Die Ursachen und Kontrollmethoden von Gasporen in Laserschweißnähten

I. Einführung

Das Laserschweißen bietet Vorteile wie eine hohe Energiedichte, eine geringe wärmeeinflusste Zone, eine gute Schweißnahtausbildung und geringe Verzugswerte. Es wird häufig in der Blechbearbeitung, der Unterhaltungselektronik, der Batterieproduktion, der Medizintechnik und der Automobilindustrie eingesetzt. In der Praxis treten jedoch bei Schweißanwendungen häufig Porendefekte innerhalb oder auf der Oberfläche von Schweißnähten auf, verursacht durch die kombinierten Einflüsse von Material-, Geräte- und Prozessfaktoren. Diese Defekte beeinträchtigen negativ die Festigkeit, Dichte und optische Qualität der Schweißnähte. Daher ist es notwendig, die Mechanismen der Porenbildung zu analysieren und wirksame Gegenmaßnahmen vorzuschlagen, um die Schweißstabilität und Produktqualität zu verbessern.

II. Hauptursachen für Schweißporen

Schweißporen entstehen typischerweise durch eingeschlossene Gase, ausgeschiedene gelöste Gase oder Materialverdampfung. Zu den Hauptursachen zählen:

1. Oberflächenverschmutzung der Werkstoffe

Wenn Schweißflächen Öl, Feuchtigkeit, Rost oder Beschichtungen enthalten, zersetzen diese sich bei hohen Temperaturen und erzeugen Gase, die in die Schmelze gelangen. Zum Beispiel:

Ölkontamination → erzeugt Kohlenwasserstoffgase

Feuchtigkeit → erzeugt H₂ und O₂

Beschichtungen → zersetzen sich in organische oder anorganische Gase

Wenn die Schmelze schnell erstarrt, können diese Gase nicht rechtzeitig entweichen und bilden Poren.

2. Hoher Gasgehalt in Werkstoffen

Bestimmte Werkstoffe enthalten höhere Mengen an Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Einschlüssen, die beim Schmelzen ausfallen und Blasen bilden können. Zum Beispiel:

Aluminiumlegierungen sind empfindlich gegenüber Wasserstoff

Stähle sind empfindlich gegenüber Sauerstoff

Kupferlegierungen sind empfindlich gegenüber Stickstoff

Wenn die Schmelzbadzeit unzureichend ist oder die Abkühlung zu schnell erfolgt, bleiben die Gase eingeschlossen und bilden Poren.

3. Unzureichende oder instabile Laserenergieeinkopplung

Bei unzureichender Energiedichte wird das Schmelzbad flach und weist eine schlechte Fließfähigkeit auf, wodurch das Entweichen von Gasen erschwert wird. Energie­schwankungen können zudem zu einer inkonsistenten Schmelzbadversiegelung führen, was zur Einschlussbildung von Blasen führt.

Häufige Erscheinungsformen sind:

Laserleistungsschwankungen

Fokusabweichung, die zu einer verringerten Leistungsdichte führt

Übermäßig hohe Schweißgeschwindigkeit, die eine unvollständige Durchdringung verursacht

4. Unzureichende Abschirmgasabdeckung

Unzureichende Abschirmung oder falsche Abschirmrichtung ermöglichen den Eintritt von Luft in das Schmelzbad und führen zu Gasreaktionen. Eine übermäßige Gasströmung kann Turbulenzen oder Luftansaugung verursachen.

Zu den häufigen Problemen gehören:

Übermäßiger Argonstrom, der Wirbelbildung verursacht

Gasfehlausrichtung, die zu unvollständiger Abschirmung führt

Düsenverschmutzung, die zu gestörten Strömungsfeldern führt

5. Fehlanpassung zwischen Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff

Bei der Zusatzdrahtschweißung können zusätzliche Gase oder Einschlüsse eingeführt werden, wenn die Zusammensetzung des Zusatzdrahts, der Gasgehalt oder die Sauberkeit unzureichend sind.

Beispiele hierfür sind:

Feuchter oder hygroskopischer Schweißdraht

Ungünstige Lagerbedingungen

Unzureichende Drahtreinigung

III. Hauptgefahren von Schweißporosität

Porositätsfehler beeinträchtigen die Produktqualität hauptsächlich durch:

Verringerte Schweißnahtfestigkeit und Ermüdungslebensdauer

Verschlechterte Dicht- und Sperrwirkung

Verschlechterte optische Qualität

Verringerte Zuverlässigkeit in kritischen Anwendungen

Branchen wie Batteriegehäuse, Medizinprodukte und druckdichte Konstruktionen können Produkte aufgrund von Porositätsfehlern vollständig ablehnen.

IV. Kontrollmethoden für Schweißporositätsfehler

Um die Qualität des Laserschweißens zu verbessern, müssen Optimierungen bezüglich Materialien, Ausrüstung, Verfahren und Umgebungsbedingungen durchgeführt werden.

1. Durchführung einer geeigneten Oberflächenvorbehandlung

Die Reinigung der Schweißoberfläche reduziert das Risiko von Porosität erheblich. Gängige Methoden sind:

Mechanische Reinigung (Schleifen, Bürsten)

Lösungsmittelreinigung (Alkohol, Aceton)

Laserreinigung (geeignet für Massenproduktion)

Trocknung und Entfeuchtung (insbesondere bei Aluminiumlegierungen)

Wesentliche Bereiche sind die Schweißzone und die inneren Kontaktflächen von Überlappungsverbindungen.

2. Materialqualität und Lagerbedingungen kontrollieren

Basierend auf den Gasaufnahmeeigenschaften des Materials:

Aluminiumlegierungen sollten trocken gehalten werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern

Kupferteile sollten durch Gas oder Beschichtung vor Oxidation geschützt werden

Stahl sollte starken Rost und Verunreinigungen vermeiden

Bei der Zusatzdrahtschweißung muss der Draht trocken und sauber bleiben.

3. Laserenergieparameter optimieren

Eine geeignete Prozessabstimmung ist entscheidend für das Entweichen von Gas. Optimierungsansätze beinhalten:

Erhöhung der Leistungsdichte → verbessert die Durchdringung und Fließfähigkeit

Verringerung der Schweißgeschwindigkeit → erhöht die Offenzeit der Schmelze

Anpassung der Fokusposition → verbessert die Stabilität des Schmelzepools

Stabilisierung der Laserleistung → vermeidet Energiefluktuationen

Beim Tiefenpenetrationsschweißen kann eine negative Defokussierung die Durchdringung und das Fließverhalten verbessern.

4. Verbesserung der Schutzgassysteme

Die Optimierung des Schutzgases umfasst:

Auswahl geeigneter Gase (z. B. Argon für das Aluminiumschweißen)

Regelung angemessener Durchflussraten (Turbulenz vermeiden)

Optimierung von Düsenwinkel und Abstand zur Werkstückoberfläche

Erhöhung der Schutzgasabdeckung, um Luftsauerstoffeinschlüsse zu verhindern

Bei Aluminiumschweißungen werden häufig Doppelgas- oder Gehäuseschutzverfahren verwendet, um Porosität zu reduzieren.

5. Optimierung der Fügestelle und Schweißkonfiguration

Die Gestaltung der Fügestelle beeinflusst das Entweichen von Gas:

Stoßverbindungen sind gegenüber Überlappungsverbindungen vorzuziehen, wenn möglich

Bei unvermeidbaren Überlappungsverbindungen sollten Entlüftungswege vorgesehen werden

Vermeiden Sie geschlossene Strukturen, die Gas bei schneller Abkühlung einschließen

Eine geeignete Konstruktionsauslegung verringert Spannungen und verbessert die Effizienz des Gasaustritts.

V. Schlussbemerkung

Laser­schweiß­porosität ist ein typischer Fehler, der aus der Kombination von Materialien, Prozessen und Umgebungsbedingungen resultiert. Der Entstehungsmechanismus ist stark mit mehreren Faktoren verknüpft. Durch die Verbesserung der Materialreinheit, die Optimierung der Laser- und Schutzgasparameter sowie die Anwendung geeigneter Füge­designs kann die Qualität und Leistungsfähigkeit der Schweißnaht erheblich verbessert werden. In Produktionsumgebungen ermöglicht die Integration von Online-Überwachung und geschlossenen Qualitätsregel­systemen eine weitere Stabilisierung der Schweißqualität und unterstützt die breitere industrielle Einführung der Laser­schweiß­technologie.