Fehler beim Laserschweißen, Teil II

Fehler beim Laserschweißen, Teil II 

Obwohl das Laserschweißen zu den recht jungen Schweißverfahren gehört, ist es inzwischen aus der Fügetechnik nicht mehr wegzudenken. Vor allem dann, wenn die traditionellen Schweißmethoden an ihre Grenzen stoßen, kann das Laserschweißen eine geeignete Lösung sein.

Aber auch beim Laserschweißen bleiben Probleme nicht gänzlich aus.

Ein mehrteiliger Beitrag nennt mögliche Fehlerquellen, ihre Ursachen und Lösungsansätze. Dabei ging es im 1. Teil des Beitrags nach einer kurzen Einleitung um Risse und Poren als mögliche Fehler beim Laserschweißen.

Hier ist nun Teil II.:

Mögliche Fehler beim Laserschweißen – konstruktionsbedingte Störungen

Der Laser macht es möglich, die Schweißenergie gezielt und sehr konzertiert einzubringen, ohne dabei die Bauteile als solches stark zu erhitzen. Aus diesem Grund kommt der Laser gerne zum Einsatz, wenn elektronische Bauteile, Sensoren und andere sensible Komponenten in Gehäuse eingeschweißt werden müssen.

Bei solchen Schweißungen kommt es üblicherweise zu einem Einschluss von Gasvolumen in einem Hohlraum. Die Folge davon wiederum kann sein, dass sich das Gas im Hohlraum erwärmt, ausdehnt und dadurch im Bauteil Druck verursacht. Steigt der Druck zu sehr an, entwickelt sich ein Druckabbau durch die Dampfkapillare oder die Schmelze, denn hier trifft der Gasdruck auf den geringsten Widerstand.

In dem Bereich, in dem die Schmelze die höchste Temperatur erreicht, hat sie die dünnflüssigste Konsistenz. Deshalb kann sie hier besonders leicht zur Seite gedrückt werden. Löcher und Poren, die auf diese Weise entstanden sind, tauchen so gut wie nie am Anfang der Schweißnaht auf. Stattdessen sind sie vermehrt im hinteren Abschnitt zu finden.

Stellt sich heraus, dass die Fehlerbilder durch den eben beschriebenen Vorgang verursacht werden, gibt es zwei mögliche Lösungsansätze. Die erste Möglichkeit besteht darin, die Schmelze so dünnflüssig einzustellen, dass der Gasdruck durch die Schmelze abgebaut werden kann, ohne dass es dabei zu einem Materialauswurf und Löchern kommt.

Die zweite Möglichkeit ist der gegenteilige Weg. Durch ein inertes Prozessgas kann die Schmelze so zäh angelegt werden, dass die Schweißnaht dem Gasdruck standhält. Diese Variante wird aber hauptsächlich bei sehr schmalen Schweißnähten einen Erfolg bringen, bei breiteren Schweißnähten eher nicht.

Ob die Problematik eines Druckauf- und -abbaus im Werkstück überhaupt gegeben ist, kann dadurch ermittelt werden, dass eine Hälfte der Naht an der bewegten Achse des Laserstrahls entlang geschweißt wird. Ist ein Druckaufbau an der Wurzel der Schweißnaht die Ursache für die Fehlerbilder, wird vor allem vor den Löchern ein Wurzelrückfall zu erkennen sein.

Schon hier wird das Schweißgut nämlich durch den Druck des Gases nach oben aus der Schweißnaht geschoben. An der Oberfläche entsteht dadurch eine Nahtüberhöhung, die solange zunimmt, bis der Druck an der Schweißnahtwurzel abweicht. Oft ist aber ein Schliff erforderlich, um derartige Hohlräume aufspüren und die beschriebenen Mechanismen als Problemursache auszumachen.

Manchmal wird der Schweißprozess auch durch simple Faktoren gestört. So kann beispielsweise eine Phase an einem Bauteil, die für das Fügen der Komponenten erforderlich ist, Löcher in der Schweißnaht verursachen. Muss diese Phase erhalten bleiben, kann eine Änderung der Bauartkonstruktion die Lösung bringen.

Denkbar ist beispielsweise, Abstandhalter einzusetzen, die einen Druckausgleich aus dem Hohlraum gewährleisten. Eine andere Möglichkeit ist eine Bohrung zur Druckentlastung, die zum Schluss verschweißt und dadurch abgedichtet wird.

Auch die deutlich reduzierte Einbringung von Wärme in den Hohlraum kann zu besseren Schweißergebnissen führen. Diese Option lässt sich unter anderem dadurch umsetzen, dass die Schweißgeschwindigkeit erhöht, die Einschweißtiefe reduziert oder mit einem qualitativ hochwertigen Laserstrahl gearbeitet wird.

Mögliche Fehler beim Laserschweißen – starke Schwankungen bei den Ergebnissen

Stark schwankende Ergebnisse beim Laserschweißen gehen in den meisten Fällen auf eine mangelhafte Zufuhr der Prozessgase zurück. Technische Defekte oder Schwachstellen an einzelnen Komponenten der Laserschweißanlage können selbstverständlich auch auftreten.

Sehr viel häufiger ist aber, dass die Schweißergebnisse deshalb stark schwanken, weil sich Umgebungsluft in das Prozessgas mischt. Insbesondere der Sauerstoff, der Stickstoff und die Luftfeuchtigkeit aus der Atmosphäre können großen Einfluss auf den Laserschweißprozess haben.

Deshalb führt letztlich kein Weg an Düsen mit ausreichend großem Durchmesser, einer dazu passenden Menge an Prozessgas und einer richtigen Positionierung des Prozessgasstromes vorbei. Ein ausreichend großer Düsendurchmesser bedeutet, dass die Düsen einen Durchmesser von mindestens 4 mm, idealerweise von 6 mm haben sollten. Wird ein inertes Prozessgas verwendet, gilt es außerdem darauf zu achten, dass die Naht oxidfrei ist.

Eine zu große Wärmeeinbringung verursacht eine nachträgliche Oxidation, weil der Bereich, der durch das Schutzgas abgedeckt ist, zu kurz ist. Deshalb ist in diesem Fall eine gleichmäßige und konstant stabile Oxidschicht notwendig.

Um Schwankungen bei den Schweißergebnissen und instabile Schweißprozesse zu vermeiden und gleichzeitig Laserschweißprozesse zu optimieren, sollte somit immer als erstes die Gaszufuhr überprüft werden.

Entscheidend dabei ist, dass der Schweißvorgang unter dem zugeführten Prozessgas erfolgt, das Prozessgas also rein und ohne Beimengungen der Umgebungsluft zugeführt wird. Erst wenn dies sichergestellt ist, kann im nächsten Schritt über eine Optimierung der Zusammensetzung der Prozessgase nachgedacht werden.

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