Der Plasma Pen macht Tempo

Ein von der Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH zufällig entdeckter Effekt löst auf verblüffend einfache Weise ein Problem, das seit zehn Jahren das Laserschweißen von verzinkten Blechen verkompliziert.

01. März 2007

Wegen der guten Haftung darauf aufgebrachter Lackierungen und ihrer Korrosionsbeständigkeit werden verzinkte Stahlbleche immer häufiger eingesetzt - vor allem in der Automobilbranche. In dieser Branche, in der sich die Wettbewerber in der Qualität der Produkte und deren technischem Stand kaum noch unterscheiden, wird der Konkurrenzkampf hauptsächlich über die Herstellungskosten entschieden. Aufgrund der immens hohen Stückzahlen fallen bereits geringfügige Einsparungen an Zeit- und Materialeinsatz ins Gewicht. Es ist daher eine permanente Zielstellung, den Produktionszyklus zur Herstellung eines Fahrzeuges zu verkürzen, was zum Beispiel durch eine Substitution zeitlich langsam ablaufender Verfahren und die Vermeidung technologisch notwendiger Stillstandszeiten möglich ist.

Aus »wäre«…

Aus einer Vielzahl von Gründen wäre das Laserschweißen das Mittel der Wahl für viele Anwendungsfälle, wäre da nicht das Problem von Zinkausgasungen. Denn durch die geringe Wärmeeinflusszone wird die Beschichtung nur auf einer so kleinen Fläche beschädigt, dass das Opferverhalten des Zinks einen durchgängigen Kor­rosionsschutz sichert. Die Zink-Beschichtung hat mit 906 °C eine geringere Schmelztemperatur als das Stahlblech und verdampft bei Erhitzung durch den Laserstrahl in heftigen thermischen Reaktionen. Trifft man keine besonderen Vorkehrungen dagegen, sind starke Spritzerbildung und instabile Prozesse die Folge, gegen die mit teils kostenintensiven Methoden gegengesteuert werden muss. Um das Problem der Zinkausgasungen in den Griff zu bekommen, gibt es in der Praxis verschiedene Ansätze. Ihnen allen ist gemeinsam, dass sie aufwändige Apparaturen und Sensorik benötigen und mit einem relativ engen Prozessfenster arbeiten. Trotz aufwändiger Vorkehrungen liegt die Vorschubgeschwindigkeit, bis zu welcher qualitativ gute Nähte erzeugt werden können, oft unter dem theoretisch erzielbaren Maximum.

…wird »ist«

Ein Strahl eines atmosphärischen, elektrisch neu­tralen Niedertemperaturplasmas überstreicht die Oberfläche des Bleches vor dem Schweißvorgang. Dadurch wird die Oberflächenspannung der Zinkbeschichtung verändert. Dies führt zu einem besseren Abfließen der Zinkschmelze vor der Verdampfung, und der Anteil des verdampften Zinks wird wesentlich reduziert. Es bilden sich weitaus geringere Mengen an Prozessdämpfen. Aus den klassischen Anwendungsgebieten des Plasma Pens (Klebe- und Druckflächenvorbehandlung) ist bekannt, dass Oberflächenspannungen gezielt beeinflusst werden können - auf plasma- vorbehandelten Oberflächen haftet beispielsweise Kleber besser. Beim Laserschweißen beginnt das Zink jedoch zu fließen und zu verdampfen, lange bevor der Stahl schmilzt. Durch die veränderte Oberflächenspannung fließt deutlich mehr flüssiges Zink aus der Wärmeeinflusszone, bevor die unerwünschten Ausgasungen entstehen. Effektiv wird also wesentlich weniger Zinkvolumen verdampft. Auch Verschmutzungen auf der Oberfläche führen oftmals zur Bildung von Spritzern. Durch den Reinigungseffekt des Plasmas werden diese Verschmutzungen entfernt.

Vorteile in die Praxis umgesetzt

Zinkspritzer werden zuverlässig vermieden und die Kontamination der Schweißkopfobjektive vermindert. Zudem kann die Vorschubgeschwindigkeit bei Laserschweißprozessen wesentlich erhöht und das Prozessfenster für blasenfreie Nähte vergrößert werden. Aufwändige Prozessüberwachung und Nahtfehlerdetektion entfallen. Auch die niedrigen Betriebskosten - einziges Medium ist Druckluft - favorisieren dieses System. Zusammen mit einem großen deutschen Automobilhersteller hat die Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH die Plasmavorbehandlung in einer bestehenden Karosserie-Fer­tigungsstraße nachgerüstet. Jetzt kann das mit einigen Nachteilen (geringere Nahtfestigkeit und Korrosionsanfälligkeit) verbundene Lötverfahren jedoch durch das vorteilhafte Laserschweißen ersetzt werden, da die Oberfläche mit dem Plasma Pen perfekt vorbehandelt wurde.

Erschienen in Ausgabe: 01/2007