Der Einfluss von Schutzgasparametern auf den Laserschweißprozess

Der Einfluss von Schutzgasparametern auf den Laserschweißprozess

01 Einführung

Die Laserschweißtechnologie ist aufgrund ihrer hohen Energiedichte, des geringen Wärmeeintrags und der berührungslosen -Eigenschaften zu einem der Kernprozesse der modernen Präzisionsfertigung geworden. Allerdings schränken Oxidation, Porosität und Elementverlust, die durch den Kontakt zwischen dem Schmelzbad und der Atmosphäre beim Schweißen entstehen, die mechanischen Eigenschaften und die Lebensdauer von Schweißnähten erheblich ein. Schutzgas als Kernmedium zur Steuerung der Schweißumgebung muss auf der Grundlage seiner Art, Durchflussrate und Blasmethode in Kombination mit Materialeigenschaften (wie chemische Reaktivität und Wärmeleitfähigkeit) und Plattendicke ausgewählt werden.

Laser- und Elektronenstrahlbearbeitung

02 Arten von Schutzgasen

Die Hauptaufgabe des Schutzgases besteht darin, Sauerstoff zu isolieren, das Verhalten des Schmelzbades zu regulieren und die Effizienz der Energiekopplung zu verbessern. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften werden Schutzgase in Inertgase (Argon, Helium) und Aktivgase (Stickstoff, Kohlendioxid) eingeteilt. Inertgase weisen eine hohe chemische Stabilität auf und verhindern wirksam die Oxidation des Schmelzbades. Ihre thermophysikalischen Unterschiede wirken sich jedoch erheblich auf die Schweißergebnisse aus.

Argon (Ar) hat beispielsweise eine hohe Dichte (1,784 kg/m³) und bildet eine stabile Deckschicht, aber seine geringe Wärmeleitfähigkeit (0,0177 W/m·K) verlangsamt die Abkühlung und führt zu einer geringeren Eindringtiefe. Im Gegensatz dazu hat Helium (He) eine achtmal höhere Wärmeleitfähigkeit (0,1513 W/m·K), was die Abkühlung beschleunigt und die Eindringtiefe erhöht. Aufgrund seiner geringen Dichte (0,1785 kg/m³) kann es jedoch leicht entweichen und erfordert einen höheren Durchfluss, um den Schutz aufrechtzuerhalten.

Aktive Gase wie Stickstoff (N₂) können in einigen Fällen die Schweißnahtfestigkeit durch Festigung fester -Lösungen verbessern, eine übermäßige Verwendung kann jedoch zu Porosität oder Ausfällung einer spröden Phase führen. Beispielsweise kann das Eindringen von Stickstoff in das Schmelzbad beim Duplex-Edelstahlschweißen das Phasengleichgewicht Ferrit/Austenit stören und die Korrosionsbeständigkeit verringern.

[Bild: Abbildung 1. Laserschweißen von Edelstahl 304L, (oben) Ar-Schutz; (unten) N₂-Schutz]

Aus Sicht des Prozessmechanismus unterdrückt die hohe Ionisierungsenergie von Helium (24,6 eV) die Plasmaabschirmung und verbessert so die Absorption und Durchdringung der Laserenergie. Argon erzeugt mit einer niedrigeren Ionisierungsenergie (15,8 eV) leicht Plasmawolken, die eine Defokussierung oder Pulsmodulation erfordern, um Interferenzen zu reduzieren. Darüber hinaus können aktive Gase chemisch mit dem Schmelzbad reagieren (z. B. N₂ bildet mit Cr im Stahl Nitride), wodurch sich die Zusammensetzung der Schweißnaht ändert und eine sorgfältige Auswahl erforderlich ist.

Beispiele für Materialanwendungen:
- Stahl: Für dünne Bleche (<3 mm), argon ensures surface smoothness, with oxidation layer thickness of only 0.5 μm on a 1.5 mm low-carbon steel weld. For thick plates (>10 mm), Heliumzugabe verbessert die Penetration.
- Edelstahl: Argonschutz verhindert Cr-Verlust. In 3 mm dickem Edelstahl 304 erreicht der Cr-Gehalt in der Schweißnaht 18,2 % (nahezu 18,5 % im Grundmetall). Duplex-Edelstahl erfordert Ar-N₂-Mischungen (N₂ kleiner oder gleich 5 %) für den Phasenausgleich. Untersuchungen zeigen, dass Ar-2 % N₂ bei 8 mm dickem Duplex-Edelstahl 2205 ein Ferrit/Austenit-Verhältnis von 48:52 und eine Zugfestigkeit von 780 MPa beibehält, was besser ist als reines Ar (720 MPa).
- Aluminiumlegierungen: Für dünne Bleche (<3 mm), high reflectivity reduces absorption. Helium, with its high ionization energy, stabilizes plasma. In 2 mm thick 6061 aluminum alloy, helium shielding achieves 1.8 mm penetration, 25% deeper than with argon, with porosity below 1%. For thick plates (>5 mm), He-Ar-Mischungen (3:1) gleichen Durchdringung und Kosten aus. Beispielsweise wurde beim Schweißen einer 8 mm dicken 5083-Platte mit Mischgas eine Eindringtiefe von 6,2 mm erreicht, 35 % tiefer als bei reinem Ar, während gleichzeitig die Kosten um 20 % gesenkt wurden.

Laser- und Elektronenstrahlbearbeitung

03 Einfluss der Schutzgasdurchflussrate

Die Durchflussrate des Schutzgases wirkt sich direkt auf die Abdeckungsfähigkeit und die Flüssigkeitsdynamik des Schmelzbades aus. Bei unzureichender Strömung kann die Luft nicht vollständig isoliert werden, was zu Oxidation und Porosität führt. Eine übermäßige Strömung kann zu Turbulenzen führen, die das Schmelzbad auswaschen und Vertiefungen oder Spritzer verursachen. Gemäß der Reynolds-Zahl (Re=ρvD/μ) erhöht eine höhere Strömung die Geschwindigkeit, und wenn Re > 2300, geht die laminare Strömung in Turbulenz über, wodurch das Schmelzbad destabilisiert wird. Daher muss die kritische Durchflussrate experimentell oder durch CFD-Simulation ermittelt werden.

[Bild: Abbildung 2. Einfluss unterschiedlicher Schutzgasdurchflüsse auf Schweißnähte]

Bei der Optimierung des Durchflusses müssen die Wärmeleitfähigkeit und die Plattendicke berücksichtigt werden:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm) sind 18–22 L/min erforderlich, um die Oxidation zu unterdrücken. Bei 6 mm dickem 316L-Edelstahl verbesserten beispielsweise 20 l/min die HAZ-Härtegleichmäßigkeit um 30 %.
- Aluminum alloys: High thermal conductivity requires higher flow to prolong protection. In 3 mm thick 7075 aluminum alloy, 25–30 L/min minimized porosity (0.3%). For plates >10 mm ist ein Verbundblasen erforderlich, um Turbulenzen zu vermeiden.

Laser- und Elektronenstrahlbearbeitung

04 Einfluss von Schutzgas-Einblasmethoden

Durch die Steuerung der Luftstromrichtung und -verteilung wirkt sich die Blasmethode direkt auf die Strömung des Schmelzbades und die Unterdrückung von Defekten aus. Es verändert die Oberflächenspannungsgradienten und den Marangoni-Fluss und reguliert dadurch die Dynamik des Schmelzbads. Das seitliche Einblasen induziert einen gerichteten Fluss und reduziert Porosität und Einschlüsse, während das Einblasen mit Verbundwerkstoffen die Energieverteilung ausgleicht und die Gleichmäßigkeit der Schweißnaht verbessert.

[Bild: Abbildung 3. Einfluss verschiedener Blasverfahren auf Schweißnähte]

Hauptblasmethoden:
- Koaxiales Blasen: Der Luftstrom ist koaxial zum Laserstrahl und bedeckt das Schmelzbad symmetrisch, geeignet für Hochgeschwindigkeitsschweißen. Es gewährleistet eine hohe Prozessstabilität, kann jedoch die Laserfokussierung beeinträchtigen. Beispielsweise erhöhte sich bei 1,2 mm starkem verzinktem Automobilstahl die Schweißgeschwindigkeit durch koaxiales Blasen auf 40 mm/s, wobei es zu Spritzern kam<0.1.
- Seitlich-blasend: Der Luftstrom tritt von der Seite ein und entfernt effektiv Plasma und Verunreinigungen, geeignet für Tiefschweißen. Bei 12 mm dickem Q345-Stahl stieg die Penetration bei 30-Grad-Seitenblasung um 18 % und die Porosität sank von 4 % auf 0,8 %.
- Verbundblasen: Durch die Kombination von Koaxial- und Seitenblasen werden gleichzeitig Oxidation und Plasmainterferenzen unterdrückt. Bei einer 3 mm dicken 6061-Aluminiumlegierung mit Doppeldüsendesign verringerte sich die Porosität von 2,5 % auf 0,4 %, wobei die Zugfestigkeit 95 % des Grundmaterials erreichte.

05 Fazit

Der Einfluss des Schutzgases auf die Schweißqualität beruht im Wesentlichen auf seiner Regulierung der Energieübertragung, der Schmelzbad-Thermodynamik und chemischen Reaktionen:
1. Energieübertragung: Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Helium beschleunigt die Abkühlung und verringert die HAZ-Breite; Die geringe Leitfähigkeit von Argon verlängert die Lebensdauer des Schmelzbades und kommt der Bildung dünner Bleche zugute.
2. Stabilität des Schmelzbades: Die Scherung der Luftströmung beeinflusst die Strömung des Schmelzbades. Eine ordnungsgemäße Strömung unterdrückt Spritzer, während eine übermäßige Strömung Wirbel und Defekte verursacht.
3. Chemischer Schutz: Inerte Gase isolieren Sauerstoff und verhindern so die Oxidation von Legierungselementen (z. B. Cr, Al). Aktive Gase (z. B. N₂) verändern die Schweißeigenschaften durch die Festigung fester Lösungen oder die Bildung von Verbindungen, erfordern jedoch eine präzise Steuerung.

Laser- und Elektronenstrahlbearbeitung

Quelle: Gesammelt von der Redaktion des öffentlichen WeChat-Kontos „High-Energy Beam Processing Technology and Applications.“