Air Liquide

Optimierte Schutzgasanwendungen beim Laserschweißen

| Autor / Redakteur: Cerkez Kaya / Frauke Finus

Auf Werkstoff und Laser perfekt angepasste Schutzgaslösungen haben einen erheblichen Einfluss auf das Schweißergebnis. Einbrandform, Nahtoberfläche und -qualität sowie Schweißgeschwindigkeit und Schutzgasverbrauche stehen in direktem Zusammenhang zum gewählten Schutzgas.
Auf Werkstoff und Laser perfekt angepasste Schutzgaslösungen haben einen erheblichen Einfluss auf das Schweißergebnis. Einbrandform, Nahtoberfläche und -qualität sowie Schweißgeschwindigkeit und Schutzgasverbrauche stehen in direktem Zusammenhang zum gewählten Schutzgas. (Bild: Air Liquide)

Ob im Fahrzeug-, Flugzeug- oder Schiffsbau oder beim Maschinen- und Apparatebau – bei Fügeaufgaben kommt vielfach das Werkzeug Laser zum Einsatz, weshalb das Laserschweißen fester Bestandteil der Fertigung ist. Die Frage nach dem jeweils bestmöglichen Schutzgas ist deshalb wichtig.

Auf Werkstoff und Laser perfekt angepasste Schutzgaslösungen haben einen erheblichen Einfluss auf das Schweißergebnis. Einbrandform, Nahtoberfläche und -qualität sowie Schweißgeschwindigkeit und Schutzgasverbrauche stehen in direktem Zusammenhang zum gewählten Schutzgas. Die Effizienz eines Schutzgases zeigt sich daran, ob es am vorgesehenen Einsatzort wirksam angelangt. Die Art der Zuführung bestimmt also die Größe des Potentials zur Verbesserung von Qualität, Sicherheit und Leistung beim Laserschweißen. Der Kontext, in dem üblicherweise das optimale Schutzgas für das Laserschweißen ermittelt wird, wird bestimmt von den sensiblen verfahrenstechnischen Prozessfenstern, Metalldampf, Rauch und Schmauchbildung sowie Plasmaneigung.

Üblicherweise wird von Erstanwendern beim Laserschweißen Helium eingesetzt; bei Festkörperlasern, wie Scheiben- und Faserlaser, wird unabhängig von Laserleistung und Werkstoff Argon genutzt. Im Vergleich zu Argon hat Helium einen kleineren Atomdurchmesser, eine höhere Ionisationsenergie sowie eine geringere Plasmaneigung, weshalb der Einsatz von Helium einen stabilen Prozess und eine gute Einkopplung der Laserenergie in das Bauteil gewährleistet.

Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Helium sorgt zudem für einen effektiven Wärmeübergang vom Laser in den Werkstoff; in der Folge werden eine vergleichsweise gute Einbrandtiefe, eine hohe Schweißgeschwindigkeit und ein besseres Benetzungsverhalten ermöglicht.

Schutzgasgemische mit speziellen Komponenten

Forschungsergebnisse belegen den Zusammenhang zwischen Plasmabildung, Gaszusammensetzung und Laserleistung. Beim Schweißen mit 12 kW Laserleistung verhält sich ein Gasgemisch mit min. 70 % Helium ähnlich stabil wie reines Helium und ermöglicht vergleichbare Einschweißtiefen. Bei einer Laserleistung von 2 kW liegt der Grenzanteil des notwendigen minimalen Heliumgehalts für einen stabilen Prozess bei 20 %. Aufgrund der steigenden Herausforderungen am Markt setzen Anwender immer mehr auf Schutzgasgemische mit speziellen Komponenten.

Air Liquide hat in diesem Sinne mit Lasal 4635, Lasal 4633 und Lasal 4626 drei Schutzgasgemische entwickelt, welche die Naht deutlich besser vor unerwünschten Einflüssen der Atmosphäre schützen als dies mit reinem Helium als Schutzgas möglich wäre und gleichzeitig eine höhere Nahtqualität und Prozessstablität gewährleisten.

Zudem haben Anwendungsversuche gezeigt, dass unabhängig von der Laserquelle, Laserleistung und Sauerstoffanteile im Schutzgas den Energieeintrag in das Bauteil, das Einbrandverhalten und die Nahtform verbessern. Des Weiteren sind eine bessere Ausgasung, eine reduzierte Neigung zur Porenbildung und eine verbesserte Benetzung der Nahtflanken positive Folgen. In der Konsequenz gibt es weniger Kerben und es wird eine höhere Schweißgeschwindigkeit erreicht.

Art der Schutzgaszufuhr wichtig für Bauteilqualität

Mit Lasal 4635, Lasal 4633 und Lasal 4626 lassen sich Werkstoffe mit einer geringen Absorption der metallischen Oberfläche, wie beispielsweise Aluminium, einfacher schweißen. Durch eine optimierte Einkopplung der Laserstrahlen ins Material wird der Schweißprozess stabilisiert und hohe Einschweißtiefen und Schweißgeschwindigkeiten auf der gesamten Nahtlänge gewährleistet. Die technologischen Vorteile liegen also auf der Hand. Und auch wirtschaftlich gesehen lohnt sich die Entscheidung für die drei Gasgemische aus dem Hause Air Liquide: Dank eines reduzierten Gasverbrauchs sinken die Gesamtkosten; individuell an die Werkstoffe angepasste Gasgemische garantieren eine konsequente Prozessoptimierung.

Eine nicht zu vernachlässigende Quelle für die Verbesserung von Qualität, Prozesssicherheit und Leistung beim Laserschweißen ist die Art der Schutzgaszufuhr. Die Wirksamkeit der eingesetzten Gase beziehungsweise Gasgemische hängt direkt davon ab, ob diese am vorgesehenen Einsatzort auch wirksam angelangen. Dank des von Air Liquide entwickelten Lasal-Düsen-Konzepts lassen sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Schutzgase wirksam nutzen. Dieser Aspekt ist für eine optimale Energieeinbringung, Prozessstabilität und Nahtqualität entscheidend. Die Düse besteht aus einem wassergekühlten Düsengrundkörper und einem auswechselbaren Düsenteil. Der Lasal-Düseneinsatz sorgt mit seiner geometrischen Form für eine optimale Schutzgas-Abdeckung, verbesserte Energieeinbringung, Prozessstabilität und eine bessere Nahtqualität. Der wassergekühlte Grundkörper sorgt für die in Serienfertigungen notwendigen Düsenstandzeiten mit reduzierten Wartungs- und Reinigungs-Zyklen.

Schutz- und Schweißgase in entsprechender Reinheit bieten in Kombination mit einem effizienten Düsen-System ein erhebliches Potenzial für mehr Qualität, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. So wird die Wirkung der Schutzgase beim Laserschweißen und Löten signifikant gesteigert. Forschungen haben ergeben, dass sich Gasgemische unter Berücksichtigung der Gaseigenschaften, Leistung und Laserwellenlänge sowie der Werkstoffe besser als Reingase zum Laserschweißen eignen. Die Experten von Air Liquide beraten Unternehmen individuell und entwickeln mit ihnen gemeinsam optimal an die jeweiligen Gegebenheiten angepasste Lösungskonzepte.

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