Schutzgas beim Laserschweißen: Der umfassendste Leitfaden

1. Laserschweißgas Beim Laserschweißen wird ein Schutzgas verwendet, um die Schweißergebnisse zu verbessern und Ablagerungen an den Laserwerkzeugen zu verhindern. Das Schutzgas kann in drei Kategorien unterteilt werden: Hilfsgas (MDE-Gas), Schutzgas und Strahlgas. Das Hilfsgas, das besonders beim Schweißen mit einem Yttrium-Aluminium-Granat-Laser nützlich ist, hilft [...]

Verwendung von Schutzgas beim Laserschweißen

Inhaltsverzeichnis

1. Laserschweißgas

Beim Laserschweißen wird ein Schutzgas verwendet, um die Schweißergebnisse zu verbessern und Ablagerungen an den Laserwerkzeugen zu verhindern. Das Schutzgas kann in drei Kategorien unterteilt werden: Hilfsgas (MDE-Gas), Schutzgas und Strahlgas.

Hilfsgas, besonders nützlich beim Schweißen mit einem Yttrium-Aluminium-Granat-Laser, trägt dazu bei, die Absorption des Laserstrahls im Metalldampfplasma zu verringern. Die Schutzgasverdrängt die Luft aus dem Schweißbereich, um Reaktionen mit den Luftbestandteilen zu verhindern.

Strahlgas wird bei Schweißprozessen eingesetzt, bei denen übermäßige Mengen an Spritzern und Dampf entstehen. Der Luftvorhang leitet das Gas in einem 90-Grad-Winkel durch eine Düse auf den Bearbeitungskopf und schützt ihn so vor Spritzern und Nebel beim Schweißen. Der Luftschleier hat keinen Einfluss auf die Metallschmelze oder das Schutzgas.

2. Welche Rolle spielt das Schutzgas?

Der Laser erzeugt einen Energiestrahl, der notwendig ist, um die Schweißverfahren. Diese Energie wird durch eine Kombination aus einem Lenkspiegel, einem optischen Laserkabel und einer Fokussiervorrichtung auf die Gelenkposition des Werkstücks gerichtet.

Um eine genaue Führung des fokussierten Laserstrahls zu gewährleisten, muss das Werkstück richtig positioniert und fixiert werden. Das fokussierende optische Element wird dann entlang der Nahtposition bewegt und lenkt den Laserstrahl auf das Werkstück.

Die hohe Leistungsdichte des Laserstrahls am Brennpunkt bewirkt, dass das Material schmilzt und ein kleiner Teil verdampft. Der Druck des strömenden Metalldampfes ist so stark, dass er ein kleines Loch bildet, das als "Schlüsselloch" bezeichnet wird. Dieses Schlüsselloch durchdringt das Material mehrere Millimeter tief.

Wenn die Fokuslinse über das Werkstück bewegt wird, bewegt sich auch das Schlüsselloch unter der Fokuslinse. Dadurch kann das geschmolzene Metall zusammenfließen, was zu einer Erstarrung des geschmolzenen Materials zu einer schmalen Schweißnaht führt.

Viele Metalle können jedoch im geschmolzenen Zustand mit Bestandteilen in der Luft reagieren, was zu einer Verringerung der Schweißqualität. Das Schutzgas verdrängt diese Luftbestandteile, was sich positiv auf die Eigenschaften der Schweißnaht auswirkt.

3. Abschirmgas

Inertes Gas wird üblicherweise in der Metallindustrie verwendet Laserschweißen aufgrund seiner Eigenschaft, nicht oder kaum mit dem Matrixmaterial zu reagieren. Zu den empfohlenen Schutzgasen gehören Stickstoff (N2), Argon (AR) und Helium (He).

Es ist wichtig zu wissen, dass Industriegase oft geringe Mengen an Verunreinigungen enthalten. Die Reinheit des Gases wird mit einem digitalen System angegeben, bei dem die erste Zahl für die Anzahl der Neunen im Prozentwert und die zweite Zahl für die letzte Ziffer des Prozentwerts steht. Zum Beispiel bedeutet He 4,6 eine Heliumreinheit von 99,996% (nach Volumen).

Die Lebensdauer einer Gasflasche lässt sich leicht berechnen. Schweissgas wird in Gasflaschen gespeichert, wobei eine typische Gasflasche 50 Liter Gas bei einem Druck von 200 bar enthält.

Gasspeicherflasche
  • T: Nutzungsdauer
  • V: Volumen der Gasflasche
  • P: Inflationsdruck
  • Q: Gasverbrauch pro Einheit

Beispiel:

V = 50l,p = 200bar,Q =40l/h → T = 50l - 200bar/40l/h = 250 h

Stickstoff (N2)

Stickstoff ist ein farb- und geruchloses Inertgas, das sich zum Schweißen von Chrom-Nickel-Stahl eignet. Es wird jedoch nicht empfohlen für die Verwendung mit Zirkoniumlegierungen und Titan Materialien, denn obwohl es inaktiv ist, kann es mit diesen Materialien Verbindungen eingehen.

Beim Schweißen von Stahl mit Stickstoff ist zu beachten, dass die Anwesenheit von Stickstoff die Rostbeständigkeit leicht verringern kann, indem Chrom und Nickel aus dem Stahl gelöst werden.

Empfehlung

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die empfohlenen Schutzgase.

 ArErN2Hinweis
Aluminium und Aluminiumlegierungen+Mit Wasserstoff oder einem Wasserstoffgemisch lassen sich glatte und glänzende Schweißnähte erzeugen.

 

Die Verwendung von Wasserstoff führt zu Poren im Material

Wasserstoffhaltiges Gas verursacht Poren im Material

Beim Schweißen mit Kohlendioxid (CO2) oder einem Wasserstoff-Kohlendioxid-Gemisch können sehr hochwertige Schweißnähte erzeugt werden. Allerdings sind die Glätte und der Glanz dieser Schweißnähte etwas schlechter.

Chrom-Nickel-Stahl++Um Korrosion zu vermeiden, muss Argon verwendet werden, da Stickstoff mit Chrom und Nickel im Material reagiert.
Titan und Titanlegierungen++Titan reagiert stark mit Bestandteilen der Luft. Solange die Schweißtemperatur nach der Abkühlung noch 200 ℃ beträgt, ist es notwendig, das Lösungsbad vollständig mit Argon zu bedecken (z. B. kann eine Handschuhbox verwendet werden)
Chrom-Legierung+
KupferDie Verwendung von Schutzgas ist im Allgemeinen nicht erforderlich, wenn Schweißen von Kupfer.

Vorschläge für Schutzgas bei Rohstoffen: "+" = ja, "-" = nein

Hinweis: Beim Schweißen an schmalen Geräten tritt Selbstschutz auf, da der Metalldampf den Sauerstoff in der Umgebung verdrängt. In diesem Fall ist die Verwendung eines Schutzgases nicht erforderlich.

4. Schutzgaszufuhr

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Schutzgas in die Bearbeitungsposition einzuleiten:

  • Durchgangsdüsen
  • Klemmen Gerät durch Werkbank

Die folgenden Parameter müssen für die Verwendung optimal eingestellt sein:

  • Gasart, reines Gas oder Mischgas
  • Einfallswinkel
  • Reichweite der Vorfälle
  • Luftstrom
  • Geometrie der Düse.

Die Menge des zugeführten Schutzgases muss auf der Grundlage des Lasertyp (kontinuierlich oder gepulst), die Schweißgeschwindigkeit und die Schweißnaht. TRUMPF bietet einige Standarddüsen an, die in den nachfolgenden Informationen näher beschrieben werden.

Lineare Gasversorgung

Die lineare Düse ist eine weiterentwickelte Version des Verbundrohrs, bei der jedes Rohr einzeln montiert wird.

Die lineare Düse hat die folgenden Vorteile:

  • Bessere Schweißnahtqualität.
  • Die Struktur ist kompakter, was zu einer geringeren Beeinträchtigung der Kontur führt.
  • Es kann auch verwendet werden, wenn die Düse weit vom Werkstück entfernt ist.

Voraussetzung:

  • CW-Laser
  • Objektivbrennweiten f = 150 mm, f = 200 mm, f = 250 mm und F = 300 mm.
Lineare Gasversorgung

Anwendung beim Schweißen:

Die lineare Düse ist für das Schweißen von linearen Schweißnähten geeignet:

Lineare Gasversorgung mit seitlicher MDE-Düse

Mit dieser Düse kann das Schutzgas geradlinig geführt werden, und der Einfluss von Metalldampf kann durch den Einsatz einer seitlichen MDE-Düse reduziert werden.

Voraussetzung:

  • CW-Laser
  • Objektivbrennweiten f = 150 mm, f = 200 mm, f = 250 mm und F = 300 mm.
Lineare Gasversorgung mit seitlicher MDE-Düse

Anwendung beim Schweißen:

Die lineare Düse ist für das Schweißen von linearen Schweißnähten geeignet:

  • Stumpfes Schweißen.
  • Kehlnaht.

Sprudeldüse Gasversorgung

Die konische Düse ist mit einem Strahlregler ausgestattet, der eine laminare Strömung und eine gleichmäßige Verteilung des Schutzgases gewährleistet.

Sprudeldüsen können verwendet werden, wenn die folgenden Voraussetzungen erfüllt sind:

  • CW-Laser
  • Gepulster Laser.
  • Objektivbrennweiten f = 150 mm, f = 200 mm, f = 250 mm und F = 300 mm.
Sprudeldüse Gasversorgung

Anwendung beim Schweißen:

Die Sprudeldüse kann eine großflächige, laminare Gaszufuhr gewährleisten, wenn die Strahlleistung und Schweißgeschwindigkeit sind gering. Andererseits bieten konische Düsen eine gleichmäßige Verteilung des Schutzgases, insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen.

Es wird empfohlen, einen Abstand von 8 - 12 mm und einen Winkel von 30° - 50° zum Werkstück einzuhalten, je nach Anwendung.

Blubberdüsen

Andere Methoden

In Situationen, in denen eine vollständige und gleichmäßige Abdeckung des Materials mit Schutzgas gewährleistet werden muss, wird die Verwendung von Handschuhkästen empfohlen. Der Handschuhkasten schließt den Arbeitsbereich vollständig ein und verhindert ein Überströmen des Schutzgases.

Da die Handschuhbox vollständig mit dem Schutzgas gefüllt ist, ist keine separate Schutzgasdüse erforderlich.

5. Auslegung der Schutzgasdüse

Beim Laserschweißen gibt es zwei verschiedene Schweißverfahren:

Beim Wärmeleitfähigkeitsschweißen schmilzt nur die Oberfläche des Materials, so dass die Schweißnaht nur wenige Zehntelmillimeter tief ist. Dieses Schweißverfahren wird hauptsächlich mit gepulsten Nd:YAG-Lasern eingesetzt.

Im Gegensatz dazu erzeugt das Tiefschweißen tiefe und schmale Schweißnähte. Dieses Verfahren wird mit einem Nd:YAG-Laser im Dauerstrichbetrieb durchgeführt.

Anordnung der Schutzgasdüse

Gepulster Laser

Um beim Schweißen mit einem gepulsten Laser die besten Ergebnisse zu erzielen, wird der Schweißdraht (falls verwendet) normalerweise langsam eingeführt. Die Richtung der Schutzgaszufuhr kann frei gewählt werden.

Gepulster Laser

CW-Laser

Um beim Schweißen mit einem Dauerstrichlaser optimale Ergebnisse zu erzielen, muss das Schutzgas vorwärts eingeleitet und das Einführen des Schweißdrahtes (falls verwendet) verlangsamt werden.

CW-Laser

Schweißen an Kanten

Die Schutzgaseintrittsdüse sollte so angeordnet sein, dass ein gleichmäßiger Luftstrom erzeugt wird. Beim Schweißen entlang der Kante kann ein Wirbel erzeugt werden, der Sauerstoff aus der Umgebung in den Schweißbereich einbringt.

Wenn der Sauerstoffgehalt 0,5% überschreitet, kann das Material mit dem Sauerstoff reagieren. Um den Luftstromwirbel entlang der Kanten während des Schweißens zu verhindern, können Pufferplatten installiert werden.

Schweißen an Kanten

6. Schutzgasdosierung

Die genaue Messung des Schutzgases ist entscheidend, um optimale Schweißergebnisse zu erzielen. Idealerweise sollte ein gleichmäßiger und laminarer Luftstrom über dem Bearbeitungspunkt vorhanden sein.

Ist die Menge des zugeführten Schutzgases zu gering, bietet es möglicherweise keinen ausreichenden Schutz, so dass Feuchtigkeit im Gas oder Luft in die Schweißnaht eindringen kann. Wird dagegen zu viel Schutzgas verwendet, können Wirbel entstehen, durch die Luft in den Schweißbereich gelangt.

Schutzgasdosierung

Die Farbe der Schweißnaht kann Aufschluss über die Menge des beim Schweißen verwendeten Schutzgases geben. Erscheint die Schweißnaht grau, bedeutet dies, dass kein Schutzgas verwendet wurde. Erscheint die Schweißnaht gelb, muss die Messung des Schutzgases optimiert werden.

Wenn die Schutzgasmessung optimiert ist, wird eine hochglänzende Schweißnaht erzeugt.

Messung des Schutzgases

Eine Schutzgasdüse mit Strahlregler kann einen gleichmäßigen Schutzgasstrom gewährleisten. Das gleiche Ergebnis kann durch die Verwendung von Stahlwolle in der Düse erzielt werden.

Schutzgasdüse mit Strahlregler

Querliegender Luftschleier:

Windvorhänge sind nützlich bei Schweißanwendungen die eine erhebliche Menge an Spritzern und Dampf erzeugen. Der Luftvorhang muss so eingestellt werden, dass die Strömung des Luftvorhangs das Schutzgas nicht beeinträchtigt.

Anregung:

Mit einem einfachen Test lässt sich feststellen, ob der Gasstrahl optimal eingestellt ist. Legen Sie ein Stück Papier über das Werkstück und stellen Sie den Luftdruck der Düse so ein, dass das Papier nicht nach unten gedrückt oder von der Düse eingezogen wird.

7. Die Rolle des Schutzgases

Unterschiedliche Schutzgase können zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, die sich auf die Form der Schweißnaht auswirken und eine glattere und poliertere Schweißnahtoberfläche erzeugen. Die Wahl des Schutzgases kann sich auch auf die Bildung von Poren in der Schweißnaht und von Spritzern auswirken und die Einkopplung des Laserstrahls behindern.

 ArErN2Kein Schutzgas
Form der Schweißnaht

 

b = Breite

T = Tiefe

Oberfläche der Schweißnaht++++
Spritzer++0
Stoma++++
Laserstrahl-Kopplung+
Kosten0Weniger

Um die Wirkung des Schutzgases zu optimieren, ist es notwendig, das Schutzgas vor und nach dem Schweißen kurz zu öffnen. Nach dem Öffnen des Schutzgases erreicht das Gas das Werkstück erst mit einer gewissen Verzögerung. Auch die noch abkühlende Schmelze nach dem Schweißen erfordert eine kurze Bedeckung mit Schutzgas.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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