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