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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
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