Fehler beim Laserschweißen, Teil III

Fehler beim Laserschweißen, Teil III 

Das vergleichsweise junge Laserschweißen hat längst seinen festen Platz in der Fügetechnik gefunden. Dies liegt nicht zuletzt daran, dass das Laserschweißen oft gerade dann seine Stärken ausspielen kann, wenn die traditionellen Schweißverfahren ihre Grenzen erreicht haben. Doch auch beim Laserschweißen können Schwierigkeiten auftreten.

Unser mehrteiliger Beitrag nimmt die möglichen Fehlerquellen beim Laserschweißen und deren Ursachen unter die Lupe. Dabei ging es in Teil I um Risse und Poren und in Teil II um konstruktionsbedingte Störungen und stark schwankende Ergebnisse.

Nun, in Teil III stehen Fehlerbilder im Vordergrund,
die durch die Werkstoffeigenschaften bedingt sind:

 

Poren als Fehlerbild beim Laserschweißen durch Gase im Werkstoff

Eine typische, für das Schweißen aber nicht unbedingt vorteilhafte Eigenschaft vieler Werkstoffe besteht darin, dass sie Gase enthalten. So kommen Gase in aller Regel in gesinterten Materialien vor. Gesinterte Materialien sind Werkstoffe aus Metallpulver, das unter hohen Temperaturen zusammengepresst wird.

Bei diesem Pressvorgang kommt es zu Gaseinschlüssen, weil die Luft zwischen den einzelnen Metallpulverteilchen nicht vollständig entweichen kann. Aber auch bei gegossenen Bauteilen treten oft Gaseinschlüsse auf. Sie entstehen, wenn das Material beim Herstellungsprozess nicht richtig ausgasen konnte. Teilweise sind die Hohlräume so groß, dass sie im Schliffbild erkennbar werden.

Mitunter verteilen sich die Gase aber so fein im Werkstoff, dass sie selbst bei Schliffen nicht ausfindig zu machen sind. Ein typisches Beispiel hierfür sind gehärtete Oberflächen, in die im heißen Zustand Stickstoff eingebracht wurde, um dadurch bestimmte Werkstoffeigenschaften zu erzielen.

Viele Metalle können Gase bei höheren Temperaturen lösen. Kühlt das jeweilige Metall wieder ab, sinkt die Löslichkeit und bei einer langsamen Abkühlung würden die Gase entweichen. Eine zu schnelle Abkühlung wiederum hat zur Folge, dass sich die frei gewordenen Gasteilchen nicht mehr bewegen können und im Gitter hängen bleiben.

Bei Aluminium und anderen Leichtmetallen kommt hinzu, dass ihre Oberflächen teilweise chemisch mit Gasen reagieren oder Wasserstoff und Feuchtigkeit einlagern.

Die sehr konzentrierte Zuführung thermischer Energie beim Schweißvorgang erhitzt das Material auf eine hohe Temperatur. Dies führt dazu, dass die chemischen Verbindungen aufgebrochen werden. Die enthaltenen Gasteilchen werden frei, lösen sich aus dem Gitter und können sich bewegen.

Die Folge ist ein Phänomen, das in ähnlicher Form bei kohlensäurehaltigen Getränken beobachtet werden kann: Wird die Flasche geöffnet, zieht sich das Kohledioxid zusammen und entweicht. Beim Schweißvorgang passiert Ähnliches, denn hier bilden die Gasteilchen größere Ansammlungen, die als sichtbare Poren in Erscheinung treten.

Nimmt der Gasinhalt nun thermische Energie aus der Schmelze auf, steigt seine Temperatur weiter und die Gasblase dehnt sich zunehmend aus. Kommt es schließlich dazu, dass die Gasblase platzt, wird dabei Material aus der Schweißnaht geschleudert. Das Ergebnis ist ein Loch in der Schweißnaht.

Müssen solche Materialien dennoch verschweißt werden, gilt es, die Fügepartner zu prüfen. Ist nur ein Fügepartner problematisch, wäre ein Lösungsansatz, die Schmelze in das Material des anderen, weniger schwierigen Fügepartners zu legen und zu versuchen, das Problemmaterial über diese Schmelze zu binden.

Sind beide Fügepartner problematisch, kann die Lösung darin bestehen, ein Zusatzmaterial einzusetzen, entweder als Zusatzdraht oder als eingebautes Zwischenstück. Zudem sollten natürlich Prozessgase und Parameter zum Einsatz kommen, die das Ausgasen der Schweißnaht unterstützen. Als letzte Option bleibt, die Werkstoffeigenschaften des Vormaterials zu optimieren und poröse Oberflächen vor dem Verschweißen aufzuheizen.

 

Fehlerbilder beim Laserschweißen durch Trennmittelrückstände

Bei gegossenen Bauteilen können nicht nur Gaseinschlüsse, sondern auch Trennmittelrückstände auf der Oberfläche Probleme beim Laserschweißen verursachen. Ist der Siedepunkt des Trennmittels niedriger als die Schmelztemperatur des Werkstoffs, können Poren in der Schweißnaht die Folge sein.

Um solche Fehlerbilder zu vermeiden, muss im Prinzip schon bei der Auswahl des Trennmittels angesetzt werden. Kommt beispielsweise Kohlenstoff als Trennmittel zum Einsatz, sollte er in Reinform mit eigens zu diesem Zweck entwickelten Brennern aufgetragen werden.

Kohlenstoff hat einen sehr hohen Siedepunkt. In Reinform aufgetragen, kommt es deshalb nicht zur Bildung von Poren, wenn die Trennmittelreste erwärmt werden. Oft wird Kohlestoff aber nicht mit Brennern aufgebracht, sondern als Inhaltsstoff einer Emulsion mit dem Pinsel aufgetragen.

Diese Trägerflüssigkeit ist dann der Grund dafür, dass Poren entstehen. In diesem Fall bleibt mitunter nichts anderes übrig, als die entsprechenden Oberflächenschichten vor dem Schweißen zu entfernen.

 

Fehlerbilder beim Laserschweißen durch gebundene Legierungselemente

In Stählen sind viele chemische Elemente enthalten, die beispielsweise zusammen mit Sauerstoff zu exothermen Reaktionen führen. Eine exotherme Reaktion ist eine Reaktion, bei der Wärme entsteht und Energie abgegeben wird.

Bei der Herstellung von Stahl werden die chemischen Elemente oft hinzugefügt, um eine Wirkung als Desoxidationsmittel zu entfalten. In dieser Funktion sollen sie den Sauerstoff im Stahl binden und andere Legierungselemente reduzieren, um die so gebundenen Stoffe anschließend als Schlacke beseitigen zu können.

Hierfür werden in erster Linie Aluminium und Silizium verwendet. Manchmal sollen die Legierungselemente aber auch Kohlenstoff binden. In diesem Fall dienen sie als sogenannte Karbidbildner. Titan beispielsweise hat bei korrosionsbeständigen Stählen die Aufgabe, Kohlenstoff zu binden und den Stahl dadurch vor einer interkristallinen Korrosion zu schützen.

Je nach Aufgabe sind die hinzugefügten Elemente im Stahl nicht in ihrer Reinform enthalten. Mithilfe von Analysen lässt sich nicht ermitteln, ob die Elemente in Reinform vorliegen oder ob sie in Oxiden, Nitriden oder Karbiden abgebunden enthalten sind. Als reaktionsfreudige Atome sind die Elemente nämlich nur dann aufzuspüren, wenn sie keinen Reaktionspartner finden konnten.

Werden solche Werkstoffe nun geschweißt und werden dabei aktive Prozessgase mit Sauerstoff oder Kohlendioxid als Komponenten verwendet, können exotherme Reaktionen die Folge sein. Diese Reaktionen äußern sich in einer Art Mini-Explosionen, die entsprechend ungleichmäßige Schweißnähte hinterlassen.

Dieses Phänomen kann aber auch an der Nahtwurzel auftreten und durch den Sauerstoffeinfluss aus der Umgebungsluft verursacht sein, obwohl mit inerten Prozessgasen gearbeitet wird. Die Ausgasung durch Aktivgase unterstützen zu wollen, macht in diesem Fall wenig Sinn.

Schirmt ein inertes Prozessgas die Oberfläche zuverlässig vor dem Sauerstoffzutritt ab, bleibt der Schutzbereich lange genug erhalten und wird die Schweißwurzel ordentlich formiert, sind solche Schweißungen aber unproblematisch.

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