Der Einfluss von Schutzgas beim Laserschweißen
Was kann Ihnen Right Protective Gas bieten?
IBei der Laserschweißung kann die Wahl des Schutzgases einen erheblichen Einfluss auf die Ausbildung, Qualität, Tiefe und Breite der Schweißnaht haben.
In den allermeisten Fällen wirkt sich die Zufuhr von Schutzgas positiv auf die Schweißnaht aus, während eine unsachgemäße Verwendung von Schutzgas nachteilige Auswirkungen auf das Schweißen haben kann.
Die erwünschten und unerwünschten Auswirkungen der Verwendung des Schutzgases sind folgende:
Richtige Verwendung
Unsachgemäße Verwendung
1. Wirksamer Schutz des Schmelzbades
Durch die sachgemäße Zufuhr von Schutzgas kann das Schmelzbad wirksam vor Oxidation geschützt oder die Oxidation sogar vollständig verhindert werden.
1. Verschlechterung der Schweißnaht
Eine unsachgemäße Zufuhr von Schutzgas kann zu einer mangelhaften Schweißnahtqualität führen.
2. Reduzierung von Spritzern
Durch die korrekte Zufuhr von Schutzgas lässt sich die Spritzerbildung beim Schweißprozess wirksam reduzieren.
2. Rissbildung und verminderte mechanische Eigenschaften
Die Wahl des falschen Gastyps kann zu Rissen in der Schweißnaht und einer verminderten mechanischen Leistungsfähigkeit führen.
3. Gleichmäßige Ausbildung der Schweißnaht
Durch die sachgemäße Zufuhr von Schutzgas wird eine gleichmäßige Ausbreitung des Schmelzbades während der Erstarrung gefördert, was zu einer gleichmäßigen und ästhetisch ansprechenden Schweißnaht führt.
3. Erhöhte Oxidation oder Interferenz
Eine falsche Gasdurchflussrate, sei es zu hoch oder zu niedrig, kann zu verstärkter Oxidation der Schweißnaht führen. Sie kann außerdem erhebliche Störungen im Schmelzbad verursachen, was zum Einsturz oder zur ungleichmäßigen Ausbildung der Schweißnaht führen kann.
4. Erhöhte Lasernutzung
Durch die korrekte Zufuhr von Schutzgas kann die abschirmende Wirkung von Metalldampffahnen oder Plasmawolken auf den Laser wirksam reduziert und dadurch die Effizienz des Lasers erhöht werden.
4. Unzureichender Schutz oder negative Auswirkungen
Die Wahl der falschen Gaseinleitungsmethode kann zu einem unzureichenden Schutz der Schweißnaht führen oder sich sogar negativ auf die Ausbildung der Schweißnaht auswirken.
5. Reduzierung der Schweißnahtporosität
Durch die korrekte Zufuhr von Schutzgas lässt sich die Bildung von Gaseinschlüssen in der Schweißnaht wirksam minimieren. Optimale Ergebnisse können durch die Wahl des geeigneten Gastyps, der Durchflussrate und des Zufuhrverfahrens erzielt werden.
5. Einfluss auf die Schweißnahttiefe
Die Zufuhr von Schutzgas kann einen gewissen Einfluss auf die Schweißnahttiefe haben, insbesondere beim Schweißen dünner Bleche, wo sie tendenziell die Schweißnahttiefe verringert.
Verschiedene Arten von Schutzgasen
Die üblicherweise beim Laserschweißen verwendeten Schutzgase sind Stickstoff (N₂), Argon (Ar) und Helium (He). Diese Gase weisen unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften auf, was zu unterschiedlichen Auswirkungen auf die Schweißnaht führt.
1. Stickstoff (N2)
Stickstoff (N₂) besitzt eine moderate Ionisierungsenergie, die höher als die von Argon (Ar) und niedriger als die von Helium (He) ist. Unter Lasereinwirkung ionisiert er in moderatem Maße, wodurch die Bildung von Plasmawolken effektiv reduziert und die Laserausnutzung erhöht wird. Allerdings kann Stickstoff bei bestimmten Temperaturen mit Aluminiumlegierungen und Kohlenstoffstahl chemisch reagieren und Nitride bilden. Dies kann die Sprödigkeit erhöhen und die Zähigkeit der Schweißnaht verringern, was sich negativ auf deren mechanische Eigenschaften auswirkt. Daher wird die Verwendung von Stickstoff als Schutzgas für Schweißungen von Aluminiumlegierungen und Kohlenstoffstahl nicht empfohlen. Im Gegensatz dazu kann Stickstoff mit Edelstahl reagieren und Nitride bilden, die die Festigkeit der Schweißverbindung erhöhen. Daher kann Stickstoff als Schutzgas für das Schweißen von Edelstahl verwendet werden.
2. Argongas (Ar)
Argon besitzt die relativ niedrigste Ionisierungsenergie, was unter Lasereinwirkung zu einem höheren Ionisierungsgrad führt. Dies ist ungünstig für die Kontrolle der Plasmawolkenbildung und kann die effektive Nutzung von Lasern beeinträchtigen. Allerdings ist Argon sehr reaktionsträge und reagiert kaum mit gängigen Metallen. Zudem ist Argon kostengünstig. Aufgrund seiner hohen Dichte sinkt es über das Schmelzbad ab und bietet so einen besseren Schutz. Daher kann es als herkömmliches Schutzgas eingesetzt werden.
3. Heliumgas (He)
Heliumgas besitzt die höchste Ionisierungsenergie, was zu einem sehr geringen Ionisierungsgrad unter Lasereinwirkung führt. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle der Plasmawolkenbildung, und Laser können effektiv mit Metallen interagieren. Darüber hinaus ist Helium sehr reaktionsträge und reagiert nicht ohne Weiteres mit Metallen, wodurch es sich hervorragend als Schweißschutzgas eignet. Aufgrund der hohen Kosten wird Helium jedoch in der Massenproduktion in der Regel nicht eingesetzt. Es findet vorwiegend Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung oder bei der Herstellung hochwertiger Produkte.
Zwei Methoden zur Verwendung von Schutzgas
Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zur Einleitung von Schutzgas: seitliches Einblasen außerhalb der Achse und koaxiales Schutzgas, wie in Abbildung 1 bzw. Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 1: Seitliches Ausblasen von Schutzgas außerhalb der Achse
Abbildung 2: Koaxiales Schutzgas
Die Wahl zwischen den beiden Blasmethoden hängt von verschiedenen Faktoren ab.
Im Allgemeinen wird empfohlen, für Schutzgas die seitliche Einblasmethode außerhalb der Achse anzuwenden.
Wie wählt man das richtige Schutzgas aus?
Zunächst ist es wichtig klarzustellen, dass der Begriff „Oxidation“ von Schweißnähten eine umgangssprachliche Bezeichnung ist. Theoretisch beschreibt er die Verschlechterung der Schweißnahtqualität durch chemische Reaktionen zwischen dem Schweißgut und schädlichen Luftbestandteilen wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff.
Die Verhinderung von Schweißnahtoxidation zielt darauf ab, den Kontakt zwischen schädlichen Bestandteilen und dem hochtemperierten Schweißgut zu reduzieren oder zu vermeiden. Dieser Hochtemperaturzustand umfasst nicht nur das flüssige Schweißbad, sondern den gesamten Zeitraum vom Schmelzen des Schweißguts bis zum Erstarren des Schmelzbades und dem Unterschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle.
Schweißverfahren
Beim Schweißen von Titanlegierungen beispielsweise kommt es bei Temperaturen über 300 °C zu einer raschen Wasserstoffabsorption, bei Temperaturen über 450 °C zu einer raschen Sauerstoffabsorption und bei Temperaturen über 600 °C zu einer raschen Stickstoffabsorption.
Daher ist ein wirksamer Schutz der Titanlegierungsschweißnaht während der Erstarrungsphase und der Abkühlung auf unter 300 °C erforderlich, um Oxidation zu verhindern. Wie oben beschrieben, muss das eingeblasene Schutzgas nicht nur das Schmelzbad zum richtigen Zeitpunkt schützen, sondern auch den gerade erst erstarrten Bereich der Schweißnaht. Aus diesem Grund wird die in Abbildung 1 dargestellte seitliche Schutzgaszufuhr bevorzugt, da sie im Vergleich zur in Abbildung 2 dargestellten koaxialen Schutzgaszufuhr einen umfassenderen Schutzbereich bietet, insbesondere für den gerade erst erstarrten Bereich der Schweißnaht.
Bei bestimmten Produkten muss die Wahl der Methode jedoch auf der Grundlage der Produktstruktur und der Gelenkkonfiguration erfolgen.
Spezielle Auswahl des Verfahrens zur Einleitung des Schutzgases
1. Geradlinige Schweißnaht
Wenn die Schweißnaht des Produkts gerade ist, wie in Abbildung 3 gezeigt, und die Verbindungskonfiguration Stumpf-, Überlapp-, Kehlnaht- oder Stapelschweißungen umfasst, ist die bevorzugte Methode für diese Art von Produkt das in Abbildung 1 gezeigte seitliche Blasverfahren.
Abbildung 3: Geradlinige Schweißnaht
2. Planare, geschlossene Geometrie-Schweißnaht
Wie in Abbildung 4 dargestellt, weist die Schweißnaht bei diesem Produkttyp eine geschlossene, ebene Form auf, beispielsweise eine kreisförmige, polygonale oder mehrsegmentige Linienform. Die Verbindungskonfigurationen umfassen Stumpf-, Überlapp- und Stapelschweißungen. Für diesen Produkttyp wird die Verwendung des in Abbildung 2 dargestellten koaxialen Schutzgases bevorzugt.
Abbildung 4: Planare, geschlossene Schweißgeometrie
Die Wahl des Schutzgases für planare, geschlossene Schweißungen beeinflusst maßgeblich Qualität, Effizienz und Kosten der Schweißproduktion. Aufgrund der Vielfalt der Schweißwerkstoffe gestaltet sich die Auswahl des Schweißgases in der Praxis jedoch komplex. Sie erfordert eine umfassende Berücksichtigung der Schweißwerkstoffe, der Schweißverfahren, der Schweißpositionen und des gewünschten Schweißergebnisses. Durch Schweißversuche lässt sich das am besten geeignete Schweißgas ermitteln, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
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Häufig gestellte Fragen
- Beim Laserschweißen ist das Schutzgas ein entscheidender Bestandteil, um den Schweißbereich vor atmosphärischen Verunreinigungen zu schützen. Der bei dieser Schweißart verwendete hochintensive Laserstrahl erzeugt eine erhebliche Hitzemenge und bildet so ein Schmelzbad.
Inertgas wird häufig zum Schutz des Schmelzbades beim Schweißen mit Laserschweißanlagen eingesetzt. Bei manchen Werkstoffen spielt Oberflächenoxidation keine Rolle. In den meisten Anwendungsfällen werden jedoch Helium, Argon, Stickstoff und andere Schutzgase verwendet. Im Folgenden wird erläutert, warum Laserschweißanlagen beim Schweißen Schutzgas benötigen.
Beim Laserschweißen beeinflusst das Schutzgas die Schweißnahtform, die Schweißnahtqualität, den Schweißeinbrand und die Schmelzbreite. In den meisten Fällen wirkt sich das Einblasen von Schutzgas positiv auf die Schweißnaht aus.
- Argon-Helium-GemischeArgon-Helium-Gemische: werden je nach Laserleistung im Allgemeinen für die meisten Aluminium-Laserschweißanwendungen empfohlen. Argon-Sauerstoff-Gemische: können eine hohe Effizienz und akzeptable Schweißqualität gewährleisten.
- Bei der Konstruktion und Anwendung von Gaslasern werden folgende Gase verwendet: Kohlendioxid (CO2), Helium-Neon (H und Ne) und Stickstoff (N).
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Veröffentlichungsdatum: 19. Mai 2023