschied ist der reduzierte Qualifikationsbereich. Änderungen von Parametern wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Modulationsfrequenz oder Fugengeometrie können bereits eine neue WPQR erforderlich machen. Dies erhöht die Anforderungen an Prozessplanung, Wiederholbarkeit und Qualitätssicherung.   

 

«Die Ergebnisse der Verfahrensqualifikation zeigen, dass sich manuelle Laserschweissverfahren heute auch für anspruchsvollere Anwendungen mit grösseren Materialdicken eignen.»  

 

Operative Herausforderungen und Werkstattbedingungen

Trotz der technischen Vorteile erfordert das manuelle Laserschweissen grosser Wandstärken eine präzise Prozessführung. Dies sind die Gründe dafür:

Fügetoleranzen (Fit-up)
Der fokussierte Laserstrahl reagiert empfindlich auf Spalte und Fugenöffnungen. Während MIG-Prozesse grössere Spalte überbrücken können, verlangt das Laserschweissen eine präzisere Nahtvorbereitung. Durch Strahloszillation («Wobbling») können jedoch auch kleinere Spalte prozesssicher beherrscht werden.

Spann- und Fixiersysteme
Bereits geringe thermische Verformungen können die Schweissbahn beeinflussen. Starre Spannvorrichtungen verbessern daher die Prozessstabilität, wobei in vielen Fällen auch konventionelle Werkstattspannmittel ausreichen.

Schutzgasführung
Eine stabile und laminare Schutzgasführung ist entscheidend, um Oxidation und Porenbildung zu vermeiden. Die Vorgehensweise ähnelt dabei stark dem TIG-Schweissen.

 

Design for Laser Welding

Die HLBW-Technologie ermöglicht neue konstruktive Ansätze bei grossen Wandstärken. Im klassischen Stahlbau basiert die Dimensionierung von Kehlnähten hauptsächlich auf dem äusseren A-Mass (Abbildung 1), während der Einbrand oft nur begrenzt berücksichtigt wird.
Bei den durchgeführten Tests wurden Einbrandtiefen von bis zu 5 mm in einem Durchgang erreicht (Abbildung2). Dadurch ergeben sich konstruktive Vorteile:
• Reduzierung des Platzbedarfs:
Es ist möglich, das externe A-Mass bei gleichbleibender mechanischer Festigkeit zu verringern, was die Montage in engen Bauräumen begünstigt.
• Effizienz von T-Stössen:
Wie durch Makroschliffe (Abbildung 3, Makro T-Stoss) belegt, kann eine vollständige Durchschweissung des vertikalen Querschnitts durch zwei seitliche Schweissgänge (einen pro Seite) erreicht werden. Dies garantiert eine totale strukturelle Kontinuität, die bei Lichtbogenverfahren aufwendige und zeitintensive Fasen (V- oder HV-Vorbereitungen) erfordern würde.

 

Anwendungsmöglichkeiten

Architektur in nichtrostendem Stahl:
Das Laserschweissen ermöglicht hochwertige sichtbare Oberflächen mit reduziertem Schleif-, Satinier- und Beizaufwand. Gleichzeitig fallen wärmebedingte Verfärbungen deutlich geringer aus.

Metallbau und Maschinenbau:
Die reduzierte Wärmeeinbringung minimiert Verformungen und reduziert den Bedarf an nachträglichen Richtarbeiten. Dadurch lassen sich präzise vorgefertigte Komponenten effizient herstellen und montieren.

Lebensmittel- und Pharmabereich:
Die glatten Oberflächen und die geringe Oxidation verbessern Reinigbarkeit und Korrosionsbeständigkeit – wichtige Anforderungen für hygienische Anwendungen und CIP-Prozesse.

Transportwesen und Bahnbereich:
Die reduzierte Wärmeeinbringung und die kontrollierten Eigenspannungen wirken sich positiv auf Ermüdungsbeständigkeit und Langzeitverhalten tragender Komponenten aus.

Fokus auf nichtrostenden Stahl:
Gerade bei nichtrostenden Stählen zeigt die Lasertechnologie besondere Vorteile:
• reduzierte Chromkarbidausscheidung
• geringere Anlauffarben und Nachbehandlung
• bessere Formstabilität
• geringerer Bedarf an Warmrichtprozessen

 

Eros Togni Metalcostruzioni SA - Innovation im Metallbau

Mit der Qualifikation des manuellen Laserstrahlschweissens erweitert Eros Togni Metalcostruzioni SA sein technologisches Spektrum im Bereich anspruchsvoller Metallbaukonstruktionen.
Im Fokus stehen:
• innovative Fertigungsprozesse
• hohe mechanische und optische Qualität
• reduzierte Nachbearbeitung
• normgerechte und zertifizierte Fertigungslösungen

Schlussfolgerungen

Das manuelle Laserstrahlschweissen (HLBW) stellt eine bedeutende Weiterentwicklung moderner Fügetechnologien im Metallbau dar. Die Kombination aus geringer Wärmeeinbringung, hoher Prozessgeschwindigkeit und reduziertem Verzug eröffnet insbesondere bei nichtrostenden Stählen neue Möglichkeiten hinsichtlich Fertigungsqualität, Masshaltigkeit und Effizienz.
Die Ergebnisse der Verfahrensqualifikation zeigen, dass sich manuelle Laserschweissverfahren heute auch für anspruchsvollere Anwendungen mit grösseren Materialdicken eignen, sofern die Anforderungen an Nahtvorbereitung, Parametrierung und Qualitätssicherung konsequent eingehalten werden.
Das Verfahren ersetzt konventionelle Lichtbogenprozesse nicht vollständig, erweitert jedoch das technologische Spektrum moderner Metallbauunternehmen sinnvoll – insbesondere dort, wo hohe Anforderungen an Präzision, Oberflächenqualität und reduzierten Nachbearbeitungsaufwand bestehen.
Mit der Qualifikation des Verfahrens nach ISO 15614-11:2025 unterstreicht Eros Togni Metalcostruzioni SA die Ausrichtung auf innovative und qualitätsorientierte Fertigungstechnologien im Schweizer Metallbau.

Häufige Fragen zum manuellen Laserstrahlschweissen

Spart das manuelle Laserschweissen Zeit?
Ja, das Verfahren ermöglicht in vielen Anwendungen höhere Arbeitsgeschwindigkeiten als WIG- und teilweise auch MIG-Verfahren. Gleichzeitig reduzieren sich Wärmeeinbringung, Verzug und Nachbearbeitungsaufwand deutlich.

Spart die Technologie Kosten?
Langfristig ja, insbesondere bei wiederkehrenden oder präzisionsorientierten Fertigungen. Geringere Verformungen und weniger Nachbearbeitung senken die Fertigungszeiten und Gesamtkosten.

Benötigt das Verfahren spezialisiertes Personal?
Ja. Trotz der hohen Prozessstabilität erfordert das manuelle Laserschweissen qualifiziertes Fachpersonal mit Kenntnissen in Lasersicherheit, Parametrierung und Prozesskontrolle.

Welche Investitionen sind erforderlich?
Die Einführung der Technologie erfordert Investitionen in Laseranlage, Sicherheitstechnik, Schulung und Infrastruktur. Das Verfahren ergänzt konventionelle Schweissprozesse gezielt dort, wo Präzision, Oberflächenqualität und Effizienz entscheidend sind.  ■