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Die Erfindung betrifft eine stromtragfähige Schweißverbindung sowie ein Verfahren zum deren Herstellung.
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DIN EN IEC 62271 „Hochspannungs-Schaltgeräte und - Schaltanlagen“ legt fest, dass stromtragende Verbindungen für Ströme mit Stromstärken ab 50 A über ihre Lebensdauer keine Alterung zeigen dürfen, weshalb eine Ausführung als Schraub-, Niet- oder rein formschlüssige Verbindungen nicht zulässig ist. Allerdings muss bei Mittelspannungsleistungsschaltern darauf geachtet werden, dass Komponenten nicht durch übermäßige Wärme beschädigt werden; zum Beispiel können Vakuumschaltröhren ein Kunststofflager aufweisen, dessen maximale Anwendungstemperatur, z. B. 220 °C, nicht überschritten werden darf, um die Funktionsfähigkeit nicht zu beeinträchtigen. Daher scheiden Schweißverfahren wie MAG, WIG, Plasmaschweißen oder Elektrisches Schweißen mit Elektrode für die Herstellung von stromtragenden Verbindungen in vielen Fällen aus, da die Werkstücke dabei zu heiß werden (MAG = Metall-Aktiv-Gas-Schweißen; WIG = Wolfram-Inert-Gas-Schweißen). Auch andere gängige Verfahren wie Löten können wegen Temperaturrestriktionen nur eingeschränkt anwendbar sein.
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Temperaturrestriktionen und die Anforderung, einer Alterung einer stromtragenden Materialverbindung, z. B. zwischen einem Bewegt-Kontaktstab einer Vakuumschaltröhre und einem Stromband, entgegenzuwirken, können durch die Anwendung des Elektronenstrahlschweißens erfüllt werden. Andere Hersteller ziehen es vor, durch den Verguss der Verbindungsstelle mit Kunststoffen die Norm zu umgehen, indem die Verbindungsstelle messtechnisch nicht zerstörungsfrei zugänglich gestaltet wird. Beiden Methoden ist gemeinsam, dass sie sehr aufwändig und kostspielig sind, was nicht zuletzt der für sie benötigten komplexen Anlagentechnik geschuldet ist.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine stromtragende Verbindung bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Das Verfahren dient zum Herstellen einer stromtragfähigen Schweißverbindung zwischen zwei metallischen Werkstücken mittels Laserstrahlschweißens. Unter „stromtragfähig“ wird eine Schweißverbindung verstanden, welche einen Strom mit einer Stromstärke von 50 A und mehr dauerhaft leiten kann, ohne dass die Schweißverbindung aufgrund des Stromflusses über die zulässige Betriebstemperatur erwärmt wird. Das Verfahren weist einen Schritt auf, in dem Fügeflächen der Werkstücke so aneinandergelegt werden, dass sie einen eine Spalttiefe aufweisenden Fügespalt ausbilden. Das Verfahren weist außerdem einen Schritt auf, in dem ein Laserstrahl mindestens zweimal entlang dem Fügespalt geführt wird, wobei bei jeder Führung die Werkstücke durch eine jeweilige Schweißnaht verbunden werden, deren Schweißnahttiefe kleiner als die Spalttiefe ist. Dabei wird der Laserstrahl so geführt, dass mindestens zwei der Schweißnähte auf verschiedenen Niveaus in Bezug auf den Fügespalt liegen.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Verbindung gemäß Anspruch 7. Die Verbindung ist eine stromtragfähige Laserstrahl-Schweißverbindung zwischen zwei metallischen Werkstücken. Die Schweißverbindung ist durch zwei oder mehr Schweißnähte ausgebildet, die in einem eine Spalttiefe aufweisenden Fügespalt verlaufen, welcher durch aneinander liegende Fügeflächen der Werkstücke gebildet ist. Dabei weisen die zwei oder mehr Schweißnähte jeweils eine Schweißnahttiefe auf, die kleiner als die Spalttiefe ist, und mindestens zwei der Schweißnähte liegen auf verschiedenen Niveaus in Bezug auf den Fügespalt.
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Die Erfindung basiert auf einer Segmentierung einer Schweißnaht in zwei oder mehr Einzelschweißnähte, die, in Richtung der Tiefe des Fügespalts gesehen, hintereinander liegen. Anstatt zu versuchen, einen Fügespalt mit einer einzigen Schweißnaht mit einer großen Einschweißtiefe zu schließen, wird der Fügespalt mit mehreren Schweißnähten mit jeweils geringeren Einschweißtiefen geschlossen, vorzugsweise in hintereinander erfolgenden Schweißzügen. Somit kann unabhängig von einer mit einem Laserstrahl erreichbaren Einschweißtiefe ein beliebig tiefer Fügespalt geschlossen werden. Die Segmentierung führt zu einer drastischen Reduzierung der während des Verbindungsprozesses eingebrachten Wärme und damit einer Erfüllung etwaiger Temperaturrestriktionen.
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Beim Laserstrahlschweißen gibt es eine Korrelation zwischen Einschweißtiefe und dafür benötigter Laserleistung. Daher sind Einschweißtiefen von beispielsweise größer 8 mm nicht einfach realisierbar, da mit einem NIR-Laser eine sehr hohe Laserleistung im Bereich > 16 kW benötigt wird, siehe Andreas Heider: Erweitern der Prozessgrenzen beim Laserstrahlschweißen von Kupfer mit Einschweißtiefen zwischen 1 mm und 10 mm, Dissertation Universität Stuttgart 2018, in der Reihe: Prof. Dr. Thomas Graf (Hrsg.): Laser in der Materialbearbeitung - Forschungsberichte des IFSW, Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW), München: Herbert Utz Verlag 2018, ISBN 978-3-8316-4738-5. Die zum Kupferschweißen aufgrund ihrer geringen Anfälligkeit bezüglich Rückreflexen empfehlenswerten Scheibenlaser gibt es derzeit standardmäßig aber nur bis 16 kW (z. B. Laser der Trumpf GmbH & Co. KG, Ditzingen, DE), außerdem mit mit zunehmender Laserstrahlleistung abnehmender Strahlqualität (aufgeweiteter, schlecht fokussierter Strahl), was zu einem noch höherem Leistungsbedarf führt. Dies limitiert die technische Verfügbarkeit der Anlagentechnik und führt zu relativ hohen Investitionskosten.
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Die Erfindung umgeht diese Probleme, indem eine in einem Fügespalt der Tiefe x zu erzeugende Schweißnaht mit einer der Spalttiefe entsprechenden Schweißnahttiefe x in N Schweißnähte mit jeweils kleineren Schweißnahttiefen x1, x2, x3, ... < x aufgeteilt wird (ganzzahliges N >= 2). Somit kann mit einer geringeren Laserleistung gearbeitet werden als zur Herstellung der Gesamt-Schweißnahttiefe x erforderlich wäre. Dabei reduziert die geringere benötigte Laserleistung nicht nur die Investition für das Lasergerät, sondern auch von dessen Peripherie, wie z. B. Kühler, Optik, Schutzgehäuse: insgesamt ist eine weniger komplexe Anlagentechnik nötig.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind die geringe Komplexität der erforderlichen Anlagentechnik, die geringe thermische und mechanische Beanspruchung der Werkstücke während des Herstellungsprozesses, ein elektrischer Leitwert der Schweißverbindung annähernd dem der Werkstücke, eine thermische Leitfähigkeit der Schweißverbindung annähernd dem der Werkstücke und die Tatsache, dass keine aufwändige Nahtvorbereitung notwendig ist: ein technischer Nullspalt, d. h. weder Passung noch Wackeln, ist ausreichend. Die Erwärmung der Werkstücke beim Schweißen hängt von der Schweißgeometrie und der Geometrie der Werkstücke ab, sowie von der thermischen Anbindung der Werkstücke an die Aufspannungsvorrichtung. Bei typischen Werkstücken für Komponenten von Schaltanlagen wie z. B. Vakuumschaltröhren liegt der Temperaturanstieg während der Schweißung bei kleiner 100 °C, gemäß einer Abschätzung über Materialkonstanten und die typischen Schweißprozessparameter ohne Berücksichtigung von Energieverlusten während der Schweißung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegen mindestens zwei der Schweißnähte in nicht überlappenden Tiefenabschnitten des Fügespalts. Der Vorteil dabei ist, dass die Schweißnähte den Fügespalt über ihre gesamte Einschweißtiefe ausfüllen und somit die Stabilität der Verbindung zwischen den Werkstücken fördern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in den Fügespalt ein Inlay, d. h. ein metallischer Einsatz, eingelegt, welches zwei oder mehr Schweißnähte voneinander trennt. Um eine Laserschweißung in einem von einer Oberfläche der Werkstücke her gesehen relativ tiefen Niveau eines Fügespalts ausführen zu können, kann es für einen Einfall des Laserstrahl vorteilhaft sein, wenn Bereiche der Werkstücke, die im Strahlengang des Laserstrahl liegen und die der Laserstrahl zum Erreichen des Niveaus durchlaufen muss, freigeräumt werden, z. B. durch ein spanendes Verfahren entfernt werden. Nachdem die Laserschweißung in dem relativ tiefen Niveau durch Herstellen einer ersten Schweißnaht beendet ist, kann eine Ausführung einer Laserschweißung in einem weniger tiefen Niveau des Fügespalts, d.h. zur Herstellung einer zweiten Schweißnaht „oberhalb“ der ersten Schweißnaht, dadurch vereinfacht werden, dass in die freigeräumten Bereiche der Werkstücke, welche auch als Aussparungen bezeichnet werden, ein oder mehrere metallische Einsätze, sogenannte Inlays, eingesetzt werden, die korrespondierend zum Volumen der Aussparungen gestaltet sind, so dass durch ihr Einsetzen in die Aussparungen für eine Laserschweißung ausreichend schmale Fügespalte erzeugt werden, welche durch das Inlay voneinander getrennt sind.
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Die Inlays korrespondieren in bevorzugter Weise zu den Formen der Fügespalte, d. h. ein Inlay kann bei einem zirkularen Fügespalt als ein Ring und bei einem linearen Fügespalt als ein Rechteckstreifen ausgebildet sein. Dabei können die Inlays wie auch die Aussparungen der Werkstücke einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, um ihre Herstellung zu erleichtern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Schweißnähte in einem Grobvakuum erzeugt. Das Vakuum dient dazu, die Schweißnaht zu beruhigen. Auf diese Weise können hochqualitative Schweißnähte, charakterisiert durch einen annähernd homogenen Verbindungsquerschnitt, keine Poren, keine Risse und einen Widerstand < 100 µOhm erzeugt werden. Das Vakuum liegt vorteilhaft in einem Bereich von kleiner 200 mbar. Der positive Effekt des Vakuums ist umso ausgeprägter, je niedriger der Druck ist. Ein besonders vorteilhafter Kompromiss zwischen dem Aufwand zur Vakuumerzeugung und dem Schweißergebnis ergibt sich bei einem Vakuum von ca. 20 mbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl durch einen gleichzeitigen Einsatz eines Lasers im NIR-Wellenlängenbereich, insbesondere λ = 780 bis 3000 nm, und eines Lasers im grünen Wellenlängenbereich, insbesondere A = 520 bis 565 nm, erzeugt. Die Verwendung eines solchen „hybriden“ Laserstrahls beruhigt das Schmelzbad und verbessert, durch den zusätzlichen grünen Laser, die Einkopplung des Laserstrahls in den Werkstoff der Werkstücke.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestehen die zwei metallischen Werkstücke aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Dabei können beide Werkstücke aus Kupfer oder aus derselben oder unterschiedlichen Kupferlegierungen bestehen. Es ist auch möglich, dass eines der Werkstücke aus Kupfer besteht und das andere Werkstück aus einer Kupferlegierung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestehen die zwei metallischen Werkstücke aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Dabei können beide Werkstücke aus Aluminium oder aus derselben oder unterschiedlichen Aluminiumlegierungen bestehen. Es ist auch möglich, dass eines der Werkstücke aus Aluminium besteht und das andere Werkstück aus einer Aluminiumlegierung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung betreibt man Wärmemanagement, damit Temperaturrestriktionen eingehalten werden: Vorzugsweise lässt man nach dem Herstellen einer ersten Schweißnaht die Werkstücke erst ausreichend abkühlen, bevor man eine zweite Schweißnaht herstellt. Vorzugsweise unterteilt man die herzustellende Schweißverbindung in so viele kleinere Schweißnähte, dass die Werkstücke nicht überhitzen. Vorzugsweise kühlt man die Werkstücke, z. B. mit flüssigem Stickstoff.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich durch die folgende Beschreibung der Zeichnungen. Hierbei zeigen in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
- 1 einen Schnitt einer Anordnung von zwei metallischen Werkstücken;
- 2 eine Draufsicht auf die Anordnung von 1;
- 3 einen Schnitt einer herkömmlichen Schweißverbindung der zwei metallischen Werkstücke von 1;
- 4 eine Draufsicht auf die Schweißverbindung von 3;
- 5 einen Schnitt einer Schweißverbindung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
- 6 bis 10 Schnitte und Draufsichten, welche Schritte zum Herstellen einer Schweißverbindung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung illustrieren.
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1 zeigt einen Schnitt einer Anordnung von zwei metallischen Werkstücken 10, 20. Dabei ist ein als ein Stab ausgebildetes erstes Werkstück 10 in eine kreisförmige Durchgangsbohrung eines als eine Platte mit einer Dicke D ausgebildeten zweiten Werkstücks 20 eingesteckt, so dass eine Stirnfläche 100 des Stabs 10 mit einer Stirnfläche 200 der Platte 20 in einer Ebene liegt. Auf diese Weise ist zwischen den Werkstücken 10, 20 ein Fügespalt 3 ausgebildet, welcher eine Spalttiefe T3 und eine Spaltbreite B3 aufweist. In diesem Beispiel entspricht die Spalttiefe T3 des Fügespalts der Dicke D der Platte 20.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnflächen 100, 200 der in 1 gezeigten Werkstückanordnung 10, 20. Dabei ist der zwischen dem Stab 10 und der Platte 20 gebildete Fügespalt 3 mit der Spaltbreite B3 zu erkennen.
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3 und 4 zeigt einen Schnitt bzw. eine Draufsicht einer herkömmlichen Schweißverbindung, mit der die in den 1 und 2 dargestellten zwei metallischen Werkstücke 10, 20 stoffschlüssig verbunden sind. Dabei erstreckt sich die durch einen Laserstrahl erzeugte Schweißnaht 1 über die gesamte Spalttiefe T3 des Fügespalts 3. Je größer die Spalttiefe T3 des zu verschweißenden Fügespalts 3 ist, desto größer ist die dafür erforderliche Laserleistung. Relativ tiefe Fügespalts 3 sind daher mit einem Laserstrahl sehr aufwändig zu schweißen.
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5 einen Schnitt einer Schweißverbindung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Zwei als gleichdicke Metallplatten ausgebildete Werkstücke 10', 20' weisen jeweils eine Plattenkante auf, die als Fügeflächen 11, 21 dienen. Dabei liegen die Werkstücke 10', 20' so aneinander, dass ihre Fügeflächen 11, 21 einen Fügespalt 3 mit rechteckigem Querschnitt seitlich begrenzen. Durch Einwirkung eines von ersten Seitenflächen 100, 200 der Werkstücke 10', 20' her in den Fügespalt 3 fokussierten Laserstrahls 4 wurde in einem ersten Schritt auf einem ersten Niveau T31 im Fügespalt 3 eine erste Schweißnaht 1 mit einer Schweißnahttiefe T1 und in einem dem ersten Schritt nachfolgenden zweiten Schritt auf einem zweiten Niveau T32 im Fügespalt 3, welches den ersten Seitenflächen 100, 200 näher liegt als das erste Niveau T31, eine zweite Schweißnaht 2 mit einer Schweißnahttiefe T2 gezogen. Dabei wird der jeweilige Mittelpunkt der Schweißnähte 1, 2, gemessen in Richtung entlang der Tiefenausdehnung des Fügespalt 3, als die Position der Schweißnähte 1, 2 definiert. Die zwei Schweißnähte 1, 2 liegen in nicht überlappenden Tiefenabschnitten ΔT31, ΔT32 des Fügespalts 3, liegen also, in Richtung entlang der Tiefenausdehnung des Fügespalt 3 gesehen, hintereinander.
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6 zeigt einen Schnitt einer Anordnung von zwei metallischen Werkstücken 10", 20''. Dabei ist ein als ein Stab ausgebildetes erstes Werkstück 10'' in eine kreisförmige Durchgangsbohrung eines als eine Platte ausgebildeten zweiten Werkstücks 20'' eingesteckt, so dass eine Stirnfläche 100 des Stabs 10'' mit einer Stirnfläche 200 der Platte 20'' in einer Ebene liegt. Dabei ist die untere Hälfte der Platte 20'' unter Ausbildung eines Fügespalts bis an den Stab 10'' herangeführt, während die obere Hälfte der Platte 20'' von dem Stab 10'' beabstandet ist. Bezogen auf die Längsachse 12 des einen Radius 13 aufweisenden Stabs 10'' endet die Platte 20'' in ihrer oberen Hälfte an einem Radius 23, welcher größer als der Radius 13 des Stabs 10'' ist; somit ist der Stab 10'' in der oberen Hälfte der Platte 20'' von einer ringförmigen Aussparung 5 umgeben.
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In der unteren Hälfte der Platte 20'', wo die Platte 20'' unter Ausbildung eines Fügespalts bis an den Stab 10'' herangeführt ist, ist sind die Werkstücken 10'', 20'' durch eine ringförmige Laser-Schweißnaht 1'', die dem Längsverlauf des zylindrischen Fügespalts folgt, verbunden. 7 veranschaulicht die in 6 dargestellte Geometrie von Werkstücken und Schweißnaht anhand einer Draufsicht auf die Stirnflächen 100, 200 der Werkstücke 10", 20".
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8 illustriert, ausgehend von der in den 6 und 7 gezeigten Anordnung, einen weiteren Schritt zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Schweißverbindung zwischen den Werkstücken 10", 20''. In die den Stab 10'' umgebende ringförmige Aussparung 5 ist ein als Ring ausgebildetes Inlay 6 eingesetzt. Zwischen dem Inlay 6 und dem Stab 10'' entsteht dadurch ein erster Fügespalt 7 und zwischen dem Inlay 6 und der Platte 20'' ein zweiter Fügespalt 8. 9 veranschaulicht die in 8 dargestellte Geometrie von Werkstücken und Schweißnaht anhand einer Draufsicht auf die Stirnflächen 100, 200 der Werkstücke 10", 20".
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10 illustriert, ausgehend von der in den 8 und 9 gezeigten Anordnung, einen weiteren Schritt zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Schweißverbindung zwischen den Werkstücken 10'', 20''. In dem zwischen dem Inlay 6 und dem Stab 10'' gebildeten ersten Fügespalt 7 wird mittels Laserstrahlschweißens eine Schweißnaht 31 zwischen dem Inlay 6 und dem Stab 10'' erzeugt. In dem zwischen dem Inlay 6 und der Platte 20'' gebildeten zweiten Fügespalt 8 wird mittels Laserstrahlschweißens eine Schweißnaht 32 zwischen dem Inlay 6 und der Platte 20'' erzeugt. Dabei ist das Inlay 6 so angeordnet, dass sich an dem von den Stirnseiten 100, 200 abgewandten Boden des Inlays 6 ein ringförmiger Hohlraum 33 gebildet wird. Der Hohlraum 33, der verfahrensbedingt dadurch gebildet wird, dass das Inlay 6 an seinem von den Stirnseiten 100, 200 abgewandten Boden nicht mit den Werkstücken 10", 20'' verschweißt wird, sollte so klein wie möglich sein.
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Vergleicht man die in den 3 und 10 dargestellten Anordnungen, so erkennt man, dass die in 3 als eine durchgehende Schweißnaht 1 ausgeführte herkömmliche Schweißverbindung bei der in 10 dargestellten erfindungsgemäßen Schweißverbindung in mehrere Schweißnähte 1'', 31, 32 mit geringerer Schweißnahttiefe segmentiert wurde. Dadurch ist es möglich, auch mit einem Laser mit einer geringeren Strahlleistung relativ tiefe Einschweißtiefen zu realisieren. Dazu ein konkretes Beispiel: Wird eine Schweißnaht 1, für die mit einer herkömmlichen Ausführung als eine einzige durchgehende Schweißnaht eine Laserleistung von ca. 16 kW benötigt wird, in zwei jeweils 4 mm tiefe Schweißnaht-Segmente separiert, ist dann nur noch ein NIR-Laser mit 8 kW Laserstrahlleistung und gegebenenfalls zusätzlich ein Laser mit 1 kW im grünen Wellenlängenbereich notwendig, um qualitativ hochwertige Schweißnähte mit Einschweißtiefen von 4 mm zu erzeugen.
