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FACTS ABOUT Laser Technologie
Laserstrahlschweißen
Joachim Berkmanns, Cleveland – USA
Mark Faerber, Unterschleißheim – Deutschland

Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung
1. Einleitung 3
2. Das Laserstrahlschweißen 4
2.1 Prinzip des Laserstrahlschweißens 4
2.2 Schweißnahtanordnung 4
2.3 Unterschiedliche Schweißprozesse 5
3. Parameter für das Laserstrahlschweißen 6
3.1 Funktionen des Schweißgases 6
3.2 Tendenz zur Plasmabildung 6
3.3 Mechanisch-technologische Eigenschaften 6
3.4 Schutz von Schmelzbad und Naht 7
3.5 Schweißgasdüsen 7
3.6 Ausrichtung der Schweißgasdüsen 8
4. Gasdrücke und Volumenströme für
unterschiedliche Werkstoffe 9
4.1 Gase für das CO 2-Laserstrahlschweißen
von Baustahl 9
4.1.1 Die Plasmabildung 9
4.1.2 Schweißgasdüsen 9
4.1.3 Schweißmetallurgie 9
4.1.4 Anwendungsbeispiele 10
4.2 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen
von Baustahl 12
4.3 Gase für das CO 2-Laserstrahlschweißen
von Edelstahl 12
4.3.1 Austenitische Edelstähle 12
4.3.2 Ferritische Edelstähle 13
4.3.3 Austenitisch-ferritische Edelstähle 13
4.4 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen
von Edelstahl 14
4.5 Gase für das CO 2-Laserstrahlschweißen
von Aluminium 14
4.6 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen
von Aluminium 15
5. Laser für die Oberflächenbearbeitung 16
5.1 Laserstrahlumwandlungshärten 16
5.2 Modifizieren von Oberflächen 17
5.3 Laserstrahllegieren 17
5.4 Laserstrahlbeschichten 17
6. Schweißgase für das Laserstrahlschweißen
mit CO 2-Lasern 18
7. Schweißgase für das Laserstrahlschweißen
mit Nd:YAG-Lasern 19
8. Literaturverzeichnis 19
In den zurückliegenden Jahren hat sich
die Lasertechnologie vom Image des Exotischen
befreit und ist zu einem in vielen
Fertigungsbereichen eingesetzten „Stand
der Technik“ gereift. Das Laserstrahlschneiden
ist dabei die dominierende
Anwendung von Hochleistungslasern in
der Materialbearbeitung, aber auch das
Laserstrahlschweißen und das Bearbeiten
von Oberflächen wird bereits in vielen
industriellen Bereichen angewendet.
Das Laserstrahlschweißen wird dabei in
sehr unterschiedlichen Industriezweigen
eingesetzt, von der Mikroelektronik bis hin
zum Schiffbau. Unter diesen hat sich der
Automobilbau (vgl. Bild 1) als besonders
innovationsfreudig erwiesen, wenn es
darum geht, die besonderen Vorteile des
Laserstrahlschweißens zu nutzen:
geringe Wärmeeinbringung
schmale WEZ
geringer Verzug
hohe Schweißgeschwindigkeit
Dank dieser speziellen technologischen
Vorteile konnte und kann sich das Laserstrahlschweißen
insbesondere gegenüber
dem Widerstandsschweißen durchsetzen.
Ein zusätzlicher Pluspunkt ist das
Schweißen bei einseitiger Zugänglichkeit,
was weitere Anwendungsfelder eröffnet.
Mit der Hybridtechnik, bei der der Laserstrahl
mit einem Schutzgasschweißverfahren
kombiniert wird, lässt sich ein
Schwachpunkt des Laserstrahlschweißens
überwinden, und zwar die hohen Anforderungen
an die Vorbereitung der Schweißnaht.
Mit dem Schutzgasverfahren kann ein
Schweißzusatzwerkstoff eingebracht werden,
wodurch die Anforderungen an die
Kantenvorbereitung wesentlich reduziert
und außerdem gezielt Legierungselemente
zur Verbesserung der Nahteigenschaften
zugegeben werden können. Die Schweißgeschwindigkeit
ist dabei wesentlich höher
als mit dem Schutzgasschweißen allein,
zudem werden die Einschweißtiefe und
das Nahtaussehen wesentlich verbessert.
Neueste Entwicklungen bei der Anwendung
von Dioden- und Faserlasern zeigen
möglicherweise ganz neue Methoden auf,
Fertigungsaufgaben zu lösen. Es ist aber
noch einiges an Forschungs- und Entwicklungsarbeit
zu leisten, bevor diese neuen
Technologien ihren Platz in der Produktion
einnehmen können.
Hochleistungs-CO 2-Laser (2 –10 kW) werden
heutzutage u. a. für das Schweißen von
Karosseriebauteilen, Kraftübertragungskomponenten,
Wärmetauschern und maßgeschneiderten
Blechen, so genannten
Tailored Blanks, eingesetzt. Nd:YAG-Laser
geringerer Leistung (

2. Das Laserstrahlschweißen
2.1 Prinzip des Laserstrahlschweißens
In Bild 2 ist ein Schweißkopf dargestellt.
Der Laserstrahl wird, ausgehend vom
Resonator, mit Spiegeln übertragen und auf
das Werkstück fokussiert. Spiegel werden
dabei eingesetzt, weil diese im Vergleich
zu den bei geringeren Leistungen eingesetzten
Linsen besser gekühlt werden
können. Die Energie des fokussierten
Laserstrahls schmilzt dann den Werkstoff
auf und erzeugt eine Schweißnaht, wenn
der Laserstrahl und das Werkstück relativ
zueinander bewegt werden.
2.2 Schweißnahtanordnung
Es gibt prinzipiell vier unterschiedliche
Möglichkeiten der Schweißnahtanordnung,
siehe auch Bild 3:
Stumpfstoß (I-Naht)
Überlappstoß (Kehlnaht)
Überlappstoß (I-Naht)
Stirnflächennaht
Die zu verbindenden Bleche liegen beim
Stumpfstoßschweißen in einer Ebene
nebeneinander wie z. B. beim Schweißen
von Tailored Blanks. Die Bleche werden
gegeneinander gedrückt, um den Spalt
zwischen den Blechen möglichst gering zu
halten, und durch Aufschmelzen der Blechkanten
verschweißt. Die Vorbereitung der
Naht erfordert insbesondere bei Tailored
Blanks (< 2 mm) besondere Sorgfalt, da der
Laserstrahl einen Spalt größer als ca. 10 %
der Blechdicke nahezu ohne Energieübertragung
durchstrahlt und somit Nahtfehler
verursacht. Beschichtete Werkstoffe verhalten
sich dabei unkritisch, wenn keine
Beschichtung auf den Fügeflächen vorliegt.
Die Kehlnaht am Überlappstoß bezeichnet
eine Anordnung, bei der die zu verbindenden
Bleche überlappen, also teilweise
aufeinander liegen, wie z. B. bei Blechübergängen.
Die Blechkante des aufliegenden
Bleches wird dazu aufgeschmolzen und
mit dem darunter liegenden Blech
verschweißt. Die Fügeflächen müssen
metallisch blank sein, Oxide und andere
Beschichtungen müssen aus dem Fügebereich
entfernt werden.
Die I-Naht am Überlappstoß bezeichnet
eine Anordnung, bei der die zu verbindenden
Bleche überlappen, also teilweise
aufeinander liegen, wie z. B. beim Laserstrahlpunktschweißen.
Die Schweißpunkte
bzw. die Schweißnaht verbindet beide
Bleche an beliebiger Stelle, ohne die Blechkanten
zu erfassen. Die genaue Positionierung
der Naht ist in der Regel weniger
kritisch. Für die Nahtvorbereitung gilt
dabei im Wesentlichen das Gleiche wie
bei der Kehlnaht. Verunreinigungen und
Beschichtungen zwischen den Fügepartnern
müssen entfernt werden. Die
Laserstrahlleistung muss ausreichen, um
die gesamte Werkstoffdicke zu erfassen.
Werkstückbeschichtungen wie Zink u. a.
beeinträchtigen die Schweißnahtqualität,
wenn sie nicht aus dem Fügebereich entweichen
können, und verursachen dann
Poren und Nahtfehler. Wird dagegen ein
geringfügiger Spalt von ca. 0,05–0,2 mm
zwischen den Fügepartnern eingestellt,
können Beschichtungen verdampfen und
entweichen, ohne die Nahtqualität zu
beeinträchtigen.
Bild 2: Laserschweißkopf Bild 3: Typische Fugen- und
Nahtanordnungen
Fokussieroptik
Schutzdüse
für die Optik
Plasma
V
Schweißgut
Laserstrahl
Schweißgas
Grundwerkstoff
Geschmolzener
Werkstoff
Keyhole
Stumpfstoß (I-Naht)
Überlappstoß (Kehlnaht)
Überlappstoß (I-Naht)
Stirnflächennaht
Bei der Stirnflächennaht werden die
überlappenden Bleche an den Blechkanten
mit einer Kopfnaht verschweißt. Diese
Nahtanordnung erfordert eine exakte Positionierung
von Naht und Laserstrahl.
2.3 Unterschiedliche Schweißprozesse
Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche
Arten, mit dem Laserstrahl zu
schweißen, wie in Bild 4 dargestellt:
das Wärmeleitungsschweißen, bei dem
die an der Oberfläche eingebrachte
Energie infolge der Wärmeleitung in
den Werkstoff abfließt
das Tiefschweißen, bei dem sich eine
Schweißöse (engl.: Keyhole = Schlüsselloch)
ausbildet und der Laserstrahl tief
in den Werkstoff eindringt
Das Wärmeleitungsschweißen ist typisch
für das Schweißen mit geringerer Laserstrahlleistung
(

3. Parameter für das Laserstrahlschweißen
3.1 Funktionen des Schweißgases
Das Schweißgas wird dem Schweißprozess
mittels einer Gasdüse zugeführt, um den
erhitzten und geschmolzenen Werkstoff
vor einer Reaktion mit der Umgebungsatmosphäre
zu schützen. Aber dieses ist
nur eine von mehreren Funktionen des
Schweißgases. Weitere Aufgaben sind
der Schutz der Fokussieroptiken vor
Dämpfen und Schweißspritzern sowie
beim Schweißen mit CO 2-Lasern die Kontrolle
der Plasmawolke. Mit der Auswahl
eines Schweißgases kann aber auch
gezielt in den Prozess eingegriffen und die
Schweißgeschwindigkeit verbessert oder
die mechanisch-technologischen Eigenschaften
eingestellt werden.
Das chemische Verhalten und die physikalischen
Eigenschaften von Gasen sind
ebenso verschieden wie ihre Eignung als
Schweißgas für unterschiedliche Schweißaufgaben.
Dabei sind u. a. drei entscheidende
Kriterien zu berücksichtigen:
die Tendenz des Schweißgases, die
Plasmawolke anzureichern
der Einfluss auf die mechanischtechnologischen
Eigenschaften
die Schutz- bzw. Abdeckwirkung des
Schweißgases
3.2 Tendenz zur Plasmabildung
Die Plasmawolke kann den Schweißprozess
beim Schweißen mit Hochleistungs-
CO 2-Lasern und Laserstrahlleistungen von
mehr als ca. 3 kW erheblich behindern. Die
Intensität der Laserstrahlung ist dabei ausschlaggebend:
je höher die Intensität,
desto stärker die Neigung einzelner Gase
zur Plasmabildung. Entscheidend sind
dabei das Molekulargewicht des Gases, die
Wärmeleitfähigkeit und die benötigte Ionisierungsenergie,
um Gasatome zu ionisieren.
Gasmoleküle benötigen zusätzlich
Energie zur Dissoziation.
Ein geringes Molekulargewicht unterstützt
in diesem Zusammenhang die
Rekombination von Metallionen und
-elektronen, wodurch die Plasmawolke in
ihrer Ausdehnung eingeschränkt bzw.
die Dichte der Plasmawolke vorteilhaft
verringert wird. Ein hohes Wärmeleitvermögen
hilft bei der Ableitung von
Wärmeenergie aus der Plasmawolke an
die Umgebungsatmosphäre, womit die
Temperatur und damit ebenfalls die Dichte
der Plasmawolke verringert werden kann.
Entscheidend ist aber die Ionisierungsenergie,
also die Energie, die zugeführt
werden muss, damit ein Gasatom Elektronen
abgibt und ionisiert wird. Die Tendenz
eines Schweißgases, ionisiert zu werden
und die Plasmawolke anzureichern, wird
demzufolge durch eine hohe Ionisierungsenergie
eingeschränkt.
Das Molekulargewicht, die Wärmeleitfähigkeit,
die Dichte und die Ionisierungsenergie
unterschiedlicher Gase sind in
Tabelle 1 zusammengestellt.
Helium zeichnet sich durch das geringste
Molekulargewicht, das beste Wärmeleitvermögen
und die höchste Ionisierungsenergie
aus und ist damit am besten
geeignet, die Plasmawolke einzuschränken.
Argon ist demgegenüber vergleichsweise
einfach zu ionisieren und kann
erheblich zur Vergrößerung der Plasmawolke
beitragen, insbesondere bei Laserstrahlleistungen
von mehr als ca. 3 kW.
3.3 Mechanisch-technologische
Eigenschaften
In den meisten Fällen soll eine Reaktion
von Gasen mit dem Werkstoff ausgeschlossen
werden. Dazu werden die inerten
Gase Helium und Argon eingesetzt, die
nicht mit dem Werkstoff reagieren und
demzufolge die Werkstoffeigenschaften
nicht beeinflussen.
Kohlendioxid und Stickstoff sind demgegenüber
bei den im Schweißbereich
herrschenden Temperaturen reaktive
Gase, die Oxide, Karbide und Nitride mit
dem Werkstoff bilden, sich als Gasporen
im Werkstoff ausscheiden und ungleichmäßiges
Nahtaussehen verursachen können.
Die mechanisch-technologischen
Eigenschaften des Werkstoffs werden
dadurch verändert, sodass Stickstoff und
Kohlendioxid bei vielen Anwendungen als
reine Schweißgase ungeeignet sind.
Tabelle 1: Chemisches Verhalten und physikalische Eigenschaften
unterschiedlicher Gase
LaserMolekular- Thermische IonisierungsDissoziaschweißgasgewicht Leitfähigkeit
bei 1 bar,
15 °C
energietionsenergie (g/mol) (W/m K) (eV) (eV)
Helium 4 0,15363 24,6 0
Argon
40 0,01732 15,8 0
Stickstoff 28 0,02550 15,6 4,3
Kohlendioxid 44 0,01615 13,8 2,9*)
*) CO 2 CO + O
Dichte
relativ zur
Luft
(rel.)
0,14
1,38
0,96
1,52
Es gibt aber auch Schweißaufgaben, bei
denen reaktive Gase akzeptable Ergebnisse
ermöglichen bzw. das Schweißgas als
Legierungselement gezielt zugegeben wird.
Dazu zählen z. B. einige Edelstähle, bei
denen Stickstoff als Komponente im
Schweißgas die Korrosionsbeständigkeit
verbessert und die Gefügestruktur beeinflusst.
3.4 Schutz von Schmelzbad und Naht
Für einen effektiven Schutz von Schmelzbad
und Naht ist die Dichte des Schweißgases
entscheidend. Gase geringerer Dichte
verdrängen Luft weniger wirkungsvoll
als Gase höherer Dichte. Die Dichte von
Helium ist deutlich geringer als die von
Luft (vgl. Tabelle 1), sodass Helium unmittelbar
nach Austritt aus der Schweißgasdüse
aufwärts strebt. Der Schutz von Schmelzbad
und Naht erfordert demzufolge eine
gerichtete Strömung hoher Strömungsgeschwindigkeit
(kleine Düsenöffnung,
hoher Druck) bzw. große Durchflussrate
(große Düsenöffnung, niedriger Druck).
Ist die Strömung in das Schmelzbad
gerichtet, können Turbulenzen im Schmelzbad
erzeugt werden und die Nahtqualität
einschränken. Argon auf der anderen Seite
Koaxiale Düse
Laserstrahl
Seitliche Düse
Laserstrahl
weist eine relativ hohe Dichte auf und ist
sehr gut geeignet, die Luft aus dem Nahtbereich
(Wannenlage) zu verdrängen.
Helium-Argon-Gemische verbinden die
Vorteile beider Gase, die höhere Dichte von
Argon und das höhere Ionisierungspotenzial
von Helium, und sind damit zum
Schutz der Schweißnaht beim Schweißen
mit CO 2-Lasern besonders geeignet.
3.5 Schweißgasdüsen
Bild 5: Gasdüsen für das Laserstrahlschweißen
Unterschiedliche Düsen, die zur Schweißgaszuführung
eingesetzt werden, sind in
Bild 5 dargestellt. Koaxiale Düsen, Ringdüsen
und seitliche Gaszuführungen
werden üblicherweise für Laserstrahlleistungen
von höchstens 5 kW eingesetzt,
bei denen die Plasmabildung noch keine
besonderen Maßnahmen erfordert. Die
Düsenöffnung sollte relativ groß sein,
damit eine laminare Schweißgasströmung
geringer Geschwindigkeit eine gute Badabdeckung
ermöglicht, ohne die Schmelzbadbewegung
um die Schweißöse herum
zu beeinträchtigen. Das Schweißgas hat
dabei in der koaxialen Düse intensiven
Kontakt mit der Laserstrahlung; dies ist bei
der Ringdüse und der seitlichen Gaszu-
führung nicht der Fall. Beim Schweißen
großer Bauteildicken mit CO 2-Hochleistungslasern
erfordert die Plasmabildung in
der Regel besondere Maßnahmen. Dazu
wird Helium über einen so genannten Plasma-Jet
seitlich zugeführt, siehe Bild 5. Der
Plasma-Jet hat eine vergleichsweise kleine
Austrittsöffnung, sodass die Plasmawolke
mit einer gerichteten Strömung hoher
Strömungsgeschwindigkeit quasi weggeblasen
werden kann. Der Plasma-Jet wird
oft zusammen mit einer koaxialen Düse
eingesetzt, um den Schutz des Schmelzbades
zu verbessern.
Praxisübliche Düsengrößen und Arbeitsabstände
von koaxialen Düsen, seitlicher
Gaszuführung und Plasma-Jet sind in
Tabelle 2 zusammengestellt.
Bei seitlicher Gaszuführung wie auch bei
Verwendung des Plasma-Jets müssen die
Fokussieroptiken (Linsen oder Spiegel)
gegen Spritzer und Dämpfe geschützt werden.
Dazu wird zusätzlich entweder eine
koaxiale Düse eingesetzt oder ein so
genannter Cross-Jet, eine starke Gasströmung
quer zum Laserstrahl, die aufsteigende
Dämpfe und Spritzer wegbläst.
6 7
Schweißgas
Schweißnaht
Schweißgas
30 – 50°
Schweißnaht
Ringdüse
Laserstrahl
Schweißnaht
Tabelle 2: Düsengrößen und
Arbeitsabstände für Schweißgasdüsen
Düsenelement
Koaxiale Düse
Seitliche Düse
Durchmesser
(mm)
6–20
5–9
Arbeitsabstand
(mm)
5–8
2–8

3.6 Ausrichtung der Schweißgasdüsen
Bei der Ausrichtung der Schweißgaszuführung
gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.
Die seitliche Gaszuführung kann
z. B. schleppend hinter dem Laserstrahl,
wie in Bild 5 dargestellt, oder stechend
von vorn, also aus Richtung der unverschweißten
Naht, geführt werden.
Schleppend geführte Gasdüsen sind beim
Schweißen mit CO 2-Lasern weniger empfindlich
gegenüber Veränderungen der
Einstellparameter als stechend geführte
Düsen. Der Toleranzbereich für die Einstellparameter
(Anstellwinkel, Zielrichtung
etc.) wird aber auch wesentlich durch
das eingesetzte Schweißgas bestimmt.
Helium und Helium-Argon-Gemische
bieten diesbezüglich beim Schweißen mit
CO 2-Lasern ausreichend Spielraum.
Bezüglich der Gasart gilt es, eine Besonderheit
beim Einsatz von kohlendioxidhaltigen
Gasen zu beachten. Kohlendioxidhaltige
Gase dürfen nicht mit einer koaxialen Düse
zugeführt werden, nur mit Ringdüsen oder
mit seitlichen Zuführungen.
8
Bei Verwendung einer koaxialen Düse
besteht intensiver Kontakt zwischen Gas
und Laserstrahl – im Gegensatz zur Ringdüse
und zur seitlichen Zuführung – und
die Absorption von Laserstrahlung im CO 2
wäre in der koaxialen Düse zu groß.
Der Schweißgasverbrauch bzw. die Durchflussmenge
hängen von dem Aufbau der
Düse, der Düsengröße, der Art des Lasers
und der Leistung ab. Die Durchflussmenge
darf nicht zu groß und auch nicht zu
klein sein, siehe Bild 6. Eine zu geringe
Gasmenge würde nicht ausreichen, das
Schmelzbad vollständig zu schützen, eine
zu starke Strömung würde die Schmelzenströmung
verändern und ein schlechtes
Schweißergebnis z. B. mit Nahtunebenheit
und Wurzelrückfall verursachen.
Die Schweißgasströmung sollte außerdem
möglichst laminar und gleichmäßig ausgebildet
sein. Turbulenzen infolge zu hoher
Strömungsgeschwindigkeit, aber auch infolge
von Hindernissen im Strömungsweg,
führen zu Lufteinwirbelung und damit verminderter
Schutzfunktion, vgl. Bild 6.
Bild 6: Einstellung der Schweißgasströmung
1. Richtige Düsenposition. Ergebnis:
vollständige und gleichmäßige
Gasabdeckung der Naht
2. Düse nicht optimal positioniert. Ergebnis:
ungenügende Nahtabdeckung mit
schädlicher Lufteinwirbelung
3. Düse zu klein und zu hohe Gasgeschwindigkeit.
Ergebnis: ungenügende
Nahtabdeckung mit schädlicher
Lufteinwirbelung
4. Hindernisse zwischen Düse und
Schweißnaht. Ergebnis: ungenügende
Nahtabdeckung mit schädlicher
Lufteinwirbelung
Der Durchfluss beträgt für koaxiale Düsen
und seitliche Gasdüsen üblicherweise
10 – 50 l/min. Wird Argon als Schweißgas
für CO 2-Laseranwendungen eingesetzt,
kann ein deutlich höherer Gasfluss notwendig
sein, um die Plasmawolke zu
unterdrücken und wegzublasen. Gleichzeitig
steigt jedoch das Risiko, mit der
hohen Strömungsgeschwindigkeit Turbulenzen
im Schmelzbad zu verursachen.
1 2
3 4
4. Gasdrücke und Volumenströme für
unterschiedliche Werkstoffe
4.1 Gase für das CO 2-Laserstrahlschweißen
von Baustahl
Die Auswahl eines geeigneten Schweißgases
für Baustahl wird bestimmt durch:
Bild 7: Stickstoffgehalt im Schweißgut von
Baustahl, geschweißt mit unterschiedlichen
Schweißgasen
Stickstoff Gew. (%)
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
die Notwendigkeit, die Plasmabildung
einzuschränken
die Art der Schweißgaszuführung
die gewünschte Einflussnahme auf das
Schweißgefüge
4.1.1 Die Plasmabildung
Helium ist am besten geeignet, die Plasmawolke
einzuschränken. Deswegen ist Helium
praktisch die einzige Alternative als
Schweißgas beim Schweißen mit CO 2-
Lasern höchster Leistung von 10 kW und
mehr. Bei geringeren Laserstrahlleistungen
ist die Plasmabildung weniger kritisch,
sodass alternative Schweißgase angewendet
werden können.
Argon ist dabei für Laserstrahlleistungen
von bis zu ca. 3 kW geeignet. Die Tendenz
zur Plasmabildung durch Argon kann jedoch
He Ar N2 CO2 He/Ar/CO2 Laserschweißgas
Blechdicke 2 x 0,8 mm, Überlappstoß, 4 kW CO2-Laser, seitliche Gaszuführung ø 4 mm, Schweißgeschwindigkeit
4,2 m/min
durch Zumischen von Helium wesentlich
eingeschränkt und auch durch Zumischen
von Sauerstoff oder CO 2 verbessert werden.
Argon mit einem 30 %-Anteil Helium
ermöglicht zum Beispiel hohe Nahtqualität
und hohe Schweißgeschwindigkeit mit Laserstrahlleistungen
von 5 kW und mehr, unabhängig
von der Gaszuführung.
Argon mit 10 % Sauerstoff wird vorteilhaft
mit einer koaxialen Düse zugeführt,
wohingegen Argon mit 20 % CO 2 seitlich
zugeführt werden muss und ebenfalls
gute Resultate bis zu ca. 5 kW Laserstrahlleistung
ermöglicht.
4.1.2 Schweißgasdüsen
Wie bereits erläutert, können CO 2-haltige
Schweißgase nur mit einer Ringdüse oder
seitlich zugeführt werden, nicht jedoch
koaxial. Helium und heliumhaltige
Schweißgase bieten demgegenüber wesentlich
mehr Spielraum bei der Zuführung des
Schweißgases, unabhängig von der Art der
Schweißgasdüse. Andere Gemische, wie
zum Beispiel Argon mit 20 % CO 2-Anteil
und besonders Argon mit 10 % Sauerstoffanteil,
erfordern eine genauere Ausrich-
tung und Parameterwahl für die Schweißgasdüsen.
4.1.3 Schweißmetallurgie
Helium und Argon sind inerte Gase, die
nicht mit dem Werkstoff reagieren. Andere
Gase oder Schweißgaskomponenten wie
z. B. Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid
verhalten sich demgegenüber reaktiv und
können unter anderem Poren bilden.
Für die Bildung von Poren gibt es mehrere
Ursachen. Eine wichtige Rolle spielen die
komplexen Vorgänge in der Schweißöse.
Durch Instabilität der Schmelzenströmung
können Metalldampf und Schweißgas eingeschlossen
und bei der Abkühlung in
Poren ausgeschieden werden. Feine Poren
können sich auch bilden, wenn reiner
Stickstoff als Schweißgas verwendet wird.
Stickstoff wird im Werkstoff gelöst, siehe
Bild 7. Die Löslichkeit für Stickstoff
nimmt ab, wenn der Werkstoff abkühlt,
und Stickstoff scheidet sich in Poren aus.
(Bei den übrigen Gasen wird ein geringfügig
erhöhter Stickstoffgehalt durch Lufteinwirbelung
im Überlappspalt verursacht.)
9

Gase, die mit dem Werkstoff reagieren und
vom Werkstoff aufgenommen werden,
können unter anderem eine Aufhärtung
und Versprödung des Gefüges verursachen.
So kann das Metallgitter durch eingelagerte
Fremdatome blockiert und damit
das Verformungsvermögen eingeschränkt
oder auch das Umwandlungsverhalten
verändert werden. Von Stickstoff ist
bekannt, dass dieser die Härte des Gefüges
erhöht. Stickstoff wird im Schmelzbad
gelöst und wirkt als Austenitstabilisator. Im
Schweißbad entsteht ein austenitisches
Gefüge, bei der Abkühlung wandelt sich
das austenitische Gefüge dann bevorzugt
in Martensit und Bainit um. Das Schweißgut
weist anschließend wegen des höheren
Anteils an diesen harten Phasen eine hohe
Härte auf.
Sauerstoff andererseits kann die Härte des
Schweißguts von C-Mn-Stahl vermindern.
Bei hohen Schweißgeschwindigkeiten
wirkt Sauerstoff bei der Abkühlung des
Schmelzguts als Keimbildner, sodass eine
feine duktile Matrix mit hohem Nadelferritanteil
entsteht. Besonders beim Schiffbau
ist die Duktilität der Nähte entscheidend.
Schweißgase mit ca. 4 % Sauerstoff im
Helium werden hierbei vorteilhaft angewendet.
Höhere Sauerstoffanteile und
geringe Schweißgeschwindigkeit lassen
den Sauerstoff jedoch reagieren und mit
Oxidverbindungen die Werkstoffmatrix
verspannen, sodass der gegenteilige Effekt,
eine Nahtversprödung, erzielt wird.
Ein ähnliches Verhalten ergibt sich bei der
Zugabe von CO 2-Anteilen zum Schweißgas.
Ein geringer Anteil beeinflusst die
Oberflächenspannung des Schmelzbads
günstig und ergibt weiche Nahtübergänge.
Ein höherer Anteil verursacht demgegenüber
einen erhöhten Kohlenstoffgehalt im
Gefüge. Die Vergrößerung des Kohlenstoffgehalts
ist besonders bei Stählen mit
mehr als 0,25 % Kohlenstoff kritisch, da
diese beim Laserstrahlschweißen besonders
rissempfindlich sind. Bei diesen
Werkstoffen sollte auf einen CO 2-Anteil
im Schweißgas verzichtet werden.
Wasserstoffanteile im Schweißgas dürfen
nicht bei Baustahl und anderen ferritischen
Stählen angewendet werden. Wasserstoff
wird im Schmelzbad aufgenommen und
versprödet die Werkstoffmatrix.
Bild 8: Verformbarkeit der Nähte geschweißter
Automobilbleche relativ zum Grundwerkstoff
Verformbarkeit (%)
100
80
60
40
20
0
He Ar N 2 CO 2 He/Ar/CO 2
Schweißgas
Blechdicke 2 x 0,8 mm, Stumpfstoß, 4 kW CO2-Laser, seitliche Gaszuführung ø 4 mm, Schweißgeschwindigkeit
7 m/min
4.1.4 Anwendungsbeispiele
Die Verformbarkeit ist ein entscheidendes
Kriterium beim Laserstrahlschweißen von
Tailored Blanks (maßgeschneiderte Blechtafeln).
Diese werden aus zwei oder mehreren
Tafeln zusammengesetzt und im
Stumpfstoß verschweißt, siehe Bild 9.
Nach dem Schweißen werden die Tafeln
tiefgezogen und die benötigte Form
erstellt, z. B. eine PKW-Bodenplatte oder
PKW-Außentür. Dabei werden Bleche
unterschiedlicher Dicke und unterschiedlicher
Qualitäten mit und ohne Beschichtung
zusammengefügt.
Die Verformbarkeit der Laserschweißnähte
wird üblicherweise mit einem Eindrücktest
ermittelt, wobei ein Stempel bis
zum Rissanfang in die Naht gedrückt
wird. Die Weglänge des Stempels bis zum
Anriss wird im Vergleich zum Grundwerkstoff
angegeben. Resultate entsprechender
Tests sind für unterschiedliche
Schweißgase in Bild 8 dargestellt. Unter
reinem Helium sowie reinem Argon
ergibt sich eine gute Verformbarkeit, mit
infolge der Plasmabildung etwas geringeren
Werten für Argon. Die Schweißgasmenge
wurde jeweils für eine vollständige
Bild 9: Laserstrahlgeschweißte
Tailored Blanks (maßgeschneiderte
Blechtafeln)
Durchschweißung optimiert. Reiner Stickstoff,
CO 2 oder Luft sind als Schweißgase
dagegen ungeeignet, da eine Vielzahl von
Poren die Verformbarkeit deutlich einschränken.
Zudem treten bei Rundnähten
im Überlappbereich Schweißnahtfehler
auf. Angepasste Schweißgase mit Helium,
Argon und CO 2-Anteilen vereinigen die
Vorteile der einzelnen Gase und ermöglichen
beste Verformungswerte und weiche
Nahtübergänge.
Eine gute Verformbarkeit lässt sich auch
mit Helium und Argongemischen bei
koaxialer Gaszuführung erzielen, siehe
Bild 10. Gemische mit CO 2-Anteil können
dagegen nicht koaxial zugegeben werden.
Dieses Anwendungsbeispiel zeigt deutlich,
wie die erwünschten mechanischtechnologischen
Eigenschaften des Produkts
mit der Auswahl der Schweißgase
gesteuert werden können.
Helium ist das am besten geeignete
Schweißgas für das Laserstrahlschweißen
von Baustahl mit CO 2-Lasern im Hinblick
auf die Reproduzierbarkeit, die Produktivität
und die Erhaltung der Gefüge-
Bild 10: Verformbarkeit der Nähte geschweißter
Baustahlbleche relativ zum Grundwerkstoff
Verformbarkeit (%)
eigenschaften. Helium kann sowohl mit
koaxialen Düsen als auch mit seitlichen
Zuführungen und Plasma-Jet zugegeben
werden. Bei der Ausrichtung der seitlichen
Zuführung lässt Helium viel Spielraum
ohne Qualitätseinbußen. Das Verformungsvermögen
der mit Helium geschweißten
Nähte ist relativ gut, sodass
Helium zum Schweißen von Tailored
Blanks eingesetzt werden kann. Helium
ist gut geeignet, die Plasmawolke einzuschränken,
und kann bei allen Laserstrahlleistungen
und sogar beim Schweißen
großer Blechdicken angewendet werden.
Argon kann im unteren Leistungsbereich
von weniger als ca. 3 kW eingesetzt werden.
Bei höheren Leistungen vergrößert Argon
die Plasmawolke mit entsprechenden
Leistungs- und Qualitätsverlusten. Argongemische
wie z. B. Argon mit 30 % Heliumanteil,
Argon mit 10 % Sauerstoffanteil
oder Argon mit 20 % CO 2-Anteil sind
besser geeignet, in unterschiedlichen
Leistungsbereichen die Plasmawolke einzuschränken,
als die Verwendung von
reinem Argon.
Argon mit 30 % Heliumanteil ist ein Inert-
gasgemisch, das sowohl koaxial als auch
seitlich zugeführt werden kann. Bei der
Ausrichtung der seitlichen Zuführung
lässt dieses Gemisch viel Spielraum ohne
wesentliche Qualitätseinbußen, siehe
Bild 10. Die Nahtgüte und das Verformungsvermögen
der Nähte sind relativ gut,
sodass dieses Gemisch zum Schweißen
von Tailored Blanks eingesetzt wird.
Argon mit 10 % Sauerstoffanteil wird über
die koaxiale Düse bei Laserstrahlleistungen
von bis zu ca. 5 kW zugeführt.
Die Nähte zeichnen sich durch besondere
mechanisch-technologische Eigenschaften
wie z.B. Verformbarkeit aus, das Gemisch
ist daher ebenfalls für Tailored Blanks geeignet.
Gleichwohl sollte Argon/Sauerstoff
nicht für Rundnähte verwendet werden,
da am Nahtende im Überlappbereich
Schweißnahtfehler auftreten können.
Argon mit 20 % CO 2-Anteil kann nur über
eine seitliche Zuführung bis zu Laserstrahlleistungen
von ca. 5 kW zugegeben
werden. Die Düse muss im Vergleich zu
Gemischen mit Helium relativ genau positioniert
werden, um reproduzierbare
Ergebnisse zu ermöglichen. Damit lassen
10 11
100
80
60
40
20
0
He
Schweißgas
Ar/30 % He Ar/10 % O2 Blechdicke 2 x 0,8 mm, Stumpfstoß, 4 kW CO2-Laser, koaxiale Düse ø 5 mm, Schweißgeschwindigkeit 7 m/min

sich bei geringeren Werkstoffdicken akzeptable
mechanisch-technologische Eigenschaften
erzielen. Hohe Nahtgüten und
gute Verformbarkeit ermöglicht ein zusätzlicher
Heliumanteil zusammen mit Argon
und CO 2.
In Tabelle 3 im Kapitel 6 sind die für das
Laserstrahlschweißen von Baustahl geeigneten
Gase aufgelistet.
4.2 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen
von Baustahl
Beim Schweißen mit dem Nd:YAG-Laserstrahl
tritt die Plasmaproblematik gegenüber
dem CO 2-Laser deutlich in den Hintergrund.
Dabei spielen die unterschiedliche
Wellenlänge und die Intensität der
Laserstrahlung eine entscheidende Rolle.
Die Laserstrahlung wird daher ohne besondere
Schwächung im Werkstoff absorbiert
und es besteht keine Notwendigkeit, Helium
einzusetzen. Argon ist als inertes Gas
besonders geeignet, Schmelzbad und Naht
zu schützen. Bei einigen Anwendungen
können reaktive Gemische wie z. B. Argon
mit 10 % Sauerstoff oder Argon mit 20 %
CO 2-Anteil eingesetzt werden.
4.3 Gase für das CO 2-Laserstrahlschweißen
von Edelstahl
Das Laserstrahlschweißen von Edelstahl
erfordert erst einmal die gleichen Vorüberlegungen
bzgl. der Plasmabildung
und Düsenanordnung wie das Schweißen
von Baustahl. Im Hinblick auf die Metallurgie
ergeben sich aber Unterschiede,
denn Edelstähle weisen einen wesentlich
höheren Gehalt an Legierungselementen
auf als Baustähle.
Die Auswahl des geeigneten Schweißgases
wird zudem durch die Gefügestruktur,
austenitisch, ferritisch oder duplex,
und durch die dazugehörenden spezifischen
Legierungselemente mitbestimmt.
Schweißgase mit Anteilen von Sauerstoff
oder CO 2 sollten grundsätzlich vermieden
werden. Sauerstoff bildet Oxide im Gefüge
und an der Oberfläche, die die Korrosionsbeständigkeit
zerstören. Auch CO 2 wirkt
oxidierend und erhöht das Risiko interkristalliner
Korrosion.
4.3.1 Austenitische Edelstähle
Edelstähle haben zumeist ein austenitisches
Gefüge und sind dann in der Regel
mit Chrom und Nickel legiert. Bei einigen
Werkstoffen wird ein kleiner Anteil Stickstoff
eingesetzt, um die mechanische
Festigkeit und die Beständigkeit gegen
Lochfraßkorrosion zu erhöhen.
Einen speziellen Werkstoff unter den Austeniten
stellen die Superaustenite dar, die
noch höhere Legierungsgehalte insbesondere
bei Molybdän und Stickstoff aufweisen.
Zum Laserstrahlschweißen austenitischer
Werkstoffe werden regelmäßig Helium,
Argon und Argon-Helium-Gemische
(Argon mit 30 % oder 50 % Helium) eingesetzt.
Je größer die eingesetzte Laserstrahlleistung,
desto größer muss der Heliumanteil
im Schweißgas sein, um die Plasmawolke
einzuschränken.
Eine weitere Alternative beim Laserstrahlschweißen
von Austeniten ist ein
Schweißgas mit Wasserstoffanteil wie
z. B. Argon mit 6 –10 % Wasserstoff. Im
Gegensatz zu ferritischen Werkstoffen
werden austenitische Werkstoffe durch
Wasserstoff nicht spröde. Wasserstoff
unterstützt die Rekombination der Plasmawolke,
bindet und reduziert Oxide und
beeinflusst die Schmelzenviskosität. In
der Gegenüberstellung in Bild 11 sind die
Schweißgeschwindigkeiten mit unterschiedlichen
Gasen dargestellt: Argon mit
7 % Wasserstoff ergab die höchste Schweißgeschwindigkeit
im Vergleich zu Helium,
Argon und Helium mit 30 % Argon.
Zudem wurden mit Argon/Wasserstoff
metallisch blanke Oberflächen erzielt.
Stickstoff als Schweißgaszusatz wird
besonders für stickstofflegierte Stähle,
austenitische und superaustenitische,
empfohlen. Damit lassen sich Stickstoffverluste
während des Schweißens wieder
ausgleichen, wodurch sonst die Beständigkeit
gegen Lochfraßkorrosion vermindert
werden würde.
Gleichwohl darf Stickstoff nicht für austenitische
Stähle eingesetzt werden, die
mit Titan oder Niob legiert sind. Stickstoff
bindet diese Legierungselemente als Nitride,
Bild 11: Schweißgeschwindigkeit mit unterschiedlichen
Schweißgasen
Maximale Schweißgeschwindigkeit
(m/min)
8
6
4
2
0
Ar He He/30 % Ar Ar/7 % H 2
Schweißgas
Austenitischer Stahl (AISI 304) 2 mm,
2,2 kW CO2-Laser, koaxiale Düse ø 8 mm
sodass der Anteil an Niob und Titan, die die
Bildung von Chromkarbiden und interkristalline
Korrosion verhindern sollen, im
Werkstoff sinkt.
4.3.2 Ferritische Edelstähle
Das wichtigste Legierungselement der
ferritischen Edelstähle ist Chrom. Zum
Schweißen dieser Stähle werden üblicherweise
inerte Gase eingesetzt, also Helium,
Argon und Argon-Helium-Gemische.
Stickstoff als Schweißgas würde im
Schmelzbad gelöst werden und ähnlich
wirken wie Kohlenstoff, den Martensitanteil
im Schweißgut erhöhen und den
Werkstoff aufhärten und verspröden. Wasserstoffanteile
müssen in jedem Fall vermieden
werden, da diese wie bei Baustahl
eine Wasserstoffversprödung verursachen.
4.3.3 Austenitisch-ferritische Edelstähle
Austenitisch-ferritische Stähle werden
üblicherweise Duplex- und Superduplexstähle
genannt. Sie zeichnen sich durch
ein Gefüge mit sowohl austenitischen als
auch ferritischen Bestandteilen aus. Der
Volumenanteil beider Bestandteile ist etwa
gleich groß. Wichtigste Legierungselemente
sind Chrom, Nickel und Molybdän.
Üblicherweise findet auch Stickstoff als
Legierungselement Anwendung. Superduplexstähle
weisen einen noch höheren
Gehalt an Legierungselementen auf als die
Duplexstähle.
Eine besondere Herausforderung beim
Schweißen von Duplexstählen ist der
Erhalt der zwei Phasen. Insbesondere der
Austenitanteil im Schweißgut würde sich
ohne besondere Maßnahmen drastisch
reduzieren und die mechanisch-technologischen
Eigenschaften sowie die Korrosionsbeständigkeit
erheblich einschränken.
Durch den Einsatz stickstoffhaltiger
Schweißgase wie Stickstoff, Argon/Stickstoff
oder Helium/Stickstoff kann diesem
entgegengewirkt und der Austenitanteil
wieder erhöht werden. Stickstoff wird im
Schmelzbad aufgenommen und fördert
die Bildung der Austenitphase.
Schweißgase mit Wasserstoffanteil sollten
bei Duplexstählen nicht angewendet werden.
Diese Werkstoffe enthalten einen
großen Anteil ferritisches Gefüge, das
gegenüber einer Wasserstoffversprödung
empfindlich ist.
Das Laserstrahlschweißen von Edelstählen
kann zusätzlich Gasschutz in bestimmten
Bereichen erfordern, z. B. einen erweiterten
Nahtschutz und zusätzlichen Wurzelschutz.
Infolge der hohen Schweißgeschwindigkeiten
kann der Schweißnahtbereich
aus der Schutzgaszone herausfahren,
bevor die Temperatur einen unkritischen
Wert erreicht hat, und mit der
Umgebungsluft reagieren. In diesem Fall
wird ein spezieller Schutzgasschuh eingesetzt,
der den Bereich der gasgeschützten
Nahtoberseite erweitert.
Gase für den Wurzelschutz sind Argon
sowie Stickstoff-Wasserstoff-Gemische für
austenitische Werkstoffe. Stickstoffgemische
sind jedoch nicht geeignet für titanstabilisierte
Austenite, da diese Titannitride
bilden können. Wasserstoffhaltige
Gemische sollten wegen der Wasserstoffversprödung
nicht bei ferritischen Werkstoffen
eingesetzt werden. Duplex- und
Superduplexstähle können mit Stickstoff
wurzelseitig geschützt werden, da der
Stickstoff den Erhalt der Austenitphase
unterstützt.
Gase, die für das CO 2-Laserstrahlschweißen
von Edelstählen geeignet sind, sind in
Tabelle 3 in Kapitel 6 zusammengestellt.
12 13

4.4 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen
von Edelstahl
Die Absorption von Laserstrahlung und
Änderung der Strahlparameter in der Plasmawolke
ist beim Schweißen mit
Nd:YAG-Lasern im Gegensatz zum CO 2-
Laser ohne große Bedeutung (siehe Kapitel
4.2). Deswegen ist es nicht notwendig,
Helium oder Heliumgemische zum
Schweißen von Edelstählen mit Nd:YAG-
Lasern einzusetzen.
Die Auswahl des geeigneten Schweißgases
wird somit wesentlich durch den benötigten
Schutz gegenüber einer Reaktion mit
der Umgebungsatmosphäre, insbesondere
einer Oxidation, bestimmt.
Argon wird bereits seit längerem zum
Schweißen von kleinen Bauteilen aus
Edelstahl mit Nd:YAG-Lasern geringerer
Leistung (

5. Laser für die Oberflächenbearbeitung
Die Oberflächenbearbeitung mit Lasern
führt immer noch ein Schattendasein im
Vergleich zu anderen industriellen
Anwendungen der Lasertechnik. Dabei
werden die hohen Investitionskosten für
eine Laseranlage in der Regel durch die
dabei eingesparten nachfolgenden Prozesse
mehr als kompensiert. Diese ganzheitliche
Betrachtungsweise wird dem Laser
zunehmend den Weg in die Fertigung für
die Oberflächenbearbeitungsverfahren
ebnen:
Umwandlungshärten
Modifizieren von Oberflächen
Legieren
Beschichten
Weitere Anwendungen
Für diese Prozesse werden hohe Laserstrahlleistungen
benötigt, sodass hauptsächlich
CO 2-Laser zum Einsatz kommen.
Dabei spielt jedoch die gute Fokussierbarkeit
der Laserstrahlung im Gegensatz zum
Laserstrahlschneiden und -schweißen
keine Rolle, da der Laserstrahl im Wesentlichen
unfokussiert oder defokussiert
eingesetzt wird, um eine große Fläche pro
Zeiteinheit bearbeiten zu können. Zudem
wird der Laserstrahl oft mit optischen
Elementen so verändert, dass er für die
jeweilige Aufgabe optimal geeignet ist.
So kann z. B. ein linienförmiges oder
rechteckiges Strahlprofil erzeugt und einer
zu bearbeitenden Kontur entsprechend
angepasst werden.
Interessanterweise passen diese Anforderungen
sehr gut zu dem neu entwickelten
Hochleistungsdiodenlaser. Dessen Strahleigenschaften
sind für das Laserstrahlschneiden
nicht und für das Schweißen
nur eingeschränkt, dagegen für die Oberflächenbearbeitung
optimal geeignet.
Berücksichtigt man zudem die Flexibilität
dieser kompakten Systeme, kann eine
Vielzahl von Anwendungen bei der Oberflächenbearbeitung
damit abgedeckt
werden. Zur Verbesserung der Absorption
werden die Oberflächen oftmals mit einer
dünnen Schicht aus kohlenstoffhaltigem
Material vorbereitet.
5.1 Laserstrahlumwandlungshärten
Das Laserstrahlumwandlungshärten ist
bei den Oberflächenprozessen das am
häufigsten angewandte Verfahren. Der
Laserstrahl wird dabei zur Erwärmung der
Werkstückoberfläche bis nahe an die
Schmelztemperatur, bei der sich die Werkstoffmatrix
umwandelt, eingesetzt. Bei
der nachfolgenden schnellen Abkühlung
wandelt sich das austenitische Gefüge
zurück in harten Martensit. Ein zusätzliches
Abschrecken des Werkstoffs ist nicht
notwendig, da die Wärme sehr schnell in
den umgebenden Werkstoff abfließt und
vom eingesetzten Schutzgas abtransportiert
wird. So wird ein dem Abschrecken
vergleichbarer Effekt erzielt. Eine weitere
Funktion des eingesetzten Schutzgases ist
der Schutz des erhitzten Werkstoffs vor
Reaktionen mit der Umgebungsluft. Argon
und Stickstoff werden dazu oft eingesetzt,
selten Helium. Bei Stickstoff ist jedoch eine
mögliche Aufhärtung infolge einer Reaktion
mit dem Werkstoff zu berücksichtigen.
Interessanterweise kann das Laserstrahlhärten
bei Stahl und auch bei Gusseisen
angewendet werden und der Wärmeeintrag
lokal sehr begrenzt erfolgen. Damit kann
Verzug gegenüber klassischen Verfahren
vermindert bzw. sogar ausgeschlossen
werden, vgl. Bild 14.
Die Schutzgasströmung beträgt z. B.
20 l/min, ist aber von der Größe der erhitzten
Fläche und der Vorschubgeschwindigkeit
abhängig. Bei größerer Wärmespur
und Geschwindigkeit muss ein größerer
Arbeitsbereich geschützt werden und dies
kann höhere Gasflüsse erfordern.
5.2 Modifizieren von Oberflächen
Das Modifizieren von Oberflächen beinhaltet
sämtliche Maßnahmen zur räumlich
begrenzten Veränderung der Oberflächenstruktur
eines Bauteils. Dies
kann z. B. beschichtete oder Gusswerkstücke
betreffen, die umgeschmolzen oder
angelassen werden sollen. Schutzgase
verdienen dabei besonderes Augenmerk,
da der erhitzte Werkstoff eine höhere Aufnahme-/Reaktionsfähigkeit
aufweist als
der kalte Werkstoff. Aus diesem Grund
werden in der Regel die Inertgase Argon
und Helium und gelegentlich auch Stickstoff
eingesetzt. Beim Stickstoff muss
jedoch wiederum auf die mögliche Aufhärtung
hingewiesen werden.
Werkstoffe, die zur Reduzierung eines
hohen Gasgehalts erhitzt bzw. umgeschmolzen
werden, müssen dementsprechend
mit einem Schutzgas geschützt
werden, das den Prozess in geeigneter
Weise unterstützt.
5.3 Laserstrahllegieren
In diesem Prozess wird der Werkstoff
angeschmolzen, um gasförmige oder feste
Bestandteile über das Schmelzbad in die
Werkstoffmatrix einzubringen. Hiermit
können die mechanisch-technologischen
Eigenschaften der Randschicht gezielt ver-
Bild 14: Beispiel für
das Laserumwandlungshärten
ändert werden, z. B. zur Verbesserung der
Verschleißfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit,
der Härte, der chemischen Beständigkeit
usw.
Je nach Werkstoff und Anwendung kann
eine Vielzahl metallischer Pulver oder Gase
eingesetzt werden. Ein wichtiges gasförmiges
Legierungselement ist z. B. Stickstoff,
aber auch andere Gase wie Methan,
Kohlendioxid und sonstige wie z. B. fluoridhaltige
Gase werden eingesetzt. Feststoffe
können mit Hilfe eines Inertgases in das
Schmelzbad geblasen werden, wobei üblicherweise
Argon eingesetzt wird. Argon
ist dabei sowohl Fördergas als auch
Schutzgas.
5.4 Laserstrahlbeschichten
Das Beschichten dient dem Aufbringen
einer Schicht auf ein Werkstück, um
z. B. gezielt die Verschleißfestigkeit oder
die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Dabei wird der Werkstoff angeschmolzen
und das Beschichtungsmaterial schichtweise
aufgetragen. Dieses wird zumeist als
Pulver oder Draht zugeführt und zur Verbesserung
der Haftung geschmolzen. Ein
besonderer Vorteil der Lasertechnik beim
Beschichten ist die mögliche exakte Wärmeführung.
Der Grundwerkstoff sollte nur
geringfügig angeschmolzen werden, um
die Beschichtung so wenig wie möglich
aufzumischen. Andererseits soll zwischen
Grundwerkstoff und Beschichtung eine
feste Verbindung erzielt werden.
Bei drahtförmigem Beschichtungswerkstoff
werden Argon, Stickstoff oder Helium
als Schutzgase zugegeben. Pulverförmiger
Werkstoff benötigt ein Fördergas zur
Zuführung, was in der Regel auch als
Schutzgas für die erstellte Beschichtung
wirkt. Je nach Art der Zuführung kann
jedoch auch eine separate Schutzgaszuführung
erforderlich sein. Als Förder- und
Schutzgas wird regelmäßig Argon eingesetzt.
Bei koaxialer Zuführung durch den
Laserstrahl kann zudem eine unerwünschte
Plasmabildung auftreten, die einen
Heliumanteil oder bei geeignetem Werkstoff
einen Wasserstoffanteil unumgänglich
macht.
16 17

6. Schweißgase für das Laserstrahlschweißen
mit CO 2 -Lasern
Tabelle 3: Schweißgase für das Laserstrahlschweißen mit CO 2 -Lasern
7. Schweißgase für das Laserstrahlschweißen mit
Nd:YAG-Lasern
Tabelle 4: Schweißgase für das Laserstrahlschweißen mit Nd:YAG-Lasern
Schweißgas
Bemerkungen*
Wurzelschutzgas
Schweißgas
Bemerkungen*
Wurzelschutzgas
Helium
Alle Laserleistungen, Koaxialdüse und Seitendüse,
Argon
Argon
Alle Laserleistungen, Inertgas, hohe Schweißnahtqualität
Argon
hohe Schweißnahtqualität, gute Verformbarkeit
Kohlendioxid
Sonderanwendungen
Argon
Laserleistungen bis zu 3 kW, Koaxialdüse und Seitendüse
Argon/Kohlendioxid Alle Laserleistungen, hohe Schweißnahtqualität besonders
Argon/30 % Helium Koaxialdüse und Seitendüse, hohe Schweißnahtqualität,
für beschichtete Bleche
Argon/50 % Helium gute Verformbarkeit
Argon
Alle Laserleistungen, Inertgas, hohe Schweißnahtqualität
Argon und Stick-
Argon/10 %
Laserleistungen bis zu 5 kW, Koaxialdüse, gute Verformbarkeit
Argon/6–10 %
Alle Laserleistungen, metallisch blanke Naht
stoff-Wasserstoff-
Sauerstoff
Wasserstoff
Mischungen
Argon/20 % Kohlen- Laserleistungen bis zu 5 kW, Seitendüse, begrenzte Toleranz bei den
Stickstoff
Legierungen mit Stickstoff
dioxid
Düsenparametern, akzeptable Schweißnahtqualität für C-Stahl
Argon
Alle Laserleistungen, Inertgas, hohe Schweißnahtqualität
Argon
LASGON Laserleistungen bis zu 8 kW, Seitendüse, hohe Schweißnahtqualität,
besonders für beschichtete Bleche
Laserleistungen bis zu 5 kW, Koaxialdüse und Seitendüse, hohe Argon und
Stickstoff
Alle Laserleistungen
Stickstoff
Schweißgeschwindigkeit, metallisch blanke Naht
Stickstoff-
Laserleistungen bis zu 3 kW, Koaxialdüse und Seitendüse
Wasserstoff-
Koaxialdüse und Seitendüse
Mischungen
Helium
Alle Laserleistungen, hohe Schweißnahtqualität
Argon
Helium/10 – 30 % Argon Alle Laserleistungen, hohe Schweißnahtqualität
und Helium
Alle Laserleistungen, Koaxialdüse und Seitendüse
Argon
Alle Laserleistungen, Schweißspritzer
Koaxialdüse und Seitendüse, Legierungen mit Stickstoff
Laserleistungen bis zu 3 kW, Koaxialdüse und Seitendüse
Argon
Koaxialdüse und Seitendüse
8. Literaturverzeichnis
Alle Laserleistungen, Koaxialdüse und Seitendüse
Koaxialdüse und Seitendüse, Legierungen mit Stickstoff
Stickstoff
Koaxialdüse und Seitendüse
Hohe Laserleistungen, Koaxialdüse und Seitendüse
[1] C. Dawes, „Laser welding – A practical
guide“, Abington Publishing, Cambridge
(1992)
[2] E. Beyer, „Schweißen mit Laser –
Bildnachweis:
Bild 1 auf Seite 3:
Trumpf GmbH + Co.
Grundlagen (basics of laser welding)“, Bild 9 auf Seite 11:
Koaxialdüse und Seitendüse, hohe Einschweißtiefe,
Argon
Springer, Berlin (1995)
Institut für Schweißtechnische Ferti-
gute Schweißnahtqualität
und Helium
[3] P. Salvo, „Laser-beam welding ready for
the shop“, Welding Design & Fabrication,
December (1993), S. 29 –31
gungsverfahren der RWTH Aachen
Bild 14 auf Seite 17:
Alle Laserleistungen, Koaxialdüse und Seitendüse
[4] J. Berkmanns, „Steigerung der Prozeß- Nuvonyx Inc.
stabilität beim Laserstrahlschweißen
von Aluminiumwerkstoffen mit Strahl- Danksagung:
leistungen bis 6 kW und Tragverhalten an Hubert Rawyler für die
der Verbindungen“, Shaker Verlag, Unterstützung bei der Erstellung
Aachen (1998)
[5] M. Faerber u. a., „Gases for Increased
dieser „FACTS ABOUT“.
Laser Welding Productivity“, Proceed- Verfasser:
ings of the ISATA Conf. (1996), Dr.-Ing. J. Berkmanns, Linde Gas LLC,
S. 791 – 798
Cleveland, USA
[6] C. Cook, „High Power Direct Diode Laser Dr.-Ing. M. Faerber, Linde AG, Geschäfts-
Applications and Advanced Processes“, bereich Linde Gas, Unterschleißheim,
Proceedings of ICALEO Conf. (2000) Deutschland
18 19
® C: Argon/
Helium/Kohlendioxid
Argon/6 –10 %
Wasserstoff
Argon
Argon/30 % Helium
Argon/50 % Helium
Helium
Stickstoff
Argon
Argon/30 % Helium
Argon/50 % Helium
Helium
Stickstoff
Argon-Stickstoff-
Mischung
Helium-Stickstoff-
Mischung
Argon/30 % Helium
Argon/50 % Helium
Helium/30 % Argon
Helium
*Die in den Tabellen und Diagrammen angegebenen Werte sind Anhaltswerte und können in der Praxis abweichen.
Mit dem Linde LASERLINE ® Material
Material
Baustahl
Baustahl und
und
C-Mn-Stähle
C-Mn-Stähle
Austenitischer
und superaustenitischer
rostfreier Stahl
Ferritischer
rostfreier Stahl
Austenitisch-
Austenitischer
ferritischer
und super-
rostfreier Stahl
austenitischer
(Duplex)
rostfreier Stahl
Aluminium und
Aluminiumlegierungen
*Die in den Tabellen und Diagrammen angegebenen Werte sind Anhaltswerte und können in der Praxis abweichen.
Ferritischer rostfreier
Stahl
Austenitischferritischer
rostfreier Stahl
(Duplex)
Aluminium und
Aluminiumlegierungen
-Programm bieten wir unseren Kunden eine Komplettlösung, bestehend aus optimierten Gasen, einem
maßgeschneiderten Gasversorgungssystem und einem umfassenden Service.
® LASERLINE, LASGON sind registrierte Marken der Linde-Gruppe.