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Wie bei anderen Schweißverfahren können auch beim Laserstrahlschweißen Fehler auftreten. Aufgrund der Prozesscharakteristika des Laserschweißens zeigt es typische Erscheinungsbilder. Besonders die hohe Prozessgeschwindigkeit ist verantwortlich für eine Reihe von Schweißfehlern, die teilweise bei anderen Schweißverfahren nicht beobachtet werden oder in anderer Form auftreten.
Im Folgenden gehen wir auf Fehler, ihre Ursachen und deren Vermeidung ein. Die hier beschriebenen Fehler orientieren sich an der DIN EN ISO 13919-1 „Elektronen- und Laserstrahl-Schweißverbindungen – Anforderungen und Empfehlungen für Bewertungsgruppen für Unregelmäßigkeitenn – Teil 1: Stahl, Nickel, Titan und deren Legierungen“ (angepasst an DIN EN ISO 5817 und DIN EN ISO 12932).
Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen Auszug. Den vollständigen Beitrag finden Sie im Produkt „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.
Inhaltsverzeichnis
Fehlergruppen
Die Fehler unterteilt man in drei Gruppen, die eine Abschätzung der Qualität der Schweißnaht zulassen und als Auswahlbasis zur Unterscheidung zwischen i.O.-Nähten und n.i.O.-Nähten dienen.
Die Gruppen werden D, C und B benannt und kennzeichnen in dieser Reihenfolge die Ansprüche an die Schweißnaht mit niedrig, mittel und hoch. Für jede dieser Gruppen gelten unterschiedliche Grenzwerte. Bewertungsgruppe B entspricht der höchsten Anforderung an die fertige Schweißnaht.
Die Norm DIN EN ISO 13919-1 gilt für alle Arten von Nähten, unabhängig davon, ob diese mit oder ohne Zusatz geschweißt wurden, sowie für Werkstoffdicken gleich oder größer 0,5 mm.
Die Norm dient dem Zweck, typische Unregelmäßigkeiten zu definieren, die in einer normalen Fertigung erwartet werden können. Dieses Dokument kann für Sichtprüfungen von Schweißnähten benutzt werden.
Risse
Risse sind bei keiner der Bewertungsgruppen zulässig. Erfasst werden alle Risse mit Ausnahme von Mikrorissen.
Ursachen
- Hohe Kohlenstoffanteile oder andere Legierungselemente verursachen Härterisse, meist in Kombination mit zu hohen Abkühlgeschwindigkeiten.
- kleine rissähnliche Erstarrungsunregelmäßigkeiten
- Aufschmelzrisse entstehen durch Eutektika mit geringen Schmelzpunkten auf der Oberfläche von Korngrenzen bzw. durch Schrumpfspannungen während des Abkühlens der Schweißnaht.
Gegenmaßnahmen
- Wärmebehandlung
Günstigerweise werden die Werkstücke vor- oder nachgewärmt bzw. während des Schweißens wärmebehandelt. Es kann hierbei eine induktive, eine flammenbasierte oder eine ofenbasierte Vorwärmung eingesetzt werden. Alternativ kann man aber auch den Vorschub reduzieren, wodurch eine vorlaufende Wärmefront eingebracht wird. Gleiches erreicht man auch mit defokussiertem Strahl oder man pendelt den Strahl entlang der Schweißnaht. Sollten diese Maßnahmen nicht infrage kommen, können über ein freies Schrumpfen der Bauteile Spannungen abgebaut und Risse vermieden werden. - Verunreinigungen
Den Grundwerkstoff muss man auf seine Verunreinigungen hin überprüfen und ggf. ein anderes Material auswählen. Alternativ wählt man auch die Schweißparameter so, dass Verunreinigungen an die Schmelzbadoberfläche gelangen können. Zum Beispiel kann durch langsameres Schweißen ein V-förmiges Schmelzbad entstehen, auf dessen Oberfläche die Verunreinigungen ausgeschieden werden. - Schweißgeschwindigkeit variieren, Restspannung verringern
Zur Vermeidung muss man die Schweißgeschwindigkeit variieren. Ebenso können auch Maßnahmen zur Verringerung der Restspannungen in der Schweißnaht ergriffen werden. So ist freies Schrumpfen vorteilhaft oder das Umlegen von Schweißnähten von einer axialen zu einer radialen Position bei rotationssymmetrischen Bauteilen. Alternativ kann auch Zusatzmaterial eingesetzt werden, das eine positive Auswirkung auf die Duktilität der Schweißnaht hat.
Porosität und Gasporen
Poren sind in den Bewertungsgruppen C und B nicht zulässig. In Bewertungsgruppe D gilt:
kleiner gleich 0,3 x s, aber maximal 3 mm.
Ursachen
Der Grund für Poren liegt im Verdampfen von Verschmutzungen, Legierungselementen oder einem instabilen Dampfkanal. Die Porenproblematik ist bekannt vom Verschweißen verzinkter Bleche. Das Zink liegt bereits als Gas vor, während der Stahl schmelzflüssig ist. Der Zinkdampf muss bei Überlappverbindungen durch das Schmelzbad entweichen und hinterlässt häufig Poren in der erstarrten Schweißnaht.
Ebenso verhalten sich Ölrückstände oder andere Verschmutzungen auf der Werkstückoberfläche oder an der Stoßkante. Diese verdampfen während des Schweißprozesses und verdrängen das Schmelzbad oder werden als Pore in der Schmelze eingeschlossen. Sehr flüssige Schmelzbäder neigen dazu, durch ihre Dynamik Poren zu bilden. Partiell verschließt sich der Dampfkanal und schließt die Gase aus dem Dampfkanal ein.
Gegenmaßnahmen
Als erste Maßnahme sollten die Werkstücke gereinigt werden. Besonders Bleche aus vorangegangenen Umformprozessen sind mit Ölen überzogen, die während der Umformung die Reibung reduzieren sollen. Ebenso können gedrehte Bauteile Rückstände von Kühlschmiermitteln aufweisen.
Hilfreich beim Auftreten von Poren ist auch ein größeres Schmelzbad, das ein längeres Entgasen ermöglicht. Dies kann man durch eine verringerte Vorschubgeschwindigkeit, verbunden mit einem größeren Brennfleck erreichen.
Schrumpflunker und Endkraterlunker
Unter Schrumpf- und Endkraterlunkern versteht man das Auftreten von Fehlern, die Hohlräume innerhalb der Naht bilden. Diese treten sowohl in der Naht als auch an deren Ende auf. Im Gegensatz zu Poren ist ihr Erscheinungsbild weniger abgerundet. Ihre Tolerierbarkeit entspricht den Grenzwerten wie bei Poren.
Ursachen
Der Grund für das Auftreten von Lunkern sind Schrumpfungsspannungen und Einschlüsse in der Naht. Durch sie bilden sich Trennungen im Material, die die Gefahr des Versagens der Naht mit sich bringen. Ebenso sind Verunreinigungen auf der Oberfläche der Werkstücke Ursache für die beschriebenen Lunker.
Gegenmaßnahmen
Um Schrumpfungs- und Endkraterlunker zu vermeiden, muss man die Oberfläche der Werkstücke gut reinigen. Auf diese Weise entfernt man anhaftende Verschmutzungen oder Zunderschichten und reduziert die Gefahr von Lunkern. Des Weiteren kann die Zugabe von Schweißdraht die Metallurgie des Schmelzbads dahingehend beeinflussen, dass Spannungen durch duktileres Gefüge ausgeglichen werden können.
Bindefehler
Bindefehler werden in Sonderformen als „falsche Freunde“ bezeichnet, die von außen nicht zu sehen sind. Sie sind eine Fehlerstelle in der Schweißnaht, an der keine Anbindung der beiden Werkstoffe erfolgte. Ihr Auftreten ist in den Bewertungsgruppen C und B nicht zulässig. Lediglich in Gruppe D dürfen diese Fehler bis zu einer Größe von 0,25 × Blechdicke bzw. bis maximal 1 mm auftreten.
Ursachen
Zu Bindefehlern kommt es, wenn der Laserstrahl nicht auf den Stoßkanten positioniert ist. Dies geschieht vornehmlich durch Fehler in der Anlagenprogrammierung oder durch Ungenauigkeiten der Verfahrachsen der Schweißanlage. Durch die geringe Ausdehnung des Laserstrahls reagiert dieser empfindlich gegenüber Abweichungen von den zu verschmelzenden Werkstückkanten.
Die Ursache kann jedoch auch in der Spanntechnik liegen. Verschiebt sich das Werkstück in der Spanntechnik, liegt die Stoßkante nicht mehr in der Schweißbahn der Anlage oder es entsteht ein Spalt zwischen den Werkstücken, den man nicht auffüllen kann.
Arbeitet man mit Zusatzmaterial, kann auch die Position der Einbringung des Materials die Ursache für einen Bindefehler sein. Trifft der Laserstrahl nicht im Schmelzbad auf das Werkstück, wird es unzureichend aufgeschmolzen und kann nicht zur Spaltüberbrückung herangezogen werden.
Gegenmaßnahmen
Um die beschriebenen Bindefehler zu vermeiden, muss man besonderes Augenmerk auf die Programmierung der Schweißanlage legen. Der Brennfleck des Lasers muss zu jeder Zeit auf den Werkstückkanten liegen. Ist die Anlage nicht in der Lage, eine ausreichende Bahntreue zu erreichen, kann der Brennfleck durch Defokussieren vergrößert und der Schweißprozess somit unempfindlicher gegenüber Positionierfehlern werden.
Gleichzeitig muss man allerdings die Vorschubgeschwindigkeit verringern, da die Laserintensität auf dem Werkstück hierbei abnimmt. Bei der Verwendung von Zusatzmaterial muss man dessen Auftreffpunkt auf dem Werkstück überprüfen und bei einer Abweichung wieder in das Schmelzbad führen.
Häufig wird bereits ein Scanner eingesetzt, der den Strahl quer zur Vorschubrichtung pendeln lässt und auf diese Weise die Spaltüberbrückung verbessert und Bindefehler vermeidet.
Autoren:
Dipl.-Ing. (FH) Reinhard Örtl ist als Schweißfachingenieur für die schweißtechnische Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle qualifiziert und anerkannt. Als von der IHK Ulm öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger ist er zuständig für Gutachten, Beratung hinsichtlich einer rechtssicheren Schweißtechnik und Fragen der Rationalisierung in schweißtechnischen Unternehmen.
Peter Kallage studierte Maschinenbau und ist seit 2005 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) tätig. Die besondere Stärke des LZH liegt in der fachlichen Verknüpfung zwischen physikalischen und ingenieurtechnischen Bereichen. In enger Zusammenarbeit von Ingenieuren, Werkstoffwissenschaftlern und Physikern werden fachübergreifende Lösungen für alle Bereiche der Lasertechnik erarbeitet. Seit 2007 leitet Peter Kallage die Gruppe Fügetechnik am LZH.