Welche Gase werden zum Laserschweißen benötigt?

Laserschweißen ist ein hochpräzises Schweißverfahren, bei dem ein Laserstrahl das Material des Werkstücks schmilzt und nach dem Abkühlen eine Schweißnaht bildet. Beim Laserschweißen spielt Gas eine Schlüsselrolle. Das Schutzgas beeinflusst nicht nur die Schweißnahtbildung, die Schweißnahtqualität, die Schweißnahtdurchdringung und die Durchdringungsbreite, sondern wirkt sich auch direkt auf die Qualität und Effizienz des Laserschweißens aus. Welche Gase werden zum Laserschweißen benötigt? In diesem Artikel werden die Bedeutung von Laserschweißgasen, die verwendeten Gase und ihre Funktion ausführlich untersucht.

Warum wird Gas zum Laserschweißen benötigt?

Beim Laserschweißen wird ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte auf den Schweißbereich des Werkstücks fokussiert, wodurch das Oberflächenmaterial des Werkstücks augenblicklich geschmolzen wird. Beim Laserschweißen wird Gas benötigt, um den Schweißbereich zu schützen, die Temperatur zu kontrollieren, die Qualität der Schweißung zu verbessern und das optische System zu schützen. Die Wahl der richtigen Gasart und der Versorgungsparameter sind wichtige Faktoren für einen effizienten und stabilen Laserschweißprozess und die Erzielung hochwertiger Schweißergebnisse.

Schutz von Schweißbereichen

Während des Laserschweißprozesses ist der Schweißbereich der äußeren Umgebung ausgesetzt und kann leicht durch Sauerstoff und andere Gase in der Luft angegriffen werden. Sauerstoff löst Oxidationsreaktionen aus, die zu einer verminderten Schweißqualität und zur Bildung von Poren und Einschlüssen führen können. Durch die Zufuhr eines geeigneten Gases, üblicherweise eines Inertgases wie Argon, zum Schweißbereich kann die Schweißnaht wirksam vor Sauerstoffverunreinigungen geschützt werden.

Wärmekontrolle

Die Auswahl und Zufuhr des Gases kann dabei helfen, die Temperatur des Schweißbereichs zu kontrollieren. Durch Anpassung der Durchflussmenge und der Gasart kann die Abkühlgeschwindigkeit des Schweißbereichs beeinflusst werden. Dies ist wichtig, um die Wärmeeinflusszone (HAZ) während des Schweißens zu kontrollieren und thermische Verformungen zu reduzieren.

Verbesserte Schweißqualität

Einige Hilfsgase wie Sauerstoff oder Stickstoff können die Qualität und Leistung von Schweißnähten verbessern. Beispielsweise kann die Zugabe von Sauerstoff die Durchdringung der Schweißnaht verbessern und die Schweißgeschwindigkeit erhöhen, während gleichzeitig auch die Form und Tiefe der Schweißnaht beeinflusst wird.

Gaskühlung

Beim Laserschweißen ist der Schweißbereich meist hohen Temperaturen ausgesetzt. Der Einsatz eines Gaskühlsystems kann dabei helfen, die Temperatur des Schweißbereichs zu kontrollieren und eine Überhitzung zu verhindern. Dies ist wichtig, um die thermische Belastung im Schweißbereich zu reduzieren und die Schweißqualität zu verbessern.

Gasschutz optischer Systeme

Der Laserstrahl wird durch ein optisches System auf den Schweißbereich fokussiert. Während des Lötprozesses können geschmolzenes Material und entstehende Aerosole optische Komponenten verunreinigen. Durch das Einbringen von Gasen in den Schweißbereich wird das Kontaminationsrisiko verringert und die Lebensdauer des optischen Systems verlängert.

Welche Gase werden beim Laserschweißen verwendet?

Beim Laserschweißen kann das Gas die Luft von der Schweißplatte isolieren und verhindern, dass sie mit der Luft reagiert. Dadurch wird die Schweißoberfläche der Metallplatte weißer und schöner. Durch den Einsatz von Gas werden die Linsen zudem vor Schweißstaub geschützt. Üblicherweise werden folgende Gase verwendet:

Schutzgas

Schutzgase, manchmal auch „Inertgase“ genannt, spielen beim Laserschweißprozess eine wichtige Rolle. Beim Laserschweißen werden häufig Schutzgase zum Schutz des Schweißbades eingesetzt. Zu den üblicherweise verwendeten Schutzgasen beim Laserschweißen gehören hauptsächlich Argon und Neon. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften sind unterschiedlich, daher sind auch ihre Auswirkungen auf die Schweißnaht unterschiedlich.

Argon: Argon ist eines der am häufigsten verwendeten Edelgase. Unter der Einwirkung des Lasers weist es einen hohen Ionisierungsgrad auf, der der Kontrolle der Bildung von Plasmawolken nicht förderlich ist, was einen gewissen Einfluss auf den effektiven Einsatz von Lasern haben wird. Die inerte Beschaffenheit von Argon verhindert, dass es in den Lötprozess eindringt, während es gleichzeitig die Wärme gut ableitet und dabei hilft, die Temperatur im Lötbereich zu kontrollieren.
Neon: Neon wird häufig als Inertgas verwendet, ähnlich wie Argon, und dient hauptsächlich dazu, den Schweißbereich vor Sauerstoff und anderen Schadstoffen in der äußeren Umgebung zu schützen. Es ist wichtig zu beachten, dass Neon nicht für alle Laserschweißanwendungen geeignet ist. Es wird hauptsächlich für spezielle Schweißaufgaben eingesetzt, beispielsweise zum Schweißen dickerer Materialien oder wenn tiefere Schweißnähte erforderlich sind.

Hilfsgas

Während des Laserschweißprozesses können neben dem Hauptschutzgas auch Hilfsgase verwendet werden, um die Schweißleistung und -qualität zu verbessern. Im Folgenden sind einige gängige Hilfsgase aufgeführt, die beim Laserschweißen verwendet werden:

Sauerstoff: Sauerstoff wird häufig als Hilfsgas verwendet und kann zur Erhöhung der Wärme und der Schweißtiefe beim Schweißen verwendet werden. Die Zugabe von Sauerstoff kann die Schweißgeschwindigkeit und den Einbrand erhöhen, muss jedoch sorgfältig kontrolliert werden, um zu verhindern, dass überschüssiger Sauerstoff zu Oxidationsproblemen führt.
Stickstoff: Auch beim Laserschweißen wird Stickstoff häufig als Hilfsgas eingesetzt. Die Ionisierungsenergie von Stickstoff ist moderat, höher als die von Argon und niedriger als die von Wasserstoff. Der Ionisierungsgrad wird im Allgemeinen durch die Einwirkung eines Lasers bestimmt. Es kann die Bildung von Plasmawolken besser reduzieren, für eine höhere Qualität der Schweißnähte und ein besseres Erscheinungsbild sorgen und den Einfluss von Sauerstoff auf die Schweißnähte verringern. Stickstoff kann auch verwendet werden, um die Temperatur des Schweißbereichs zu kontrollieren und die Bildung von Blasen und Poren zu reduzieren.
Wasserstoff/Wasserstoff-Gemisch: Wasserstoff verbessert die Qualität von Schweißnähten und reduziert die Bildung von Porosität. In einigen Spezialanwendungen, beispielsweise beim Schweißen von Edelstahl, werden Mischungen aus Argon und Wasserstoff verwendet. Der Wasserstoffgehalt der Mischung liegt typischerweise zwischen 2% und 15%.
Helium: Helium wird normalerweise zum Hochleistungslaserschweißen verwendet, da es eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und nicht leicht ionisiert werden kann, sodass der Laser reibungslos passieren kann und die Strahlenergie die Werkstückoberfläche ohne Hindernisse erreichen kann. Förderlich für das Schweißen mit höherer Leistung. Helium kann auch zur Verbesserung der Schweißqualität und zur Kontrolle der Schweißtemperaturen verwendet werden. Dies ist das wirksamste Schutzgas beim Laserschweißen, aber es ist relativ teuer.

Kühlgas

Beim Laserschweißen wird häufig Kühlgas verwendet, um die Temperatur des Schweißbereichs zu kontrollieren, Überhitzung zu verhindern und die Schweißqualität aufrechtzuerhalten. Im Folgenden sind einige häufig verwendete Kühlgase aufgeführt:

Wasser: Wasser ist ein gängiges Kühlmedium, das häufig zur Kühlung von Lasergeneratoren und optischen Laserschweißsystemen verwendet wird. Wasserkühlungssysteme können dazu beitragen, eine stabile Temperatur des Lasergenerators und der optischen Komponenten aufrechtzuerhalten, um die Stabilität und Leistung des Laserstrahls sicherzustellen.
Atmosphärische Gase: Bei einigen Laserschweißprozessen können atmosphärische Umgebungsgase zur Kühlung genutzt werden. Beispielsweise kann im optischen System eines Lasergenerators das umgebende Atmosphärengas für einen Kühleffekt sorgen.
Inertgase: Als Kühlgase können auch Inertgase wie Argon und Stickstoff verwendet werden. Sie haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit und können zur Temperaturregelung des Schweißbereichs und zur Reduzierung der Wärmeeinflusszone (HAZ) verwendet werden.
Flüssiger Stickstoff: Flüssiger Stickstoff ist ein Kühlmedium mit extrem niedriger Temperatur, das für Laserschweißen mit extrem hoher Leistung verwendet werden kann. Es sorgt für einen sehr effektiven Kühleffekt und sorgt für eine Temperaturkontrolle im Schweißbereich.

Gasauswahl in verschiedenen Anwendungen

Bei verschiedenen Anwendungen des Laserschweißens ist die Wahl des geeigneten Gases von entscheidender Bedeutung, da unterschiedliche Gaskombinationen unterschiedliche Schweißqualität, -geschwindigkeit und -effizienz erzielen können. Hier sind einige Richtlinien, die Ihnen bei der Auswahl des richtigen Gases für Ihre spezifische Anwendung helfen sollen:

Art des Schweißmaterials

Unterschiedliche Materialien erfordern unterschiedliche Gaskombinationen. Allgemein gesagt:

Edelstahl verwendet typischerweise Argon oder eine Argon/Wasserstoff-Mischung.
Bei Aluminium und Aluminiumlegierungen wird häufig reines Argon verwendet.
Titanlegierungen verwenden häufig Stickstoff.
Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt verwenden häufig Sauerstoff als Hilfsgas.

Schweißgeschwindigkeit und Eindringtiefe

Wenn eine höhere Schweißgeschwindigkeit oder ein tieferer Schweißeinbrand erforderlich ist, kann die Gaskombination angepasst werden. Die Zugabe von Sauerstoff verbessert oft die Geschwindigkeit und das Eindringen, muss jedoch sorgfältig kontrolliert werden, um Oxidationsprobleme zu vermeiden.

Schweißqualität

Einige Gaskombinationen können die Qualität und das Aussehen von Schweißnähten verbessern. Stickstoff kann beispielsweise für ein besseres Aussehen und eine bessere Oberflächenqualität sorgen.

Poren- und Blasenkontrolle

Bei Anwendungen, die sehr hochwertige Schweißnähte erfordern, muss besonderes Augenmerk auf die Bildung von Poren und Blasen gelegt werden. Durch die richtige Gasauswahl kann das Risiko dieser Defekte verringert werden.

Kontrolle der Wärmeeinflusszone (HAZ)

Je nach zu reinigendem Material können während des Reinigungsprozesses gefährliche Abfälle entstehen, die besondere Handhabungsverfahren erfordern. Dies kann zu den Gesamtkosten des Laserreinigungsprozesses beitragen.

Überlegungen zu Ausstattung und Kosten

Die Auswahl des Gases wird auch von der Art und den Kosten der Ausrüstung beeinflusst. Für einige Gase sind möglicherweise spezielle Versorgungssysteme oder höhere Kosten erforderlich.

Für bestimmte Anwendungen empfiehlt es sich, mit einem Schweißfachingenieur oder einem professionellen Hersteller von Laserschweißgeräten zusammenzuarbeiten, um professionelle Beratung einzuholen und den Schweißprozess zu optimieren. Bevor die endgültige Gaskombination ausgewählt wird, sind in der Regel einige Experimente und Optimierungen erforderlich. Je nach konkreter Anwendung können unterschiedliche Gaskombinationen und Parameter ausprobiert werden, um die optimalen Schweißbedingungen zu finden.

Zusammenfassen

Kurz gesagt muss beim Laserschweißen Gas verwendet werden, um Schweißbereiche zu schützen, die Temperatur zu regeln, die Schweißqualität zu verbessern und optische Systeme zu schützen. Die Auswahl geeigneter Gasarten und Versorgungsparameter ist ein wichtiger Faktor, um einen effizienten und stabilen Laserschweißprozess sicherzustellen und qualitativ hochwertige Schweißergebnisse zu erzielen. Unterschiedliche Materialien und Anwendungen können unterschiedliche Arten und Mischverhältnisse erfordern, um spezifische Schweißanforderungen zu erfüllen.
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