Auswahl des Schutzgases beim Laserschweißen
Haben Sie Schweißfehler wie übermäßigen Spritzer, unansehnliche Schweißnahtformung und zahlreiche Poren nach dem Schweißen festgestellt? Während Sie sich möglicherweise fragen, ob dies auf falsche Einstellungen der Laser-Schweißprozessparameter zurückzuführen ist, sind Sie sich bewusst, dass die korrekte Verwendung des Schutzgases ebenfalls ein entscheidender Faktor für die Schweißnahtformung und -leistung ist. Die Auswahl des optimalen Schutzgases ist tatsächlich eine Möglichkeit, die Schweißqualität und -effizienz zu verbessern.
Da das Schutzgas so wichtig ist: Welche Funktion erfüllt es genau? Wie wählen Sie die richtige Art von Schutzgas aus? Wie muss das Schutzgas während des Schweißens zugeführt werden?
Die Rolle des Schutzgases
Bei der Laserstrahlschweißung beeinflusst das Schutzgas die Schweißnahtbildung, die Schweißqualität, die Schweißtiefe und die Schweißnahtbreite. In den meisten Fällen wirkt sich das Einblasen von Schutzgas positiv auf die Schweißnaht aus, kann jedoch auch nachteilige Effekte haben.
Positive Effekte
1) Ein korrekt zugeführtes Schutzgas schützt wirksam die Schmelzbadzone und verringert oder verhindert sogar die Oxidation.
2) Ein korrekt zugeführtes Schutzgas reduziert wirksam das Spritzen während des Schweißens.
3) Ein korrekt zugeführtes Schutzgas fördert eine gleichmäßige Ausbreitung des Schmelzbades während der Erstarrung und führt so zu einer homogenen und ästhetisch ansprechenden Schweißnaht.
4) Ein korrekt zugeführtes Schutzgas reduziert wirksam die Abschirmwirkung von Metaldampf-Plumes oder Plasma-Wolken auf den Laserstrahl und erhöht dadurch die effektive Ausnutzungsrate des Lasers.
5) Ein korrekt zugeführtes Schutzgas reduziert wirksam die Porosität der Schweißnaht.
Solange die Gasart, die Gasdurchflussrate und die Zuführmethode korrekt gewählt werden, können ideale Ergebnisse erzielt werden.
Eine unsachgemäße Verwendung des Schutzgases kann jedoch ebenfalls negative Auswirkungen auf das Schweißen haben.
1) Eine falsche Anwendung des Schutzgases kann die Schweißnaht verschlechtern:
① Die Wahl des falschen Gas-Typs kann zu Schweißnaht-Rissen führen und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht verringern;
② Die Wahl der falschen Gasdurchflussrate kann zu einer stärkeren Oxidation der Schweißnaht führen (unabhängig davon, ob die Durchflussrate zu hoch oder zu niedrig ist) und kann zudem starke Störungen im Schweißbad verursachen, was zu einem Kollaps oder einer ungleichmäßigen Formung der Schweißnaht führt;
③ Die Wahl der falschen Gasapplikationsmethode kann zu einer unwirksamen oder sogar völlig fehlenden Abschirmung führen oder die Schweißnahtformung negativ beeinflussen;
2) Die Anwendung des Schutzgases kann die Eindringtiefe der Schweißnaht beeinflussen, insbesondere beim Schweißen von Blechen mit geringer Dicke, wodurch die Eindringtiefe verringert wird.
Arten von Schutzgasen
Häufig verwendete Schutzgase für das Laserschweißen sind N₂, Ar und He. Ihre physikochemischen Eigenschaften unterscheiden sich, weshalb sich auch ihre Wirkung auf die Schweißnaht unterscheidet.
Stickstoff (N2)
Der günstigste, aber für das Schweißen bestimmter Edelstähle ungeeignete Schutzgas. Stickstoff (N2) weist eine mittlere Ionisierungsenergie auf, die höher als die von Argon (Ar), jedoch niedriger als die von Helium (He) ist. Unter Laserbestrahlung ist sein Ionisationsgrad im Allgemeinen gering, wodurch die Bildung einer Plasma-Wolke wirksam reduziert und somit die effektive Ausnutzungsrate des Lasers erhöht wird. Stickstoff kann jedoch bei bestimmten Temperaturen chemisch mit Aluminiumlegierungen und Kohlenstoffstahl reagieren und Nitride bilden. Dadurch steigt die Sprödigkeit der Schweißnaht und die Zähigkeit nimmt ab, was die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung erheblich beeinträchtigt. Daher wird Stickstoff nicht zur Abschirmung von Schweißnähten aus Aluminiumlegierungen und Kohlenstoffstahl empfohlen.
Andererseits können die durch die chemische Reaktion von Stickstoff mit Edelstahl entstehenden Nitride die Festigkeit der Schweißnaht erhöhen und so deren mechanische Eigenschaften verbessern. Daher kann Stickstoff als Schutzgas beim Schweißen von Edelstahl eingesetzt werden.
Argon (Ar)
ist relativ kostengünstig, weist eine hohe Dichte auf und bietet guten Schutz. Die Schweißnahtoberfläche ist glatter als bei Helium. Allerdings wird es durch das hochtemperierte Metallplasma leicht ionisiert, wodurch ein Teil des Laserstrahls vor Erreichen des Werkstücks abgeschirmt wird; dies verringert die effektive Schweißleistung und behindert Geschwindigkeit sowie Eindringtiefe beim Schweißen. Argon (Ar) besitzt die niedrigste Ionisierungsenergie, weist jedoch unter Laserbestrahlung einen relativ hohen Ionisierungsgrad auf, was die Kontrolle der Plasma-Wolkenbildung erschwert und die effektive Ausnutzungsrate des Lasers beeinträchtigt. Argon weist jedoch eine sehr geringe Reaktivität auf und reagiert chemisch kaum mit üblichen Metallen. Darüber hinaus ist Argon kostengünstig. Zudem besitzt Argon eine hohe Dichte, was sein Absinken über dem Schweißbad begünstigt und somit einen besseren Schutz des Schweißbads gewährleistet. Daher kann es als herkömmliches Schutzgas eingesetzt werden.
Helium (He)
Es ist teurer, bietet jedoch die beste Wirkung, da der Laser ungehindert direkt auf die Werkstückoberfläche treffen kann. Helium besitzt die höchste Ionisierungsenergie, doch sein Ionisationsgrad unter Laserbestrahlung ist sehr gering, wodurch die Bildung von Plasma-Wolken effektiv kontrolliert werden kann. Der Laser wirkt gut auf Metalle, und Helium weist eine sehr geringe Reaktivität auf – es reagiert im Wesentlichen nicht chemisch mit Metallen. Es ist ein ausgezeichneter Schutzgas für Schweißnähte. Allerdings ist Helium zu teuer und wird daher in der Regel nicht für die Massenfertigung eingesetzt. Helium wird meist für wissenschaftliche Forschung oder hochwertige Produkte verwendet.
Schutzgas-Zuführmethoden
Derzeit gibt es zwei Hauptverfahren zur Einführung von Schutzgasen: Das erste ist die seitliche, achsenferne Zufuhr des Schutzgases … parallele seitliche Zufuhr des Schutzgases
Eine weitere Variante ist die koaxiale Schutzgaszufuhr.
Koaxiale Schutzgaszufuhr
Die Wahl zwischen den beiden Zuführmethoden hängt von einer Kombination verschiedener Faktoren ab; im Allgemeinen wird jedoch die seitliche Schutzgaszufuhr empfohlen.
Grundsätze für die Auswahl von Abschirmgas-Blasverfahren
Zunächst ist wichtig zu klären, dass der Begriff „Schweißoxidation“ ein umgangssprachlicher Ausdruck ist. Theoretisch bezeichnet er eine chemische Reaktion zwischen der Schweißnaht und schädlichen Bestandteilen der Luft, die zu einer Verschlechterung der Schweißqualität führt. Typische Beispiele sind die Reaktion des Schweißguts mit Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in der Luft bei bestimmten Temperaturen.
Die Vermeidung von Schweißoxidation erfolgt durch Verringerung oder Vermeidung des Kontakts dieser schädlichen Bestandteile mit dem Schweißgut bei hohen Temperaturen. Diese hohe Temperatur bezieht sich nicht nur auf das geschmolzene Bad, sondern auch auf die gesamte Zeitspanne vom Schmelzen bis zum Erstarren des Schweißguts sowie bis zu dem Zeitpunkt, an dem dessen Temperatur unter einen bestimmten Wert fällt.
Beispielsweise wird Wasserstoff bei Titanlegierungen oberhalb von 300 °°C rasch absorbiert, Sauerstoff oberhalb von 450 °°C und Stickstoff oberhalb von 600 °C. Daher erfordern Schweißnähte aus Titanlegierungen nach der Erstarrung und während der Abkühlphase unter 300 °C eine wirksame Schutzmaßnahme; andernfalls werden sie „oxidiert“.
Wie die obige Beschreibung verdeutlicht, muss das zugeführte Schutzgas nicht nur die Schmelzbadzone rechtzeitig schützen, sondern auch den frisch erstarrten Bereich. Daher wird im Allgemeinen die in Abbildung 1 dargestellte seitliche, achsenversetzte Schutzgaszufuhr verwendet, da sie einen breiteren Schutzbereich als die in Abbildung 2 gezeigte koaxiale Schutzgaszufuhr bietet – insbesondere einen besseren Schutz für den frisch erstarrten Schweißbereich.
Für technische Anwendungen eignet sich die seitliche, achsenversetzte Schutzgaszufuhr nicht für alle Produkte. Bei bestimmten speziellen Produkten kann ausschließlich eine koaxiale Schutzgaszufuhr eingesetzt werden. Die Wahl muss an die Produktstruktur und die Art der Verbindung angepasst werden.
Auswahl der spezifischen Schutzgaszuführmethode
1) Gerade Schweißnähte
Wie in Abbildung 3 dargestellt, ist die Schweißnahtform des Produkts gerade. Die Verbindungsart kann eine Stoßverbindung, eine Überlappungsverbindung, eine Eckverbindung oder eine Überdeckungsschweißung sein. Für diesen Produkttyp wird die in gezeigte seitliche, achsenversetzte Schutzgaszufuhr bevorzugt.
2) Ebene geschlossene Schweißnähte
Die Schweißnahtform des Produkts ist eine geschlossene Form wie ein ebener Kreis, ein ebenes Polygon oder eine ebene mehrsegmentige Linie. Die Verbindungsart kann eine Stoßverbindung, eine Überlappungsverbindung oder eine Überdeckungsschweißverbindung sein. Für diesen Produkttyp wird eine koaxiale Schutzgaszufuhr bevorzugt.
Ebene geschlossene Schweißnaht
Die Auswahl des Schutzgases beeinflusst direkt die Qualität, Effizienz und Kosten der Schweißfertigung. Aufgrund der Vielfalt der zu schweißenden Werkstoffe ist die Auswahl des Schweißgases bei der praktischen Anwendung jedoch äußerst komplex. Es ist erforderlich, den zu schweißenden Werkstoff, das Schweißverfahren, die Schweißposition sowie die gewünschten Schweißergebnisse umfassend zu berücksichtigen. Erst durch Schweißversuche lässt sich ein geeigneteres Schweißgas auswählen, um bessere Schweißergebnisse zu erzielen.
