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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
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