Laserstrahlschweissen Leseprobe

Herausgeber: U. Dilthey
Laserstrahlschweißen
Prozesse, Werkstoffe,
Fertigung und Prüfung
Handbuch zum BMBF-Projektverband
„Qualifizierung von Laserverfahren“
im Rahmen des Förderkonzeptes
Laser 2000

Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme
Laserstrahlschweißen : Prozesse, Werkstoffe, Fertigung und
Prüfung ; Handbuch zum BMBF-Projektverband
„Qualifizierung von Laserverfahren“ im Rahmen des
Förderkonzeptes Laser 2000 / Hrsg.: U. Dilthey. [Autoren: F.
von Alvensleben ...]. – Düsseldorf : DVS-Verl., 2000
ISBN 3-87155-906-7
Herausgeber und
Gesamtprojektkoordinator:
Sekretariat:
U. Dilthey
F. Lüder
Autoren:
F. von Alvensleben, H. W. Bergmann, E. Beyer, St. Biermann, E. Bleck, S. Breitschwerdt,
B. Brenner, W. Burget, F. Dausinger, U. Dilthey, A. Drenker, A. Ghandehari, J. Griebsch,
D. Grüneberg, H. Haferkamp, H.-J. Hartmann, J. Hoffmann, P. Hoffmann, D. Holstein,
M. Holthaus, W. Jüptner, H. Kaufmann, S. Keitel, R. Kern, H. Knissel, M. Kogel-Hollacher,
H. Kohn, G. Kuscher, F. Lüder, K.-J. Matthes, L. Morgenthal, K. Müller, M. G. Müller,
M. Nagel, M. Negendanck, D. Petring, R. Poprawe, G. Reinhart, F. Rick, A. Rösner,
C. Schmid, Ch. Schmid, H. Schobbert, E. Schubert, J. Schuster, E. Seliga, G. Sepold,
P. Seyffarth, C. M. Sonsino, W. Theiner, H. Thier, H.-G. Treusch, C. Walz, A. Wieschemann,
W. Wiesemann, B. Winderlich, C. Zimmermann
Redaktionelle Bearbeitung:
Koordination und Layout:
F. Lüder
K. Müller
Ch. Schmid
J. Schuster
F. Lüder
Gestaltung und Bearbeitung
der Materialdatenbank (auf
beiliegender CD-ROM):
F. Rick
ISBN 3-87155-906-7
Alle Rechte vorbehalten.
© Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf · 2000
Herstellung: J. F. Ziegler KG, Remscheid
Titelgestaltung: M + V Werbeagentur, Willich

Vorwort
Das vorliegende Handbuch „Laserstrahlschweißen“ ist ein Ergebnis der Arbeiten im BMBF-
Projektverband „Qualifizierung von Laserverfahren“, der im Leitthema „Präzisionsbearbeitung
mit Lasern“ als Teil des Förderkonzeptes „Laser 2000“ vom Bundesministerium für Bildung und
Forschung (BMBF) von 1996 bis 2000 gefördert wurde. Mit 27 Teilprojekten war dieser
Projektverband der bisher bedeutendste im Bereich der Materialbearbeitung mit Lasern. Die
Ergebnisse der einzelnen Teilprojekte wurden am 14. und 15. September 1999 auf einer
Abschlußpräsentation in Weimar vorgestellt und als DVS-Berichte Band 205 im DVS-Verlag
veröffentlicht. Im Gegensatz zur Präsentation einzelner Ergebnisse mit sehr spezifischer
Ausrichtung der Forschungsarbeiten haben sich die Partner des Forschungsverbandes die
Aufgabe gestellt, ein ganzheitliches Werk zu schaffen, das den derzeitigen Stand des
Laserstrahlschweißens darstellt.
Ein großes Hemmnis für den Einsatz von Lasern zum Schweißen ist u. a. das bei möglichen
Anwendern fehlende Wissen darüber, wo die Vorteile des Lasers als Werkzeug liegen und wie
dieses Werkzeug im Spannungsfeld von Konstruktion, Werkstoff und Verfahren am günstigsten
einzusetzen ist. Mit diesem Handbuch wird den Anwendern ein Kompendium und Nachschlagewerk
an die Hand gegeben, in dem diese Fragen aufgegriffen werden. Es ist somit als
Hilfsmittel für die Praxis zu sehen. Der Stand der Technik verändert sich bei dieser innovativen
Technologie ständig und mit hoher Geschwindigkeit. Insofern ist es ein anspruchsvolles Unterfangen,
eine umfassende Beschreibung dessen geben zu wollen, was derzeit möglich ist und
sinnvollerweise in der Fertigung eingesetzt werden kann. Durch die konzertierte
Zusammenarbeit der auf dem Gebiet der Lasermaterialbearbeitung führenden Forschungsstellen
Deutschlands wurde diese Aufgabe so gelöst, daß zum einen den Lesern die Möglichkeit
gegeben wird, sich schnell einen ersten Überblick über das Laserstrahlschweißen zu verschaffen.
Zum anderen werden die wesentlichen Teilgebiete des Laserstrahlschweißens sehr ausführlich
diskutiert, so daß auch die Möglichkeit gegeben ist, sich sehr intensiv mit diesen Teilgebieten
auseinanderzusetzen. Durch die ergänzende Datenbank mit einer Vielzahl von
Anwendungsbeispielen wurde insgesamt ein Informationssystem geschaffen, das als umfassendes
Nachschlagewerk dient.
Thematisch ist das Handbuch in sechs Kapitel gegliedert, die die wesentlichen Aspekte des Einsatzes
von Lasern in der Materialbearbeitung abdecken. Ein Überblick zur Verfahrenstechnik
und zum Stand der Technik beim Laserstrahlschweißen im ersten Kapitel ermöglicht einen
schnellen Einstieg in das Thema. Die Laserstrahlschweißeignung der Werkstoffe wird im
zweiten Kapitel sehr umfassend anhand der werkstoffkundlichen Vorgänge beim
Laserstrahlschweißen dargestellt. Darüber hinaus werden auch konkret Fragen zur
Schweißeignung unterschiedlicher Werkstoff-gruppen angesprochen. Weiter werden die
Besonderheiten der laserstrahlschweißgerechten Kon-struktion mit vielen Beispielen im dritten
Kapitel geschildert, während prozeßtechnische Aspekte und Möglichkeiten der On-line-

Qualitätssicherung im vierten Kapitel angesprochen werden. Ent-sprechend der herausragenden
Bedeutung der Prüftechnik in der Schweißtechnik werden die Möglichkeiten und
Schwierigkeiten der Prüfung laserstrahlgeschweißter Verbindungen im fünften Kapitel
vorgestellt. Abschließend wird im sechsten Kapitel ein Überblick zu spezifischen Normen und
Regelwerken gegeben. Die Materialdatenbank vermittelt Themen mit detaillierten Beispielen
und bietet darüber hinaus die Möglichkeit, sich tiefergehend auch über die Ergebnisse der
Forschungsarbeiten im Projektverband zu informieren.
Der ausdrückliche Dank aller Partner im Projektverband „Qualifizierung von Laserverfahren“
gilt dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Initiierung und Förderung dieses
Projektverbandes.
Aachen, im März 2000
Prof. Dr.-Ing. U. Dilthey
Herausgeber und Gesamtkoordinator des Projektverbandes
„Qualifizierung von Laserverfahren“,
Direktor des Instituts für Schweißtechnische
Fertigungsverfahren der RWTH Aachen

1 Verfahrenstechnik und Stand der Technik beim
Laserstrahlschweißen
Mit der Verbesserung der Laserstrahlquellen konnten für das Laserstrahlschweißen neue Anwendungsmöglichkeiten
erschlossen werden. Durch die Steigerung der maximalen Ausgangsleistung
und die Verbesserung der Strahlqualität bzw. Fokussierbarkeit können nun auch Fügeaufgaben im
Dickblechbereich, wie sie im Schienenfahrzeug-, Anlagen- und Apparatebau oder im Schiffbau
auftreten, mit Hilfe der Lasertechnik gelöst werden. Dies gilt auch für den Bereich der Aluminiumwerkstoffe
und andere NE-Metalle. Die Erkenntnisse über die Prozeßgrundlagen konnten durch
zahlreiche Forschungsvorhaben und Anwendungen erweitert und vertieft werden, so daß der Einfluß
einzelner Parameter auf den Prozeß und das Schweißergebnis besser beschrieben werden
kann. Einhergehend mit der gestiegenen Anzahl von Anwendungen hat auch das fertigungstechnische
Umfeld des Laserstrahlschweißens, die Handhabungstechnik und die prozeßspezifische Regelungstechnik,
eine Reihe von Neuerungen erfahren. Insbesondere aber die Verbesserungen im
Bereich der Lasersysteme haben dazu geführt, daß die Anwendung des Laserstrahlschweißens einfacher,
sicherer, schneller und zuverlässiger geworden ist. In diesem Abschnitt des Handbuches
werden die Verfahrenstechnik des Laserstrahlschweißens und der aktuelle Stand des schweißtechnischen
Potentials erläutert.
1.1 Grundlagen des Laserstrahlschweißprozesses
Wärmeleitungsschweißen
Tiefschweißen
Laserstrahl
abströmender
Metalldam pf
Laserstrahl
laserinduziertes
Plasma
flüssige
Schmelze
erstarrte
Schweißnaht
Dampf-/
Plasma-
Kanal
flüssige
Schmelze
erstarrte
Schweißnaht
Schweißrichtung
Schweißrichtung
Abbildung 1-1 Prinzip des Laserstrahlschweißens [1-1]
Nach DIN 1910 [1-2] erfolgt die Einteilung der Schweißverfahren u. a. nach dem physikalischen
Ablauf des Schweißens und der Art des von außen auf das Werkstück einwirkenden Energieträgers.
Das Laserstrahlschweißen gehört in der Gruppe der Schmelzschweißverfahren zu den Ver-
1

fahren „Schweißen durch Strahl“. Der Laser erzeugt mit dem Laserstrahl die für das Schweißen
notwendige Energie. Mit Spiegeln oder Lichtleitfasern wird diese Energie bis zur Fokussieroptik
geführt. Mit Hilfe der Fokussieroptik wird der Laserstrahl auf die Fügestelle fokussiert. In Abhängigkeit
von der dort erzielten Intensität finden unterschiedliche Prozesse der Strahl-Stoff-
Wechselwirkung statt.
Bei geringer Intensität wird ein großer Teil der Strahlung vom Werkstück reflektiert, und lediglich
ein sehr kleiner Anteil wird bei Metallen in einer dünnen Schicht (< 1 μm) an der Materialoberfläche
absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der Energietransport in das Werkstück erfolgt durch
Wärmeleitung. Steigt die Intensität, so wird durch den absorbierten Anteil der Laserstrahlung das
Werkstück lokal aufgeheizt. Mit dem Erreichen der Schmelztemperatur bildet sich mit zunehmender
Einwirkdauer ein Schmelzbad aus. Werden die Parameter so gewählt, daß dieser Zustand stationär
ist, so wird dieser Prozeß als Wärmeleitungsschweißen bezeichnet, Abbildung 1-1 a.
Wird dagegen die Intensität weiter erhöht, so daß mehr Energie absorbiert wird, als durch Wärmeleitung
abgeführt wird, so bringt die immense Energiedichte des Laserstrahls im Fokus das
Metall zum Verdampfen. Durch den Druck des abströmenden Metalldampfes entsteht in der
Schmelze ein Dampfkanal, das sogenannte „keyhole“. Der Durchmesser dieser Dampfkapillare
liegt typischerweise in der Größenordnung des Strahldurchmessers (0,1 bis 1 mm). Typische
Schwellintensitäten für die Kapillarbildung liegen im Bereich von 10 6 W/cm 2 .
Beim Tiefschweißen mit Laserstrahlung wird das System aus Dampfkapillare und umgebendem
Schmelzbad entlang der Fügelinie geführt, Abbildung 1-1 b. Das Schmelzbad umfließt die Kapillare
auf beiden Seiten, vereinigt sich hinter ihr und bildet durch Erstarrung die Schweißverbindung.
Analog zur konventionellen Schweißtechnik können toleranz- oder werkstoffbedingt
zusätzliche Maßnahmen, wie der Einsatz von Zusatzwerkstoff, angewendet werden, um die geforderte
Qualität der Schweißverbindung zu gewährleisten.
Im folgenden wird unter dem Begriff Laserstrahlschweißen ausschließlich das Tiefschweißen mit
Lasern verstanden, [1-3, 1-4, 1-5]. Die charakteristischen Eigenschaften des Tiefschweißeffektes
sind durch Effekte zu beschreiben, die unmittelbar mit den Eigenschaften der Dampfkapillaren gekoppelt
sind:
• Aufgrund der veränderten Absorptionsbedingungen (Vielfachreflexion in der Dampfkapillare)
kommt es zu einer hohen Einkopplung bei den für die eingesetzten Wellenlängen hoch reflektierenden
Metallen. Messungen der reflektierten Laserstrahlung verdeutlichen, daß bei geeigneten
Prozeßparametern die Laserstrahlung nahezu vollständig absorbiert und in das Werkstück
eingekoppelt werden kann. Die in Abbildung 1-2 dargestellte kritische Intensität, oberhalb
der sich eine Dampfkapillare ausbildet, ist keine feste Größe, sondern hängt von verschiedenen
Prozeßparametern ab [1-6].
• Im Zusammenhang mit der Kapillarausbildung entsteht (vor allem bei CO 2 -Lasern) ein Metalldampfplasma.
Dieses unterstützt die Einkopplung in die Dampfkapillare, beeinträchtigt jedoch
den Laserstrahl vor dem Auftreffen auf das Werkstück [1-7]. Die Plasmaausbildung
kann durch Arbeitsgas (z. B. Helium) verringert und durch die Wahl kurzer Wellenlängen
(Festkörperlaser) verhindert werden.
2

100
%
60
Schweißtiefe t Reflexion R
40
20
0
4
mm
2
1
Werkstoff:
Stahl
Wellenlänge λ:
10,6 µm
Laserleistung:
2 kW
Schweißgeschwindigkeit: 10 mm/s
Arbeitsgas:
Helium
Abbildung 1-2
0
10 10 W/cm 10
5 6 2 7
Laserintensität I
Abhängigkeit von Reflexion und Schweißtiefe von der Intensität des Lasers am Beispiel
von Stahl [1-8]
• Aufgrund der Geometrie wird das tiefe Eindringen des Laserstrahls in das Werkstück ermöglicht,
so daß eine gleichmäßige Energie-Dissipation in den Fügebereich im Inneren des Werkstückes
gewährleistet ist.
• Tiefe und Durchmesser der Kapillare bestimmen zusammen mit der Schweißgeschwindigkeit
die Geometrie der Schweißnaht und können durch die Wahl der Strahlparameter auf die vorgegebene
Schweißaufgabe abgestimmt werden.
• Die Ausgasung der Schmelze wird durch die Dampfkapillare unterstützt. Somit kann durch
eine entsprechende Anpassung die Porenbildung beeinflußt werden.
• Die Wechselwirkungsprozesse in der Kapillare zwischen Laserstrahl, Plasma und Schmelze
liefern Signale, die zu jedem Zeitpunkt eine Prozeßanalyse ermöglichen und zur Echtzeit-
Qualitätskontrolle bzw. -steuerung und -regelung eingesetzt werden können.
3

1.1.1 Veränderliche Parameter beim Laserstrahlschweißprozeß
Charakteristisch für das Laserstrahlschweißen ist die hohe Anzahl von veränderlichen Parametern,
die einen direkten Einfluß auf den Schweißprozeß und somit auch auf das Schweißergebnis haben.
Von primärer Bedeutung der hier zu nennenden Parameter sind die Laserleistung, die Schweißgeschwindigkeit
sowie die Strahlabmessung und Leistungsdichteverteilung am Werkstück.
Aus dem Verhältnis der Laserleistung am Werkstück zur Schweißgeschwindigkeit ergibt sich die
Streckenenergie. Dadurch sind zwei signifikante Parameter in ihrer Wirkung auf das Schweißergebnis
verknüpft.
Die beim Laserstrahlschweißen eingesetzten Arbeitsgase dienen der Beeinflussung des Plasmas
und damit der Energieeinkopplung. Ursache hierfür ist die Beeinflussung der Elektronendichte im
Plasma durch Rekombination von Elektronen und Ionen.
Durch den Einsatz von Zusatzwerkstoff können beim Laserstrahlschweißen das Schweißergebnis,
die Gefügeausbildung in der Naht sowie der Schweißprozeß beeinflußt werden.
1.1.2 Charakterisierung von Laserstrahlung
Die Charakterisierung des Laserstrahls ist Gegenstand von Untersuchungen im EUREKA-Projekt
CHOCLAB. Nähere Erläuterungen enthalten u. a. die Normen DIN EN ISO 11145 [1-9] und
DIN EN ISO 11146 [1-10]. Für die meßtechnische Ermittlung des Strahldurchmessers sind verschiedene
Verfahren im Norm-Entwurf DIN EN ISO 15616-1 [1-11] beschrieben.
Die räumliche Ausbreitung von Laserstrahlen in Strahlrichtung, auch Propagation genannt, wird
durch die Größe und den Ort des kleinsten Strahldurchmessers und den Divergenzwinkel beschrieben.
Um den „Rohstrahl“ eines Lasers zu kennzeichnen, wird der Strahlpropagationsfaktor
„K“ definiert, der nach DIN EN ISO 11145 die Bestimmungsgrößen zu einem Kennwert zusammenfaßt.
Dieser dimensionslose Wert berechnet sich nach der Gleichung (1).
λ
K = ⋅ π d
0
4
⋅ Θ
0
(1)
mit: λ = Wellenlänge (für CO 2 -Laser 10,6 µm, für Nd:YAG-Laser 1,06 µm)
Θ 0 =
Divergenzwinkel in rad
d 0 = Durchmesser des Rohstrahls in mm
Der Strahlpropagationsfaktor K nimmt einen Wert zwischen 0 und 1 an. Die typischen Werte des
Strahlpropagationsfaktors für Laser oberhalb 10 kW betragen 0,1 bis 0,3.
Als Leistungsdichte oder -intensität wird die auf die Fläche des Brennflecks bezogene Strahlleistung
angegeben. Typische Werte für die Leistungsdichte beim Tiefschweißen liegen um
10 6 W/cm 2 .
Das Verhältnis von Brennweite zu Rohstrahldurchmesser beschreibt die Fokussierkennzahl F. Das
Ziel der Laserstrahl-Fokussierung besteht darin, einen Brennfleck mit möglichst geringem Durchmesser,
dem Fokusdurchmesser d F , zu erzeugen. Typische Fokusdurchmesser betragen 0,1 bis 1
mm. In den sich ergebenden Strahlquerschnittsflächen wirkt die Laserleistung, so daß Leistungsdichten
> 10 6 W/cm 2 entstehen, die den Tiefschweißeffekt bewirken. Die Fokuslage bezeichnet die
Position des Fokus senkrecht zur Blechoberfläche. Es wird vereinbart, daß eine Verschiebung des
4

Fokus von der Werkstückoberfläche in das Werkstück hinein mit negativem Vorzeichen und vom
Werkstück weg mit positivem Vorzeichen geschrieben wird. Durch Defokussierung, also die Änderung
der Fokuslage, kann unter Ausnutzung des Divergenzwinkels des fokussierten Laserstrahls
die Leistungsdichte im Brennfleck an der Werkstückoberfläche variiert werden.
Gemäß DIN EN ISO 11145 wird die Rayleigh-Länge in Strahlausbreitungsrichtung von der
Strahltaille bis zu dem Punkt gemessen, bei dem die Strahlquerschnittsfläche das Doppelte der
Strahltaille beträgt. Sie wird durch folgende Gleichungen berechnet:
z
R
2
F
π ⋅ d
=
4 ⋅ λ
oder z
R
d F
=
Θ
= F ⋅ d
F
Die Toleranz bezüglich der Fokuslage hängt von der Rayleigh-Länge z R des fokussierten Strahls
ab. Während im Merkblatt DVS 3203-2 [1-12] ein Wert von 5/100 der Rayleigh-Länge angegeben
wird, kann für das Schweißen von Grobblechen eine Toleranz von weniger als zwei Zehnteln der
Rayleigh-Länge zugelassen werden. Somit soll für Schweißaufgaben an Grobblechen die Rayleigh-Länge
des fokussierten Strahls möglichst groß sein, um den Einfluß des Divergenzwinkels Θ
auf die Nahtgeometrie gering zu halten, Abbildung 1-3.
f2,57" z R
1,82"
(2)
d 0
Rohstrahl
fokussierter
Strahl
Θ F
d F
K
f
z
λ
d
d
R
0
F
Θ
: Strahlpropagationsfaktor
: Brennweite
:Rayleigh-Länge
: Wellenlänge
: Strahltaillendurchmesser des Rohstrahls
: Strahltaillendurchmesser des fokussierten Strahls
: Divergenzwinkel
K =
4λ
1
π d.
σ Θ
0

1.2 Einfluß der Bearbeitungsparameter auf den Schweißprozeß
1.2.1 Einfluß der Laserstrahlparameter auf den Schweißprozeß
Wärmeleitungsverluste sind dafür verantwortlich, daß mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit
bzw. abnehmender eingebrachter Leistung höhere Strahlungsintensitäten für die Erzeugung eines
Metalldampfes erforderlich sind. Entsprechend wird die Kapillarausbildung mit wachsender Bearbeitungsgeschwindigkeit
zu höheren Intensitäten verschoben. Bei zu hohen Laserstrahlintensitäten
bzw. nicht prozeßangepaßten Parametern (s. Arbeitsgaseinfluß) nimmt die Absorption im Plasma
oberhalb des Werkstückes so große Werte an, daß nur noch ein geringer Teil der Laserleistung den
Kapillarbereich erreicht und in Prozeßenergie umgesetzt wird. Dieser Intensitätsbereich ist durch
eine geringere Einschweißtiefe bzw. durch eine Unterbrechung des Schweißprozesses gekennzeichnet.
Bei geringen Geschwindigkeiten und hohen Intensitäten (hohe Streckenenergie) ist die optische
Dichte des Plasmas innerhalb der Kapillare so hoch, daß die Strahlungsenergie zum großen Teil im
Kapillarvolumen absorbiert wird. Die absorbierte Energie wird nicht nur an die Kapillarfront, sondern
auch an die Kapillarwände abgegeben, so daß die Nahtbreite auf Kosten der Nahttiefe zunimmt.
Bei Erhöhung der Geschwindigkeit nimmt die Volumenabsorption in den Kapillaren ab. Bei dieser
„plasmaunterstützten Absorption“ [1-14] wird die eingestrahlte Laserleistung optimal für den Prozeß
genutzt, so daß die Schweißnahtgeometrie durch ein großes Nahttiefe-zu-Nahtbreite-
Verhältnis gekennzeichnet ist.
Eine weitere Erhöhung der Prozeßgeschwindigkeit führt zu einer Abnahme der Absorption in der
Plasmaschicht. Der Prozeß ist dann durch Fresnelabsorption an den Kapillarwänden gekennzeichnet,
was zu einer Abhängigkeit des Schweißergebnisses von der Polarisationsrichtung des Laserstrahles
führt, siehe Abbildung 1-4 [1-15, 1-16].
Schweißgeschwindigkeit [m/min]
10
7,5
5
2,5
0
Polarisationsebene 0 O
Polarisationsebene 90 O
0 2,5 5 7,5 10
Einschweißtiefe [mm]
Abbildung 1-4
Abhängigkeit der Einschweißtiefe und der Schweißgeschwindigkeit von der Polarisation
der Laserstrahlung [1-15, 1-16].
6

Einschweißtiefe t [m m ]
s
Die Strahlpolarisation kann auch einen direkten Einfluß auf die Nahtausbildung ausüben,
Abbildung 1-4. Ist der Strahl senkrecht zur Vorschubrichtung polarisiert, wird er an den Kapillarseitenwänden
verstärkt absorbiert und an der Verdampfungsfront reflektiert. Die Schweißnähte
sind daher durch eine charakteristische Abnahme der Schweißtiefe und eine größere Nahtbreite
gekennzeichnet. Ist dagegen der Strahl durch Polarisation parallel zur Vorschubrichtung gekennzeichnet,
wird er an der Verdampfungsfront verstärkt absorbiert, so daß die Strahlungsenergie wirkungsvoll
in Prozeßenergie umgesetzt werden kann. Die Nahtgeometrie zeichnet sich in diesem
Fall durch ein großes Tiefe-zu-Breite-Verhältnis aus.
1.2.2 Einfluß von Arbeitsgasen auf den Schweißprozeß
Die beim Laserstrahlschweißen eingesetzten Arbeitsgase dienen der Beeinflussung des Plasmas
und damit der Energieeinkopplung. Ursache hierfür ist die Beeinflussung der Elektronendichte im
Plasma durch Rekombination von Elektronen und Ionen. Leichte Gase mit hohen Ionisierungsenergien
(Helium) können die Rekombinationsrate im Plasma erhöhen. Dies führt zu einer Verringerung
der Elektronendichte im Plasma und somit zu einer geringeren Absorption bzw. Abschirmung.
In gleicher Weise sind die zugeführten Teilchenströme (Gasflüsse) von Bedeutung. Dieser Effekt
ist u. a. der Grund für die Abhängigkeit des Schweißergebnisses vom Arbeitsgas, wie er in
Abbildung 1-5 deutlich wird. Insbesondere bei hohen Plasmadichten bzw. Verdampfungsraten,
verursacht durch hohe Intensitäten oder geringe Vorschubgeschwindigkeiten, wird der Einfluß des
Arbeitsgases deutlich. Wird das Arbeitsgas nicht auf den Prozeß abgestimmt, so kann dies zu einer
erhöhten Absorption im Plasma über dem Werkstück und somit zur Abschirmung führen. Neben
der Beeinflussung des Plasmas ist die Wirkung des verwendeten Arbeitsgases auf das Schmelzbad
hinsichtlich Viskosität und Oberflächenspannung zu beachten, zwei Einflußgrößen, die im Hinblick
auf eine mögliche Rißbildung von besonderer Bedeutung sind.
6
4
6 -2
I=4x10 W cm
Stahl: 16MnCr5
P L = 2kW
s = 6mm
2
0
Arbeitsgas:
He 20l/min
N2 “
Ar “
1 2 3 4
Schweißgeschwindigkeit v
S[m/min]
Abbildung 1-5 Einfluß des Arbeitsgases auf das Schweißergebnis (CO 2 -Laser) [1-1]
7

1.2.3 Einsatz von Schweißzusatzwerkstoff
Analog zum WIG-Schweißen kann beim Laserstrahlschweißen ein drahtförmiger Zusatzwerkstoff
stromlos der Schweißstelle zugeführt werden. Der Zusatzwerkstoff dient einerseits der Kompensation
von Spaltvolumina und wird darüber hinaus zur Beeinflussung der Nahtform und der Kristallisation
eingesetzt. In der Optimierung der chemischen Zusammensetzung des Zusatzdrahtes liegt
ein bedeutendes Potential zur Gewährleistung der Schweißnahtqualität und der mechanischen Eigenschaften.
Die Bereitstellung und Erprobung von modifizierten Massiv- und Fülldrähten war Inhalt
des Verbundprojekts. Über Ergebnisse wird in Kapitel 2 berichtet.
Beim Schweißen von Stumpfstößen mit Zusatzdraht wird das Schweißergebnis ähnlich wie beim
Schweißen ohne Draht von der Laserleistung und der Schweißgeschwindigkeit beeinflußt. Für die
Fokuslage gilt im allgemeinen, daß der Zusatzdraht in den Fokus des Laserstrahls trifft.
Der Begriff der Drahtzuführrate wird verwendet, um die zugeführte Drahtmenge auf die Schweißnahtlänge
zu beziehen. Mit Hilfe dieser Größe kann für gegebene Werte der Spaltquerschnittsfläche,
des Drahtdurchmessers und der Schweißgeschwindigkeit die Drahtgeschwindigkeit aus der
folgenden Gleichung (3) abgeschätzt werden, die sich aus einer Volumenbilanz ableitet:
Spaltvolumen/Zeiteinheit (A Sp ⋅ v s ) = Drahtvolumen/Zeiteinheit (A D ⋅ v D )
V
D
2
D
10⋅π
⋅d
⋅ν
D
= = 10⋅
A
4⋅ν
s
mit: V D Drahtzuführrate in mm 3 /cm
A Sp Spaltquerschnittsfläche in mm 2
d D Drahtdurchmesser in mm
v D Drahtgeschwindigkeit in m/min
Schweißgeschwindigkeit in m/min
v S
Sp S
2
⋅dD
Sp
4⋅
A ⋅ν
ν D = kD
⋅
(4)
π
mit: k D Korrekturfaktor (= 0,7 – 0,9)
Der Faktor k D wird hier eingeführt, da es sich in der Praxis gezeigt hat, daß 70 bis 90 % der errechneten
Drahtgeschwindigkeit ausreichen, um einen entsprechenden Spalt zu füllen. Eine Ursache
dafür könnte die Wärmeausdehnung der Werkstoffe sein. Ein Unterschied zwischen Füll- und
Massivdrähten besteht in dieser Hinsicht nicht.
Für die Drahtzuführrate ergibt sich ein Minimum, wenn der Spalt gerade noch hinreichend gefüllt
wird. Bei geringer Streckenenergie gibt es nur einen engen Bereich der Drahtzuführrate, für den
eine Durchschweißung gewährleistet ist. In Richtung auf zu hohe Drahtzuführraten und zu hohe
Streckenenergie nehmen die Unregelmäßigkeiten in der Wurzelausbildung zu. Im Vergleich zum
Schweißen ohne Zusatzdraht am I-Stoß ohne Spalt ist damit eine erhöhte Streckenenergie notwendig,
die sich in einer durch den Spalt vergrößerten Nahtquerschnittsfläche widerspiegelt.
(3)
8

Die Position des Drahtes bezogen auf den Laserstrahl und auf den Fügestoß ist von entscheidender
Bedeutung für die Prozeßstabilität und die Nahtqualität, siehe Abbildung 1-6 und Tabelle 1-1.
x
Laserstrahl
z
Zusatzdraht
α D
α G
Arbeitsgasdüse
Werkstückoberfläche
Z Sp
Δz f
Z W
Spaltgrund
Δx G
Bewegungsrichtung des Werkstücks
α D
α G
Δx G
Δz F
Z S p
Z W
Winkel zwischen Laserstrahl und Zusatzdraht
Winkel zwischen Laserstrahl und Gasdüse
Position der Gasdüse
Abstand des Fokus vom Schnittpunkt Strahlachse/Zusatzdraht
Spalttiefe
Abstand des Schnittpunktes Strahlachse/Zusatzdraht von der
Werkstückoberfläche
Abbildung 1-6
Drahtposition und Anordnung zum Stumpfnahtschweißen mit Zusatzdraht
Einlagen-Schweißung
s = 8 – 12 mm
α D 30° schleppend z Sp Entspricht Blechdicke
α G 30° bis 60° stechend z W 0
Δx G 0 ... 1 mm
Δz F 0 mm
Tabelle 1-1 Einstellwerte für das Einlagenschweißen von Stumpfstößen [1-1]
1.2.4 Einsatz von Zusatzenergiequellen
Werkstoff- oder fertigungstechnische Anforderungen, die durch den Einsatz von Zusatzwerkstoff
nur bedingt erfüllt werden, sind z. B. Verringerung der Aufhärtung, sichere Vermeidung von
Kaltrissen und Heißrissen, Reduzierung der Porenbildung, geringer Aufwand für die Fügestellenvorbereitung
oder höhere Spaltüberbrückbarkeit. Durch den Einsatz von zusätzlichen Energiequellen
können in diesen Bereichen mitunter wesentliche Verbesserungen erzielt werden. Dazu
wurden Hybridschweißverfahren (WIG-, MIG-, Plasma-unterstütztes Laserstrahlschweißen (siehe
9

z. B. [1-17,1-18,1-19]) oder Kombinationsschweißverfahren (induktiv unterstütztes Laserstrahlschweißen
(siehe z. B. [1-20,1-21,1-22]) entwickelt und zur industriellen Anwendung gebracht.
Hybridschweißverfahren können vorteilhaft eingesetzt werden zur Vergrößerung der Spaltüberbrückbarkeit,
zur Verringerung der Aufhärtung an höherfesten Feinkornbaustählen, zur Erhöhung
der Schweißgeschwindigkeit, zur Erzeugung besonderer, bauteilangepaßter Schweißnahtgeometrien
sowie zum Tailored-blank-Schweißen, zur Reduzierung der Porenhäufigkeit und
Verringerung der Schuppigkeit der Oberraupe beim Laserstrahlschweißen von Aluminium. Das
Laserinduktionsschweißen dagegen eröffnet prinzipiell neue Möglichkeiten zur kaltrißfreien
Schweißbarkeit von Einsatzstählen, Vergütungsstählen, Werkzeugstählen (vgl. z. B. [1-23]) und
Gußeisen sowie zur Verringerung der Heißrißanfälligkeit von Stählen mit angehobenem Schwefelgehalt.
1.3 Einfluß der Bearbeitungsparameter auf das Schweißergebnis
1.3.1 Mechanisch-technologische Eigenschaften
Der Laserstrahlschweißprozeß ist durch hohe Temperaturgradienten und Abkühlraten gekennzeichnet.
Die Abkühlzeit der Schweißnaht beeinflußt über den Phasenübergang flüssig/fest unter
anderem die Ausbildung von Seigerungen, die Ausgasung sowie die Erstarrungsstruktur. Darüber
hinaus ist bei Kohlenstoffstählen die Zeit zur Abkühlung von 800 auf 500 °C eine charakteristische
Größe (t 8/5 -Zeit), über die die Diffusion des Kohlenstoffes und damit die Martensit-Bildung
bestimmt ist. Messungen bei unterschiedlichen Untersuchungen und Anwendungen zum Laserstrahlschweißen
von Baustählen ergaben typische Werte von 0,5 s < t 8/5 < 10 s. Derartige Abkühlzeiten
liegen erheblich unter denen, die beim Einsatz von Lichtbogenverfahren, z. B. dem UP-
Schweißen, erreicht werden (20 s < t 8/5 < 30 s).
Dies kann werkstoffabhängig, z. B. bei Baustählen, zu erheblichen Aufhärtungen bis zu 500
HV 0,5 im Bereich des Schweißgutes oder der wärmebeeinflußten Zone führen. Ebenso wie die
Nahtgeometrie kann jedoch auch die Aufhärtung im Nahtbereich durch die Prozeßparameter beeinflußt
werden, Abbildung 1-7. So kann durch die Erzeugung von Nähten mit größerer Nahtbreite
das Auftreten hoher Härten verringert werden. Eine andere Möglichkeit zur Verringerung der Aufhärtung
der Schweißnaht besteht in ihrer prozeßparallelen induktiven Wärmebehandlung.
Die erhöhten Härtewerte in der Schweißnaht führen dazu, daß bei Zugversuchen immer ein Versagen
der Probe im Grundwerkstoff, verbunden mit den entsprechenden Festigkeitswerten, zu beobachten
ist. Bedingt durch die geringe Breite der Schweißnaht lassen diese hohen Härtewerte jedoch
nicht unbedingt Schlüsse auf das mechanische Verhalten der Schweißnaht zu.
Wird die Schweißnaht auf Biegung beansprucht, macht sich die geringe Breite der Laserstrahlschweißnaht
vorteilhaft bemerkbar. Das zur Dehnung der Verbindung erforderliche Fließen wird
von dem duktileren Umgebungs-Werkstoff übernommen. Dieses Verhalten wurde schon bei Versuchen
zum Umformverhalten laserstrahlgeschweißter Dünnblechplatinen festgestellt und kann
auf das Schweißen von Blechkonstruktionen mit großen Dicken übertragen werden. So werden bei
Blechdicken bis zu s = 20 mm Biegewinkel bis zu 180° ohne Anriß erreicht.
Die Zähigkeit von Schweißverbindungen wird über den Kerbschlagbiegeversuch, z. T. in instrumentierter
Ausführung, bestimmt. Die Anwendung dieses technischen Versuches auf laserstrahlgeschweißte
Nähte ist aufgrund der geringen Nahtbreite, der hohen Härte und der steilen Gradienten
problematisch. Erfolgt die Rißeinleitung im Bereich der Schmelzzone oder der Wärmeeinfluß-
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zone, so wird häufig bei der Durchführung des Kerbschlagbiegeversuchs ein Auswandern des Risses
in den duktilen Grundwerkstoff beobachtet. Die ermittelten Werte für die Kerbschlagzähigkeit
entsprechen in diesem Fall den hohen Werten des Grundwerkstoffes. Verbleibt der Riß dagegen in
der Einleitungszone mit hoher Härte, ergeben sich kleine Werte. Eine Aussage über das Zähigkeitsverhalten
einer Verbindung im Einsatzfall ist aufgrund dieser starken Streuung der Werte
nicht möglich.
Werkstoff P460NL, s=6mm, P = 5,5 kW, f=200 mm, F = 5,26
L
V8
Vs = 1,6 m/min
600
V10
Vs = 0,6 m/min
V11
Vs = 0,3 m/min
500
400
V 8
V 1 0
V 1 1
300
200
100
Abbildung 1-7
0
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
Abstand von Schweißnahtm itte [m m ]
Einfluß der Streckenenergie auf die Nahtgeometrie und das resultierende Härteprofil
[1-24]
Werden Zähigkeitsuntersuchungen an Schweißnähten, die an nicht aufhärtenden Werkstoffen erstellt
wurden, oder an normalisierten Nähten durchgeführt, so zeigt sich, daß die Zähigkeit im
Schweißnahtbereich der im Grundwerkstoff entspricht. Für aktuelle Ergebnisse sei auch hier auf
die Kapitel 2, 3 und 5 verwiesen.
1.3.2 Einflüsse auf die Nahtqualität
Die gezielte Energieeinbringung beim Laserstrahlschweißen führt zu schmalen Schmelzzonen bei
großer Einschweißtiefe und zu hohen Temperaturgradienten im Schweißbereich. Diese Merkmale
erfordern zum einen höheren Aufwand bei der Werkstückvorbereitung und -positionierung und
beeinflussen zum anderen das Auftreten von Nahtfehlern und die mechanisch-technologischen Eigenschaften
der Schweißnaht.
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