Ziernähte

Schweißen mit dem Laser, Teil 1

Herkömmliche, mit Gasflamme oder Ionenstrom hergestellte Schweißnähte sehen aus wie Narben schlecht verheilter Wunden. Der Laser dagegen macht zierliche Nähte wie ein Schönheitschirurg, allerdings ohne dessen „Material“- Verzerrungen.

11. April 2001

Das Laserstrahlschweißen bietet im Vergleich zu konventionellen Schweißverfahren (MSG- oder WIG-Schweißen) eine gezieltere Wärmeeinbringung, geringeren Verzug, hohe Schweißgeschwindigkeiten, verschleißfreies Arbeiten und einen hohen Automatisierungsgrad. Das vom Laserstrahl erzeugte Plasma wird durch das Arbeitsgas derart beeinflusst, dass sich ein stabiler und sicherer Schweißprozess einstellt. Laserstrahlschweißen lassen sich beispielsweise Titan, Aluminium, Messing, thermoplastische Kunststoffe und Stahl (Aufmacherbild). Als Schutz- und Arbeitsgase werden Helium, Argon, Stickstoff und Mischgase eingesetzt.

Der Laser besteht im wesentlichen aus zwei Teilen: dem aktiven Medium und dem optischen Resonator. Das aktive Medium kann fest, gasförmig oder flüssig sein. Zum Schweißen beispielsweise werden feste (Neodym- YAG-, Neodym-Glas-Laser) und gasförmige (Kohlendioxidlaser) verwendet.

Tiefschweißeffekt

Beim Laserstrahlschweißen wird die Schmelze nicht mit einem scharfen Gasstrahl ausgeblasen, sondern nur mit einem Schutzgasschleier gegen Oxidation geschützt. Durch Erhöhen der Leistungsdichte auf dem Werkstück auf über 2 MW/cm2 zündet ein blau leuchtendes Plasma an der Oberfläche, das zu einer stark erhöhten Einkoppelung der Laserstrahlung führt. Die Folge ist der sogenannte „Tiefschweißeffekt“, das heißt, die Schmelze besitzt nicht mehr die Form einer Halbkugel, sondern es bilden sich sehr schmale, tiefe Schweißnähte aus. Steigert man die Leistungsdichte auf über 50 MW/cm2, so verliert das Plasma seine positiven Eigenschaften. Das Plasma beginnt, die Laserstrahlung so stark zu absorbieren, dass es das Werkstück vollständig abschirmt. Die Bearbeitung entzieht sich der Kontrolle.

Voraussetzung für zufriedenstellende Ergebnisse beim Laserstrahlschweißen sind daher stabile Laserparameter. Da die Leistungsdichte eine entscheidende Rolle spielt, ist nicht nur die Laserleistung, sondern auch die Modenstabilität von Bedeutung. Damit im Produktionsprozess das Fokussiersystem nicht verschmutzt, muss es einen Mindestabstand zum Werkstück einhalten. Dadurch sind die erreichbaren Brennfleckdurchmesser begrenzt.

Folgende Laser-Typen kommen für das Schweißen in Frage:

Festkörper-Laser werden verwendet zum mechanischen Schweißen dünner metallischer Teile. Die Dicke der Verbindungsstelle beträgt & t; 4 mm, der minimale Durchmesser der Wärmeeinbringzone & t; 5 µm. Die Betriebsart ist kontinuierlich, quasikontinuierlich oder Einzelimpuls. Kontinuierlich strahlende Festkörper-Laser sind mit Bogenlampen, Pulslaser mit Blitzlampen ausgerüstet. Die Dauerausgangsleistung kann wenige Watt bis einige hundert Watt betragen. Die Pulsleistung ist in der Regel um einige Größenordnungen höher.

CO2-Gas-Laser werden zum mechanischen Schweißen von metallischen Werkstoffen angewendet. Schweißgeeignet sind außerdem Quarz und einige Kunststoffe. Kommerzielle Geräte gibt es mit Dauerausgangsleistungen von etwa 10 W bis etwa 25 kW.

Prozessdiagramme für die Bestimmung der Parameter

Die Bestimmung von Prozessparametern für vorgegebene Einsatzfälle kann anhand entsprechender Diagramme erfolgen, die basierend auf theoretischen oder experimentellen Untersuchungen erstellt wurden. Derartige Prozessdiagramme verringern den Aufwand des Anwenders bei der Ermittlung von Stellgrößen für die Fertigung und unterstützen die Konzeption von Anlagen beziehungsweise die Ausarbeitung von Wirtschaftlichkeitsanalysen.

Materialabhängig sind um so höhere Intensitäten für den Schweißprozess erforderlich, je höher die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes und je niedriger die Absorption für die eingestrahlte Wellenlänge ist. Es wird deutlich, dass Mindestintensitäten von einigen 106 W/cm2 für das Laserstrahlschweißen erforderlich sind.

Aus grundlegenden theoretischen Betrachtungen zum Laserstrahlschweißen kann abgeleitet werden, dass bei vorgegebener Geschwindigkeit die Geometrie der Naht seitens der Prozessparameter im Wesentlichen durch Durchmesser und Intensität des fokussierten Laserstrahls bestimmt wird. Darüber hinaus zeigt die Energiebilanz für den Schweißprozess, dass die Schmelzquerschnittsfläche, wie bei konventionellen Schweißverfahren, durch die Streckenenergie beeinflusst wird.

Laser schweißt fast alle Metalle

Metalle werden mit dem Tiefschweißeffekt - ähnlich dem Elektronenstrahlverfahren - geschweißt. Allgemein schweißgeeignete Werkstoffe lassen sich auch mit dem Laserstrahl verbinden. Dazu gehören Stähle, hoch- und höchstschmelzende Werkstoffe (Titan, Tantal, Molybdän, Wolfram und dergleichen), gut leitfähige Metalle wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium. Werkstoffkombinationen sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel zwischen Nickel und Kupfer, Tantal und Molybdän, Kobalt und Gold. Die schweißbare Werkstückdicke wird dabei entscheidend vom Lasertyp und von dem jeweiligen Werkstoff bestimmt. Sehr gute Ergebnisse wurden im „Laser Zentrum Hannover e.V.“ beim Schweißen von Magnesium mit dem Nd:YAG-Laser erzielt. Kritisch sind härtbare Stähle, und zwar um so mehr, je höher ihr Kohlenstoffgehalt ist. Stähle mit über einem Prozent Kohlenstoff verspröden auch beim Laserstrahlschweißen. Deshalb lassen sich einsatzgehärtete Stähle auf diese Weise ebenfalls nur mit Einschränkungen verbinden. Das gilt gleichermaßen für Drehqualitäten mit Schwefel- oder Bleizusatz.

Problematisch ist auch das Laserstrahlschweißen von verzinkten Blechen. In Abhängigkeit von den vorhandenen Zinkschichtdicken und der Beschichtungsart - einseitig oder beidseitig - setzt aufgrund niederer Verdampfungstemperaturen der Beschichtung eine Zinkverdampfung ein. Infolge des kleinen, hochkonzentrierten Brennfleckes (2,5 x 106 W/cm2) werden aber geringere Dampfmengen als bei konventionellen Schweißverfahren freigesetzt. Wegen des sehr kleinen Schmelzbades, dessen kurzer lokaler Existenzzeit und der im Verhältnis dazu großen abzuführenden Zinkdampfmenge kann dies sich aber trotzdem sehr nachteilig auf die Nahtqualität auswirken, wenn die Dämpfe durch die Schweißnaht nach oben entweichen müssen. Turbulente Badbewegungen begleitet von gelegentlichen Badauswürfen können die Ursache für poröse Schweißnähte sein. Ferner führen Spritzer zur Beschädigung des Laserschweißkopfes und aufsteigende Dämpfe zur Verunreinigung und Zerstörung der Optiken. Sollen verzinkte Feinbleche durch Laserstrahlschweißen verbunden werden, bedarf es also grundlegender verfahrenstechnischer Untersuchungen. Um der Verunreinigung der am Wirkort des Laserstrahles („Schweißpunkt“) nächstliegenden optischen Komponenten („Parabolspiegel, Fokussierlinse“) infolge aufsteigender Dämpfe und Spritzer entgegenzuwirken, wurden spezielle Laserschweißköpfe entwickelt. Bei dem Schweißkopf (CO2- oder Festkörperlaser) verhindert ein integrierter, quer zur Strahlrichtung verlaufender Luftstrom („Cross-Jet“) den Eintritt der Dämpfe und Spritzer in den Strahlengang und schützt den Fokussierspiegel beziehungsweise die Fokussierlinse vor Verschmutzung. Großen Einfluss hat daneben die konstruktive Gestaltung des Stoßbereichs beziehungsweise die Art des Fügens, und zwar um so mehr, je größer die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs ist. Grundsätzlich zu berücksichtigen sind die beim Erstarren der Schmelze entstehenden Schrumpfspannungen, die zu Rissen führen können. Günstig ist immer, wenn das Erstarren in einer Richtung verläuft, ebenfalls, wenn der Werkstoff beim Schmelzen nachfließen kann, etwa vergleichbar dem Zusatzwerkstoff beim herkömmlichen Schweißen. Hergestellt werden können Stumpfnähte ebenso wie - wenngleich wegen der Rissgefahr auch nur bei gut schweißgeeigneten Werkstoffen - Kehlnähte. Der Überlappstoß ist ebenfalls möglich („Durchschweißen“ des obenliegenden Teils). Außerdem lassen sich Punkt- und Liniennähte erzielen.

Mit oder ohne Schutzgas?

Blanke und polierte Oberflächen verlangen, vor allem bei stark reflektierenden Werkstoffen, eine höhere Pulsenergie, da zu Beginn des Schweißens größere Reflexionsverluste auftreten. Samtigmatte Oberflächen sind günstig. Anzustreben ist eine gleichbleibende Oberflächenbeschaffenheit. Besonderes Reinigen ist im allgemeinen nicht erforderlich. Brennbare Verunreinigungen wie Ölfilme können jedoch störende Rußrückstände ergeben. Galvanisch aufgebrachte Metallschichten wie Nickel, Chrom, Kupfer, Silber und Gold beeinträchtigen die Schweißeignung im allgemeinen nicht. Zu Schwierigkeiten kann es dagegen - siehe oben - bei verzinkten Teilen kommen, denn das Zink verdampft, und es entstehen Spritzer und Lunker. Unkritisch ist dagegen Zinn, besonders bei Kupfer und Kupferlegierungen. Zinn hat zwar einen niedrigen Schmelzpunkt (232 °C), im Vergleich dazu aber eine verhältnismäßig hohe Siedetemperatur (2.275 °C). Oxidschichten können, wenn sie direkt vom Strahl getroffen werden, die Reflexion vermindern. In der Fuge können sie zu Spritzern und Lunkern führen, freilich im allgemeinen weit weniger, als das bei verzinkten Werkstücken der Fall ist. Flüssige Rückstände oder Flüssigkeiten, die die Oberfläche benetzen, können eine Schweißverbindung unmöglich machen.

Aufgrund der kleinen Schmelzvolumina und der kurzen Dauer der schmelzflüssigen Phase sind häufig keine Schutzgase erforderlich. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, Schutzgas vorzusehen, um das Oxidieren der Schmelzbad-Oberfläche zu vermeiden und ein besseres Fließen zu erzielen. Bei an Luft stark versprödenden Werkstoffen wie Tantal oder Titan muss in jedem Fall Schutzgas verwendet werden. Beim Laserstrahlschweißen wird meist ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet. Dieser kann jedoch zum Beispiel dann zweckmäßig sein, wenn es darum geht, zu breite Schweißspalte auszugleichen.

Vielfältige Anwendung

Nach dem Laserstrahlschneiden wird jetzt auch das Laserstrahlschweißen immer mehr in der Serienfertigung eingesetzt. Wirtschaftliche Einsatzgebiete ergeben sich vor allem im Kraftfahrzeugbau beim Herstellen von Motor, Getriebe und Karosserieteilen. Beispiel: eine laserstrahlgeschweißte Trennkapsel aus der Werkstoffkombination X2CrNiMo 17132 / X2CrNiMoN 17122. Die Wanddicken betrugen hier 5,0 mm und 0,1 mm, die Schweißgeschwindigkeit war 50 mm/s. Geschweißt wurde unter Schutzgas Argon.

Schwerpunkt der Anwendung liegt in Fahrzeugbau, Elektroindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik. Die Schweißgeschwindigkeit kann & t; 10 m/min bei 1,5 mm dickem Aluminium-Blech betragen. Nichtmetalle sind nur wenige bearbeitbar. In der Praxis werden Quarzgefäße, Wanddicke bis etwa 5 mm, und Folien aus Kunststoff (PVC), Dicke & t; 1 mm, geschweißt.

Die Vorteile des Laserstrahlschweißens gegenüber anderen Verfahren sind:

geringe wärmebeeinflusste Zone

praktisch kein Verzug

hohe Schweißgeschwindigkeit

hoher Automatisierungsgrad

problemloses Eingliedern in bestehende Fertigungslinien

gute Modellierbarkeit des Laserstrahls.

Schmale Nahtgeometrien und geringster Wärmeeinfluss, das sind die hervorragendsten Eigenschaften des Laserstrahlschweißens. Ganz im Gegensatz zum Beispiel zum WIG-Schweißen wird hier mit verhältnismäßig geringer Strahlenenergie, aber hoher Energiedichte gearbeitet. Je nach Werkstoff ergeben sich daraus Vor- und Nachteile für die Schweißmetallurgie. Die rasche Abkühlung der Schmelze in der schmalen Schweißnaht kann beispielsweise hohe Härtespitzen bewirken. Andererseits entsteht ein feinkörniges Gefüge, das insbesondere bei dynamischer Beanspruchung vorteilhaft höhere Festigkeiten aufweist.

Grundsätzlich können Werkstoffpaarungen, die konventionell schweißbar sind, mit gleich guten Ergebnissen im Laserstrahl- Schweißverfahren realisiert werden. Jedoch gibt es Verbindungen, die mit keinem konventionellen Verfahren beherrschbar sind. Hierzu zwei besondere Beispiele:

Bimetallsägeblatt aus der Werkstoffpaarung 48 CrMoV 6 7 / S 6-5-2

Diamantsägeblatt aus der Werkstoffpaarung Sinterwerkstoff / C 75 STF 1,33.

Bauteiltoleranzen und die maximale Spaltbreite sind nicht immer einzuhalten. Um hier ein Einfallen der Naht zu verhindern, kann mit Zusatzwerkstoff geschweißt werden. So lässt sich auch die Gefügeausbildung in der Naht gezielt beeinflussen und durch das geänderte Mischungsverhältnis in der Schmelze auch eine Verbesserung der metallurgisch-mechanischen Eigenschaften des Bauteils herbeiführen.

Erschienen in Ausgabe: 04/2000