Der Einfluss von Schutzgas beim Laserschweißen
Handlaserschweißgerät
Kapitelinhalt:
▶ Was kann Ihnen das richtige Schutzgas bieten?
▶ Verschiedene Arten von Schutzgasen
▶ Zwei Methoden zur Verwendung von Schutzgas
▶ Wie wählt man das richtige Schutzgas aus?
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Positiver Effekt des richtigen Schutzgases
Beim Laserschweißen 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 Einleitung von Schutzgas positiv auf die Schweißnaht aus. Allerdings kann es auch nachteilige Auswirkungen haben. Die positiven Auswirkungen der Verwendung des richtigen Schutzgases sind:
1. Wirksamer Schutz des Schweißbades
Durch die richtige Einleitung von Schutzgas kann das Schweißbad wirksam vor Oxidation geschützt oder sogar ganz verhindert werden.
2. Reduzierung der Spritzerbildung
Durch die richtige Einleitung des Schutzgases kann die Spritzerbildung beim Schweißvorgang wirksam reduziert werden.
3. Gleichmäßige Ausbildung der Schweißnaht
Durch die richtige Einleitung von Schutzgas wird die gleichmäßige Ausbreitung des Schweißbades während der Erstarrung begünstigt, was zu einer gleichmäßigen und ästhetisch ansprechenden Schweißnaht führt.
4. Erhöhte Lasernutzung
Durch die richtige Einleitung von Schutzgas kann die Abschirmwirkung von Metalldampffahnen oder Plasmawolken auf den Laser wirksam verringert und so die Effizienz des Lasers erhöht werden.
5. Reduzierung der Schweißporosität
Durch die richtige Einleitung von Schutzgas kann die Bildung von Gasporen in der Schweißnaht wirksam minimiert werden. Durch die Auswahl der richtigen Gasart, Durchflussrate und Einleitungsmethode können optimale Ergebnisse erzielt werden.
Jedoch,
Eine unsachgemäße Verwendung von Schutzgas kann sich nachteilig auf das Schweißen auswirken. Zu den Nebenwirkungen zählen:
1. Verschlechterung der Schweißnaht
Eine unsachgemäße Einleitung des Schutzgases kann zu einer schlechten Schweißnahtqualität führen.
2. Rissbildung und verminderte mechanische Eigenschaften
Die Wahl des falschen Gastyps kann zu Schweißnahtrissen und einer verminderten mechanischen Leistung führen.
3. Erhöhte Oxidation oder Interferenz
Eine falsche Wahl des Gasdurchflusses, sei es zu hoch oder zu niedrig, kann zu einer verstärkten Oxidation der Schweißnaht führen. Außerdem kann es zu starken Störungen der Metallschmelze kommen, die zu einem Zusammenbruch oder einer ungleichmäßigen Ausbildung der Schweißnaht führen können.
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. Einfluss auf die Schweißtiefe
Das Einbringen von Schutzgas kann einen gewissen Einfluss auf die Tiefe der Schweißnaht haben, insbesondere beim Schweißen dünner Bleche, wo es tendenziell zu einer Verringerung der Schweißtiefe führt.
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Arten von Schutzgasen
Die beim Laserschweißen üblicherweise verwendeten Schutzgase sind Stickstoff (N2), Argon (Ar) und Helium (He). Diese Gase haben unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften, die zu unterschiedlichen Auswirkungen auf die Schweißnaht führen.
1. Stickstoff (N2)
N2 hat eine mäßige Ionisierungsenergie, höher als Ar und niedriger als He. Unter der Einwirkung des Lasers ionisiert es in moderatem Maße, wodurch die Bildung von Plasmawolken wirksam reduziert und die Ausnutzung des Lasers erhöht wird. Allerdings kann Stickstoff bei bestimmten Temperaturen chemisch mit Aluminiumlegierungen und Kohlenstoffstahl reagieren und Nitride bilden. Dies kann die Sprödigkeit erhöhen und die Zähigkeit der Schweißnaht verringern, was sich negativ auf ihre mechanischen Eigenschaften auswirkt. Daher wird die Verwendung von Stickstoff als Schutzgas für Schweißnähte aus Aluminiumlegierungen und Kohlenstoffstahl nicht empfohlen. Andererseits kann Stickstoff mit Edelstahl reagieren und Nitride bilden, die die Festigkeit der Schweißverbindung erhöhen. Daher kann Stickstoff als Schutzgas zum Schweißen von Edelstahl verwendet werden.
2. Argongas (Ar)
Argongas hat die relativ niedrigste Ionisierungsenergie, was zu einem höheren Ionisierungsgrad unter Lasereinwirkung führt. Dies ist für die Kontrolle der Bildung von Plasmawolken ungünstig und kann einen gewissen Einfluss auf die effektive Nutzung von Lasern haben. Allerdings hat Argon eine sehr geringe Reaktivität und es ist unwahrscheinlich, dass es mit unedlen Metallen chemische Reaktionen eingeht. Darüber hinaus ist Argon kostengünstig. Darüber hinaus sinkt Argon aufgrund seiner hohen Dichte über das Schweißbad und bietet so einen besseren Schutz für das Schweißbad. Daher kann es als herkömmliches Schutzgas verwendet werden.
3. Heliumgas (He)
Heliumgas hat die höchste Ionisierungsenergie, was zu einem sehr geringen Ionisierungsgrad unter Lasereinwirkung führt. Es ermöglicht eine bessere Kontrolle der Plasmawolkenbildung und Laser können effektiv mit Metallen interagieren. Darüber hinaus weist Helium eine sehr geringe Reaktivität auf und geht keine chemischen Reaktionen mit Metallen ein, was es zu einem hervorragenden Gas zum Schutz vor Schweißnähten macht. Allerdings sind die Kosten für Helium hoch, sodass es in der Massenproduktion von Produkten im Allgemeinen nicht verwendet wird. Es wird häufig in der wissenschaftlichen Forschung oder für Produkte mit hoher Wertschöpfung eingesetzt.
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Methoden zum Einbringen von Schutzgas
Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zum Einbringen von Schutzgas: seitliches Einblasen außerhalb der Achse und koaxiales Schutzgas, wie in Abbildung 1 bzw. Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 1: Seitlich einblasendes Schutzgas außerhalb der Achse
Abbildung 2: Koaxiales Schutzgas
Die Wahl zwischen den beiden Blasmethoden hängt von verschiedenen Überlegungen ab. Im Allgemeinen wird empfohlen, für Schutzgas die seitliche Blasmethode außerhalb der Achse zu verwenden.
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Grundsätze zur Auswahl der Methode zur Einleitung von Schutzgas
Zunächst muss klargestellt werden, dass der Begriff „Oxidation“ von Schweißnähten ein umgangssprachlicher Ausdruck ist. Theoretisch bezieht es sich auf die Verschlechterung der Schweißqualität aufgrund chemischer Reaktionen zwischen dem Schweißgut und schädlichen Bestandteilen in der Luft, wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff.
Um Schweißoxidation zu verhindern, muss der Kontakt zwischen diesen schädlichen Komponenten und dem Hochtemperatur-Schweißgut reduziert oder vermieden werden. Dieser Hochtemperaturzustand umfasst nicht nur das geschmolzene Schweißbad, sondern den gesamten Zeitraum vom Schmelzen des Schweißguts bis zum Erstarren des Schweißbads und dem Absinken seiner Temperatur unter einen bestimmten Schwellenwert.
Beispielsweise kommt es beim Schweißen von Titanlegierungen bei Temperaturen über 300 °C zu einer schnellen Wasserstoffaufnahme; über 450 °C kommt es zu einer schnellen Sauerstoffaufnahme; und über 600 °C erfolgt eine schnelle Stickstoffabsorption. Daher ist ein wirksamer Schutz der Schweißnaht aus Titanlegierung während der Erstarrungsphase und dem Absinken der Temperatur unter 300 °C erforderlich, um eine Oxidation zu verhindern. Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass das eingeblasene Schutzgas nicht nur zum richtigen Zeitpunkt Schutz für das Schweißbad bieten muss, sondern auch für den gerade erstarrten Bereich der Schweißnaht. Daher wird im Allgemeinen die in Abbildung 1 gezeigte seitliche Blasmethode außerhalb der Achse bevorzugt, da sie im Vergleich zu der in Abbildung 2 gezeigten koaxialen Abschirmmethode einen größeren Schutzbereich bietet, insbesondere für den gerade erstarrten Bereich der Schweißnaht. Bei bestimmten Produkten muss die Wahl der Methode jedoch auf der Grundlage der Produktstruktur und der Verbindungskonfiguration erfolgen.
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Spezifische Auswahl der Art der Schutzgaseinleitung
1. Gerade Schweißnaht
Wenn die Schweißnahtform des Produkts gerade ist, wie in Abbildung 3 dargestellt, und die Verbindungskonfiguration Stumpfverbindungen, Überlappungsverbindungen, Kehlnähte oder Stapelschweißnähte umfasst, ist die bevorzugte Methode für diesen Produkttyp die in gezeigte außeraxiale Seitenblasmethode Abbildung 1.
Abbildung 3: Geradlinige Schweißnaht
2. Planare geschlossene Geometrieschweißung
Wie in Abbildung 4 dargestellt, hat die Schweißnaht bei diesem Produkttyp eine geschlossene ebene Form, beispielsweise eine kreisförmige, vieleckige oder mehrsegmentige Linienform. Die Verbindungskonfigurationen können Stumpfverbindungen, Überlappungsverbindungen oder Stapelschweißungen umfassen. Für diesen Produkttyp ist die bevorzugte Methode die Verwendung des in Abbildung 2 gezeigten koaxialen Schutzgases.
Abbildung 4: Schweißnaht mit planarer geschlossener Geometrie
Die Auswahl des Schutzgases für Schweißnähte mit planarer geschlossener Geometrie wirkt sich direkt auf die Qualität, Effizienz und Kosten der Schweißproduktion aus. Aufgrund der Vielfalt der Schweißmaterialien ist die Auswahl des Schweißgases bei tatsächlichen Schweißprozessen jedoch komplex. Es erfordert eine umfassende Betrachtung der Schweißmaterialien, Schweißmethoden, Schweißpositionen und des gewünschten Schweißergebnisses. Durch Schweißversuche kann die Auswahl des am besten geeigneten Schweißgases ermittelt werden, um optimale Schweißergebnisse zu erzielen.
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Videoanzeige | Blick auf Handlaserschweißen
Video 1 – Erfahren Sie mehr darüber, was ein tragbarer Laserschweißer ist
Video2 – Vielseitiges Laserschweißen für vielfältige Anforderungen
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 19. Mai 2023