Laserschweißen mit Vorwärmen vermindert die Rissbildung

Die hohe Leistungsdichte des Laserstrahls ermöglicht durch eine lokale Verdampfung des Werkstoffs das Tiefschweißen. Daraus resultiert eine hohe Schweißgeschwindigkeit bei gleichzeitig schmalen...

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Die hohe Leistungsdichte des Laserstrahls ermöglicht durch eine lokale Verdampfung des Werkstoffs das Tiefschweißen. Daraus resultiert eine hohe Schweißgeschwindigkeit bei gleichzeitig schmalen Nähten. Dem Problem der Rissbildung kann durch eine Verfahrenskombination mit prozessintegrierter Kurzzeitwärmebehandlung vorgebeugt werden.Das Laserstrahlschweißen hat als thermisches Fügeverfahren einen bedeutenden Stellenwert in der industriellen Fertigung erreicht und bietet gegenüber konventionellen Schweißverfahren diverse Vorteile. Charakteristisch für das Laserschweißen ist primär die geringe Wärmebelastung des gefügten Werkstückes, womit technisch eine hohe Genauigkeit der geschweißten Produkte erreicht wird. Daraus ergibt sich ein wirtschaftlicher Vorteil gegenüber konventionellen thermischen Fügeverfahren durch vereinfachte Fertigungsschritte oder auch neu optimierte Fertigungsabläufe. Eine lasergestützte Fertigung ist automatisierbar, reduziert personalintensive Arbeitsschritte und strafft die Produktion.Das Laserstrahlschweißen wird nach DIN 1910 Teil 2 dem Schmelzschweißverfahren zugeordnet, wobei man zwischen Wärmeleitungsschweißen mit geringen Einschweißtiefen durch Aufschmelzen mittels Absorption und Wärmeleitung im Fügebereich und Tiefschweißen unterscheidet. Der emittierte Laserstrahl wird über eine Optik fokussiert und gelangt mit hoher Strahlungsintensität auf die Werkstückoberfläche. Die signifikant höhere Schwellintensität oberhalb von 10hoch5 W/cm2 beim Tiefschweißen steigert die Prozesseffizienz in Abhängigkeit vom Fügewerkstoff, der Laserwellenlänge und -polarisation sowie der Vorschubgeschwindigkeit. Das Verfahrensprinzip beruht auf einer lokalen Verdampfung des Werkstoffes durch die hochenergetische, fokussierte Laserstrahlung und Bildung einer Dampfkapillare, des so genannten Keyholes, in Schweißrichtung.Die besonders hohe Leistungsdichte beim Laserstrahl-Tiefschweißen, möglich sind über 10hoch7 W/cm2, verhindert durch den entstehenden Dampfdruck ein Schließen des Kanals. Dieser wirkt entgegen dem hydrostatischen Druck der umgebenden Schmelze und deren Oberflächenspannung. Oberhalb des Werkstückes sowie in der Kapillare bildet sich im abströmenden Metalldampf durch Ionisation ein laserinduziertes Plasma aus, welches rückwirkend die Form der Kapillare beeinflusst. Die Anwendung eines Arbeitsgases verringert die Absorptionsverluste im Plasmabereich und trägt zur Steigerung des Prozesswirkungsgrades bei.Schmale Fügegeometrie beim LaserschweißenPrinzipiell können alle Werkstoffe, die sich durch konventionelle Schweißverfahren fügen lassen, auch mit dem Laserstrahl geschweißt werden - in vielen Fällen mit höherer Qualität und Geschwindigkeit. Darüber hinaus sind aufgrund der sehr schmalen Fügegeometrie und der kurzen thermischen Belastung besondere Vorteile bei kritischen Stahlwerkstoffen und den meisten Sonder- oder Nichteisenmetallen vorhanden.Die Mehrzahl der Baustahl- und Edelstahlqualitäten mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sind problemlos mit dem Laser zu verbinden. Im Speziellen die austenitischen und teilferritischen rostfreien Chrom-Nickel-Werkstoffe mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt weisen beste Schweißeignung bei hohen Geschwindigkeiten und schmalen Nähten auf. Bei einer Vielzahl von Werkstoffkombinationen sind weitere prozess- und verfahrenstechnische Möglichkeiten vorhanden, eine dauerhafte und stabile Fügeverbindung zu erzielen, die mit konventionellen Schweißverfahren nicht immer realisierbar ist. Besonders bei Welle-/Nabe-Verbindungen aus dem Antriebsbereich sind Kombinationen von hochfesten Feinkornbaustählen mit verschleißresistenteren, härtbaren Stählen gewünscht und notwendig. Hierbei zeichnet sich der feine Laserstrahl als genaues Fügewerkzeug mit schmalen Schweißnähten, geringem Verzug und verfahrenstechnischem Optimierungspotenzial aus.Die gezielte Reduzierung des Kohlenstoffgehaltes im gesamten Schweißgut durch eine Lageveränderungen oder Strahlversatz relativ zum Fügespalt kann so eine erweiterte Schweißeignung bei kritischen Werkstoffen ergeben. Selbst mit den additiven Möglichkeiten beim Laserstrahlschweißen ist eine riss- und porenfreie Schweißnaht bei kritischen Werkstoffen nicht immer zu garantieren. Hierbei ist eine Differenzierung der unterschiedlichen Rissarten, deren Entstehung während des Schweißprozesses und die Auswirkung auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften des gefügten Bauteils vorzunehmen. Das Auftreten von Rissen in Schweißnähten ist nicht nur als pauschale Problematik des thermischen Fügeprozesses zu betrachten. Die genaue Unterscheidung der Rissart, des Ursprungs und der vielfältigen werkstofftechnischen Einflussgrößen ist aufeinander und auch gegenseitig zu untersuchen. Primär kann zwischen Heiß- und Kaltrissen im Schweißgut und deren Ursachen hierfür differenziert werden.Unterschiedliche Ursachen für die RissbildungGründe für Heißrisse liegen unter anderem darin, dass in der Wärmeeinflusszone (WEZ) eine niedrigschmelzende Phase entsteht und es unter den bei der Abkühlung entstehenden Spannungen zu Aufschmelzungsrissen kommen kann. Zum anderen kann durch partielle Anreicherung von Verunreinigungen oder auch Legierungselementen im Schweißgut ein Bereich mit verminderter Festigkeit und höherer Härte entstehen, in dem es bei der Abkühlung zu Erstarrungsrissen kommt. Diese Mikroseigerungen, meistens auf vereinzelten Korngrenzen oder entlang der erstarrten Dendriten vom härteren Werkstoff hin zur Nahtmitte, sind von ihrer mechanisch-technologischen Auswirkung als unkritischer zu betrachten.Im Gegensatz dazu entstehen Kaltrisse aus Spannungen und Verformungen, die erst nach der eigentlichen Erstarrung der schmelzflüssigen Phase auftreten. Die Ursachen liegen in unbeabsichtigten, heterogenen Gefügestrukturen, erhöhten Spannungszuständen aus dem resultierenden Verzug oder einer Schrumpfung sowie aus Alterungserscheinungen.Generell sind einerseits Ausscheidungen im Übergangsbereich zwischen Schweißgut und WEZ erkennbar, die auf erhöhte Carbidbildung hindeuten, und zusätzlich ein durchgehender Riss in der Nahtmitte mit Porenbildung. Die Längsrisse in Schweißrichtung und Querrisse über das gesamte Schmelzbad sind ein klares Ausschusskriterium.Die Ursache für die fehlerhafte Naht liegt in einer Fehlpositionierung des Laserstrahles und nicht optimal abgestimmter Prozessparameter. Dadurch ist das Mischungsverhältnis im Schmelzbad stark verschoben hin zum härteren, kohlenstoffreicheren Fügepartner mit ungleichmäßiger Verteilung in der Wärmeeinflusszone. Das Kohlenstoffäquivalent ist durch eine unproportionale Martensitbildung beeinflusst und erlaubt keine gravierende Verschiebung.Einen weiteren Fehler in Schweißnähten können Poren darstellen, wobei Form und Anzahl prozesstechnisch beeinflussbar sind. Ein Hauptgrund besteht in einer unzureichenden Entgasung bei Einschweißungen durch das Keyhole, so dass Restgasanteile meistens im Wurzelbereich eingeschlossen werden. Hierbei ist jedoch die geschlossene Form von Poren in vereinzelter Anordnung unkritischer in Hinsicht auf eine Rissausbildung oder -fortsetzung.Eine weitere Ursache kann in oberflächigen Verunreinigungen des Fügebereichs liegen, die durch Ölrückstände aus einer mechanischen Bearbeitung oder aus partiellen Ablagerungen einer Reinigungsemulsion resultieren. Bei thermischer Beaufschlagung dieser Verunreinigungen durch Laserenergie kann es zu Minigasexplosionen und Ausscheidungen kommen, die Poren oder Risse erzeugen.Wenig Kohlenstoff mit viel AuswirkungGrößere Porennester mit unsymmetrischer Struktur beeinflussen die mechanisch-technologischen Eigenschaften und weisen deutlich auf Prozessprobleme hin. Das Nahttiefen-Breiten-Verhältnis, auch Schachtverhältnis genannt, reicht beim Laserstrahlschweißen bis zu 6:1 und kann aus metallurgischer Sicht eine extreme Bedingung darstellen. Weiterhin ist die eingesetzte Streckenenergie, also Laserleistung in Relation zur Schweißgeschwindigkeit, prozess- und werkstofftechnisch anzupassen.Der Kohlenstoff ist das wichtigste und einflussreichste Legierungselement im Stahl. Neben Kohlenstoff enthält jeder unlegierte Stahl auch Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel, die bei der Herstellung unbeabsichtigt hinzukommen. Der Zusatz weiterer Legierungselemente zur Erzielung besonderer Eigenschaften sowie die bewusste Erhöhung des Mangan- und Siliziumgehaltes führen zum legierten Stahl. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt steigen die Festigkeit und Härtbarkeit des Stahles, wogegen sich seine Dehnung, Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und spanende Bearbeitbarkeit verringern.Ein Grenzwert für das Schweißen von unlegierten Stählen liegt bei einem Kohlenstoffgehalt von ungefähr 0,25%. Unterhalb von diesem Wert kann in der Regel von einer allgemeinen Schweißeignung ausgegangen werden, wobei der Martensitanteil in der Übergangszone keinen unproportionalen Härteanstieg erwarten lässt. Oberhalb von 0,25% Kohlenstoff steigt die Gefahr von Rissen als Folge einer partiellen Aufhärtung mit sinkenden Zähigkeitswerten. Die hohen Abkühlgeschwindigkeiten aufgrund moderater Streckenenergien bei gleichzeitig hohen Vorschubgeschwindigkeiten beim Laserschweißen führen zu einer deutlichen Unterschreitung der kritischen t8/5-Abkühlzeit.Die Aufhärtung erschwert den plastischen Abbau der während der Schweißnahtabkühlung entstehenden Zugspannungen aufgrund des stark inhomogenen Temperaturfeldes. Weiter behindert die Aufhärtung den Abbau von makroskopischen Bauteil-Eigenspannungen, die durch ein eingeschränktes Formänderungsvermögen der Fügeteile entstehen.Bei Einsatzstählen (wie C15 und 16MnCr5) für Bolzen, Buchsen, Zapfen, Spindeln und Zahnräder sind gute Schweißeignungen in Kombination mit Feinkornbaustählen vorhanden. Der ebenfalls viel verwendete Vergütungsstahl C25 ist etwas diffiziler mit geeigneten Strahlquellen und zusätzlichem Prozess-Know-how zu schweißen. Bei den Vergütungsstählen C35 und 42CrMoV4 für höhere Ansprüche sind weitergehende Vorkehrungen wie Vorwärmen, Hybridverfahren oder Anlassen erforderlich.Bessere Schweißbarkeit durch KombinationenEinen Ausweg aus der bedingten Schweißbarkeit von Kohlenstoff- und legierten Stählen bietet die klassische Ofenvorwärmung der zu fügenden Bauteile. Die stark unterschiedlichen Zykluszeiten der Bearbeitungsschritte mit sehr kurzen Laserschweißzeiten von nur wenigen Sekunden und extrem langen Erwärmungszeiten im Ofen von bis zu einigen Stunden ergeben jedoch keine betriebswirtschaftliche oder prozesstechnische Lösung. Dieses Problem kann vorteilhaft durch eine Verfahrenskombination mit prozessintegrierter Kurzzeitwärmebehandlung umgangen werden. Die Verfahrensvarianten reichen vom induktiv unterstützten Laserschweißen über WIG-, MIG-, oder plasmaunterstützte Fügeprozesse bis zur additiven Verwendung von Hochleistungsdiodenlasern als Wärmequelle. Die wesentlichen Vorteile liegen in einer nahezu zeitgleichen Vorwärmung um den Fügebereich mit signifikant reduzierter und lokal eng begrenzter Wärmeeinbringung, einer Vermeidung des Anlassens schon vergüteter Bauteilpartien und geringerer Investitionskosten in einem kompakten Anlagendesign.Das technologieintensive Laserschweißen als innovatives Fügeverfahren benötigt eine längere Prozesskette von der ersten Anfrage bis zur eigentlichen Fertigung als das Laserschneiden. Es sind neben der reinen Lasertechnik auch weitreichende Kenntnisse der Werkstofftechnik, thermo-physikalischer Prozesse beim Fügen metallischer Werkstoffe und eine gute Portion Maschinenbau in Form von applikationsangepasster Spanntechnik und Strahlführung erforderlich.Eine wesentliche Bedeutung kommt beim Laserschweißen der bauteilangepassten Spannvorrichtung zu. Die Verbindungszone benötigt eine nahezu spaltfreie Passung der Fügeteile, damit das typisch große Schachtverhältnis zu einer vollflächigen Anbindung führt. Spaltmaße von mehreren Zehntelmillimetern sind hierbei nicht tolerierbar, da dies zu Nahteinfall, Bindefehlern, Rissen oder Poren führen kann. Mit einem Hersteller von Kupplungskomponenten für Lastkraftwagen hat die PS Laser GmbH & Co. KG, Thedinghausen, auf bestehenden Erkenntnissen aufbauend, eine gezielte Parameteroptimierung für das Laserschweißen der Werkstoffe 1.0333 mit 1.0402 durchgeführt. Nach ersten Testschweißungen und der gemeinsamen Konstruktion einer pneumatischen Spannvorrichtung wurde mit einem quergeströmten CO2-Laser die Musterserie mit Stückzahlen von über 1000 gefertigt. Begleitend konnte die Qualitätskontrolle und die Handlingszeiten optimiert werden, wodurch die Fertigungskosten deutlich sanken.