Fehler beim Laserschweißen, Teil IV

Fehler beim Laserschweißen, Teil IV 

Wenn die klassischen Schweißverfahren an die Grenzen des Machbaren gestoßen sind, kann das Laserschweißen oft doch noch die passende Lösung bieten.

Dies dürfte einer der Hauptgründe dafür sein, dass das noch recht junge Laserschweißen aus der Fügetechnik kaum mehr wegzudenken ist. Allerdings ist auch die moderne Schweißtechnik nicht vor Schwierigkeiten und Stolpersteinen gefeit.

In einem mehrteiligen Beitrag beleuchten wird die möglichen Fehler beim Laserschweißen, samt Ursachen und Lösungsansätzen. Dabei standen in Teil I Risse und Poren im Vordergrund. In Teil II ging es um konstruktionsbedingte Störungen und in Teil III um werkstoffbedingte Fehlerbilder.

Mit Teil IV folgt nun der letzte Teil der Beitragsreihe:

Fehlerbilder beim Laserschweißen durch unterschiedliche Schmelztemperaturen

Stähle und Buntmetalle sind oft keine Werkstoffe aus nur einem Element, sondern Legierungen, die sich aus mehreren unterschiedlichen Elementen zusammensetzen. Dabei werden die Legierungselemente so ausgewählt und miteinander kombiniert, dass der Werkstoff die gewünschten Eigenschaften aufweist.

Um bestimmte Materialeigenschaften zu erreichen, können Elemente aus verschiedenen Gruppen miteinander vereint werden, also beispielsweise Metalle mit Nichtmetallen oder Gasen. Dies kann aber dazu führen, dass die Legierungselemente nicht nur unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, sondern auch stark abweichende Schmelz- und Siedepunkte haben.

Beim Laserschweißen entsteht der Tiefschweißeffekt dadurch, dass eine Dampfkapillare erzeugt wird. Hierfür sind entsprechend hohe Temperaturen notwendig. Deshalb liegen die maximalen Prozesstemperaturen immer oberhalb der Siedepunkte des Werkstoffs, meisten überschreiten sie auch die Siedepunkte aller enthaltenen Legierungselemente.

Mit Blick auf ein gutes Schweißergebnis kann es folglich immer dann zu Schwierigkeiten kommen, wenn die Schmelz- und Siedepunkte der Legierungselemente große Unterschiede aufweisen. Bei Messing ist dies beispielsweise der Fall. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Während der Schmelzpunkt von Kupfer bei 1083 Grad Celsius liegt, ist der Siedepunkt von Zink mit 907 Grad Celsius deutlich weiter unten angesiedelt. Beim Schweißen würde eine so poröse Schweißnaht entstehen, dass sie eigentlich nicht zu gebrauchen ist.

Würde im Verlauf des Schweißvorgangs das enthaltene Zink vollständig entweichen, wäre wiederum eine Schweißnaht aus Kupfer das Ergebnis. Eine akzeptable Lösung ist an diesem Punkt nicht möglich. Um Legierungselemente mit sehr unterschiedlichen Schmelz- und Siedepunkten zu fügen, sollten deshalb andere Schweißverfahren als das Laserschweißen eingesetzt werden.

Fehlerbilder beim Laserschweißen durch Beschichtungen

Unterschiedliche Schmelz- und Siedepunkte können auch bei beschichteten Werkstoffen zu fehlerhaften oder porösen Schweißnähten führen. In der Automobilindustrie beispielsweise wird viel mit beschichteten Blechen gearbeitet, oft handelt es sich dabei um verzinkte Bleche.

Diese Bleche werden zunehmend häufig mithilfe der Lasertechnik gefügt. Je nach Stärke der Beschichtung entstehen bei den Schweißvorgängen aber Spritzer, Poren oder gar Löcher.

Die Temperaturunterschiede der Schmelz- und Siedepunkte von Eisen und Zink sind enorm. So erstarrt Eisen bei etwa 1535 Grad Celsius, während es bei Temperaturen über 2730 Grad Celsius verdampft. Im Unterschied dazu schmilzt Zink schon bei 420 Grad Celsius und wird ab 907 Grad Celsius gasförmig. Gerät nun, beispielsweise über die Strömungen des Schmelzbades, Material aus der Beschichtung in das geschmolzene Grundmaterial, verdampft das Zink.

Gleichzeitig vergrößert sich sein Volumen mit zunehmender Temperatur. Gelangen diese Poren an die Oberfläche, platzen sie und schleudern Material aus der Schweißnaht. Das Ergebnis sind Spritzer und Löcher.

Einige Poren verbleiben aber auch in der Schweißnaht. Dabei sind diese Poren zunächst Dampfblasen aus Zink in der gerade erstarrten Eisenschmelze. Bei der weiteren Abkühlung kondensiert der Zinkdampf an der Porenwand und es entsteht eine verzinkte Pore.

Anders als bei Fehlerbildern durch Legierungselemente mit unterschiedlichen Schmelz- und Siedepunkten können bei beschichteten Bauteilen die Art und die Zuführung des Prozessgases das Problem lösen. Hierfür werden Prozessgasse mit Sauerstoff- oder Kohledioxidanteilen eingesetzt und stechend zugeführt.

Wenn das Gasgemisch die Metalldampffackel durchquert, erhitzt es sich und wird dadurch aktiviert. Die stechende Gaszufuhr bewirkt, dass das reaktionsfreudige, heiße Gas vor dem Schweißvorgang auf die Oberfläche trifft.

Dies führt dazu, dass die Zinkbeschichtung oxidiert. Zinkoxid hat einen Schmelzpunkt von 1970 Grad Celsius und ist deshalb noch fest, wenn das Eisen bereits geschmolzen ist. Im Unterschied zu Zink kann das Zinkoxid somit nicht verdampfen und deshalb auch keine Poren oder Löcher hervorrufen. Selbst wenn Zinkoxid in die Schmelze gelangt, ist dies weit weniger kritisch als eine Poren-, Löcher- oder Spritzerbildung.

Die Verbrennung der Prozessgaskomponente entschärft das Zink auf der Oberfläche. Auf der Unterseite der Bleche verursacht der Zinkeintrag bei einer Verschweißung im I-Stoß meist keine großen Schwierigkeiten, denn die Naht ist schmaler und die Schmelzbaddynamik weniger ausgeprägt.

Bei einer Verschweißung im Überlappstoß hingegen muss mit einem Trick gearbeitet werden. Bei dicht aufeinandergepressten Bauteilen kann das Zink nicht entschärft werden, weil weder das Prozessgas noch der Sauerstoff aus der Umgebungsluft an dieser Stelle oxidieren können. Deshalb muss beim Schweißen zwischen den Blechen ein etwa 0,1 mm großer Spalt am Überlapp vorhanden sein, über den das verdampfende Zink entweichen kann. Eine sehr einfache Möglichkeit, um einen solchen Spalt sicherzustellen, besteht beispielsweise darin, etwas feinen Sand zwischen die zu verschweißenden Bleche zu streuen. Die Sandkörnchen sorgen dann für den notwendigen Abstand.

Fehlerbilder beim Laserschweißen durch verunreinigte Oberflächen

Bevor die Bauteile zum Laserschweißen kommen, haben sie oft schon diverse Fertigungsschritte hinter sich. So wurden sie beispielsweise gebogen, gefräst und gebohrt. Dabei wiederum sind sie mit verschiedenen Hilfsmitteln in Kontakt gekommen, angefangen bei Emulsionen über Fette bis hin zu Korrosionsschutz.

Rückstände hiervon bleiben dann auf den Bauteiloberflächen zurück. Der Effekt, der sich daraufhin einstellt, ist der gleiche wie bei beschichteten Bauteilen. Niedrige Siedepunkte der Rückstände und Verunreinigungen führen dazu, das Gasblasen entstehen, sich ausdehnen und Poren, Löcher oder Spritzer verursachen.

Um solchen Fehlern vorzubeugen, bietet es sich auch hier an, aktive Prozessgase einzusetzen, die eine Oxidierung hervorrufen. Minimale Entgasungsspalte können die Schweißergebnisse ebenfalls deutlich verbessern.

Ein Reinigungsbad wiederum macht nur dann Sinn, wenn die Bauteile unmittelbar danach laserverschweißt werden, ohne unterwegs Kontakt zu anderen, möglicherweise verölten oder anderweitig verschmutzten Anlagenteilen zu haben.

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