Der Einfluss von Schutzgas beim Laserschweißen
Was kann das richtige Schutzgas für Sie leisten?
IBeim Laserschweißen kann die Wahl des Schutzgases einen erheblichen Einfluss auf die Ausbildung, Qualität, Tiefe und Breite der Schweißnaht haben.
In den allermeisten Fällen wirkt sich die Zufuhr von Schutzgas positiv auf die Schweißnaht aus, während eine unsachgemäße Verwendung von Schutzgas sich nachteilig auf die Schweißung auswirken kann.
Die richtigen und falschen Auswirkungen der Verwendung des Schutzgases sind wie folgt:
Bestimmungsgemäße Verwendung
Unsachgemäße Verwendung
1. Wirksamer Schutz des Schweißbades
Durch die richtige Zufuhr von Schutzgas kann das Schweißbad wirksam vor Oxidation geschützt oder sogar vollständig verhindert werden.
1. Verschlechterung der Schweißnaht
Eine unsachgemäße Zufuhr von Schutzgas kann zu einer mangelhaften Schweißnahtqualität führen.
2. Reduzierung von Spritzern
Durch die richtige Zufuhr von Schutzgas kann die Spritzerbildung beim Schweißvorgang wirksam reduziert werden.
2. Rissbildung und verringerte mechanische Eigenschaften
Die Wahl des falschen Gastyps kann zu Rissen in der Schweißnaht und einer verringerten mechanischen Leistung führen.
3. Gleichmäßige Ausbildung der Schweißnaht
Durch die richtige Zufuhr von Schutzgas wird die gleichmäßige Ausbreitung des Schweißbades während der Erstarrung gefördert, was zu einer gleichmäßigen und ästhetisch ansprechenden Schweißnaht führt.
3. Erhöhte Oxidation oder Interferenz
Die Wahl einer falschen Gasdurchflussrate, sei es zu hoch oder zu niedrig, kann zu einer verstärkten Oxidation der Schweißnaht führen. Darüber hinaus kann es zu starken Störungen des geschmolzenen Metalls kommen, was zu einem Zusammenbruch oder einer ungleichmäßigen Ausbildung der Schweißnaht führen kann.
4. Erhöhte Lasernutzung
Durch die richtige Zufuhr von Schutzgas kann die abschirmende Wirkung von Metalldampffahnen oder Plasmawolken auf den Laser wirksam reduziert und so die Effizienz des Lasers erhöht werden.
4. Unzureichender Schutz oder negative Auswirkungen
Die Wahl der falschen Gaseinleitungsmethode kann zu einem unzureichenden Schutz der Schweißnaht führen oder sogar die Ausbildung der Schweißnaht negativ beeinflussen.
5. Reduzierung der Schweißporosität
Durch die richtige Zufuhr von Schutzgas kann die Bildung von Gasporen in der Schweißnaht effektiv minimiert werden. Durch die Wahl der richtigen Gasart, Durchflussmenge und Zufuhrmethode lassen sich optimale Ergebnisse erzielen.
5. Einfluss auf die Schweißtiefe
Die Einführung von Schutzgas kann einen gewissen Einfluss auf die Tiefe der Schweißnaht haben, insbesondere beim Schweißen dünner Bleche, wo es dazu neigt, die Schweißnahttiefe zu verringern.
Verschiedene Arten von Schutzgas
Die beim Laserschweißen üblicherweise verwendeten Schutzgase sind Stickstoff (N2), Argon (Ar) und Helium (He). Diese Gase haben unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften, die zu unterschiedlichen Auswirkungen auf die Schweißnaht führen.
1. Stickstoff (N2)
N2 hat eine moderate Ionisierungsenergie, die höher als die von Argon und niedriger als die von Helium ist. Unter Einwirkung des Lasers ionisiert es moderat, wodurch die Bildung von Plasmawolken effektiv reduziert und die Laserauslastung erhöht wird. Stickstoff kann jedoch bei bestimmten Temperaturen chemisch mit Aluminiumlegierungen und Kohlenstoffstahl reagieren und Nitride bilden. Dies kann die Sprödigkeit erhöhen und die Zähigkeit der Schweißnaht verringern, was sich negativ auf ihre mechanischen Eigenschaften auswirkt. Daher wird die Verwendung von Stickstoff als Schutzgas für Schweißnähte aus Aluminiumlegierungen und Kohlenstoffstahl nicht empfohlen. Andererseits kann Stickstoff mit Edelstahl reagieren und Nitride bilden, die die Festigkeit der Schweißverbindung erhöhen. Daher kann Stickstoff als Schutzgas zum Schweißen von Edelstahl verwendet werden.
2. Argongas (Ar)
Argongas hat die relativ niedrigste Ionisierungsenergie, was zu einem höheren Ionisierungsgrad bei Lasereinwirkung führt. Dies ist ungünstig für die Kontrolle der Plasmawolkenbildung und kann die effektive Nutzung von Lasern beeinträchtigen. Argon ist jedoch sehr wenig reaktiv und reagiert wahrscheinlich nicht mit gewöhnlichen Metallen. Darüber hinaus ist Argon kostengünstig. Aufgrund seiner hohen Dichte sinkt Argon über das Schweißbad und bietet so einen besseren Schutz für dieses. Daher kann es als konventionelles Schutzgas verwendet werden.
3. Heliumgas (He)
Heliumgas hat die höchste Ionisierungsenergie, was zu einem sehr geringen Ionisierungsgrad bei Lasereinwirkung führt. Es ermöglicht eine bessere Kontrolle der Plasmawolkenbildung, und Laser können effektiv mit Metallen interagieren. Darüber hinaus weist Helium eine sehr geringe Reaktivität auf und reagiert nicht leicht chemisch mit Metallen, was es zu einem hervorragenden Gas für Schweißschutz macht. Helium ist jedoch teuer, sodass es in der Massenproduktion in der Regel nicht verwendet wird. Es wird häufig in der wissenschaftlichen Forschung oder für Produkte mit hoher Wertschöpfung eingesetzt.
Zwei Methoden zur Verwendung von Schutzgas
Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zum Einführen von Schutzgas: seitliches Einblasen außerhalb der Achse und koaxiales Schutzgas, wie in Abbildung 1 bzw. Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 1: Außeraxiales seitliches Einblasen von Schutzgas
Abbildung 2: Koaxiales Schutzgas
Die Wahl zwischen den beiden Blasmethoden hängt von verschiedenen Überlegungen ab.
Generell empfiehlt sich die Verwendung der Off-Axis-Side-Blowing-Methode für Schutzgas.
Wie wählt man das richtige Schutzgas aus?
Zunächst ist es wichtig zu klären, dass der Begriff „Oxidation“ von Schweißnähten ein umgangssprachlicher Ausdruck ist. Theoretisch bezieht er sich auf die Verschlechterung der Schweißqualität aufgrund chemischer Reaktionen zwischen dem Schweißmetall und schädlichen Bestandteilen in der Luft, wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff.
Um die Oxidation von Schweißnähten zu verhindern, muss der Kontakt zwischen diesen schädlichen Komponenten und dem Hochtemperaturschweißgut reduziert oder vermieden werden. Dieser Hochtemperaturzustand umfasst nicht nur das geschmolzene Schweißbadmetall, sondern auch den gesamten Zeitraum vom Schmelzen des Schweißguts bis zum Erstarren des Bades und dem Absinken seiner Temperatur unter einen bestimmten Schwellenwert.
Schweißprozess
Beispielsweise kommt es beim Schweißen von Titanlegierungen bei Temperaturen über 300 °C zu einer schnellen Wasserstoffabsorption, über 450 °C zu einer schnellen Sauerstoffabsorption und über 600 °C zu einer schnellen Stickstoffabsorption.
Daher ist ein wirksamer Schutz für die Schweißnaht aus Titanlegierungen während der Erstarrungsphase erforderlich, wenn ihre Temperatur unter 300 °C sinkt, um Oxidation zu verhindern. Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass das eingeblasene Schutzgas nicht nur das Schweißbad zum richtigen Zeitpunkt, sondern auch den gerade erstarrten Bereich der Schweißnaht schützen muss. Daher wird die in Abbildung 1 dargestellte seitliche Off-Axis-Blasmethode im Allgemeinen bevorzugt, da sie im Vergleich zur in Abbildung 2 dargestellten koaxialen Abschirmmethode einen breiteren Schutz bietet, insbesondere für den gerade erstarrten Bereich der Schweißnaht.
Bei bestimmten Produkten muss die Wahl der Methode jedoch auf der Grundlage der Produktstruktur und der Verbindungskonfiguration erfolgen.
Spezifische Auswahl der Methode zur Schutzgaseinbringung
1. Gerade Schweißnaht
Wenn die Schweißnaht des Produkts gerade ist, wie in Abbildung 3 gezeigt, und die Verbindungskonfiguration Stumpfnähte, Überlappnähte, Kehlnähte oder Stapelnähte umfasst, ist die bevorzugte Methode für diesen Produkttyp das in Abbildung 1 gezeigte Off-Axis-Seitenblasverfahren.
Abbildung 3: Geradlinige Schweißnaht
2. Planare Schweißnaht mit geschlossener Geometrie
Wie in Abbildung 4 dargestellt, weist die Schweißnaht bei diesem Produkttyp eine geschlossene, ebene Form auf, beispielsweise eine kreisförmige, polygonale oder mehrteilige Linienform. Die Verbindungskonfigurationen können Stumpfstöße, Überlappstöße oder Stapelschweißungen umfassen. Für diesen Produkttyp wird vorzugsweise das in Abbildung 2 dargestellte koaxiale Schutzgas verwendet.
Abbildung 4: Planare Schweißnaht mit geschlossener Geometrie
Die Wahl des Schutzgases für planare Schweißnähte mit geschlossener Geometrie wirkt sich direkt auf Qualität, Effizienz und Kosten der Schweißproduktion aus. Aufgrund der Vielfalt der Schweißmaterialien ist die Auswahl des Schweißgases in der Praxis jedoch komplex. Sie erfordert eine umfassende Berücksichtigung von Schweißmaterialien, Schweißverfahren, Schweißpositionen und dem gewünschten Schweißergebnis. Die Auswahl des am besten geeigneten Schweißgases kann durch Schweißtests ermittelt werden, um optimale Schweißergebnisse zu erzielen.
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FAQs
- Beim Laserschweißen ist Schutzgas ein wichtiger Bestandteil, um den Schweißbereich vor atmosphärischer Verunreinigung zu schützen. Der bei dieser Schweißart verwendete hochintensive Laserstrahl erzeugt eine erhebliche Hitze und bildet ein geschmolzenes Metallbad.
Schutzgas wird häufig zum Schutz des Schmelzbades beim Schweißen von Laserschweißgeräten verwendet. Beim Schweißen einiger Materialien kann eine Oberflächenoxidation nicht berücksichtigt werden. Für die meisten Anwendungen werden jedoch häufig Helium, Argon, Stickstoff und andere Gase als Schutz verwendet. Im Folgenden sehen wir uns an, warum Laserschweißgeräte beim Schweißen Schutzgas benötigen.
Beim Laserschweißen beeinflusst das Schutzgas die Schweißnahtform, die Schweißnahtqualität, die Schweißnahtdurchdringung und die Schmelzbreite. In den meisten Fällen wirkt sich das Einblasen des Schutzgases positiv auf die Schweißnaht aus.
- Argon-Helium-GemischeArgon-Helium-Gemische: werden je nach Laserleistungsstufe generell für die meisten Aluminium-Laserschweißanwendungen empfohlen. Argon-Sauerstoff-Gemische: können hohe Effizienz und akzeptable Schweißqualität bieten.
- Folgende Gase werden bei der Entwicklung und Anwendung von Gaslasern verwendet: Kohlendioxid (CO2), Helium-Neon (H und Ne) und Stickstoff (N).
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Veröffentlichungszeit: 19. Mai 2023