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Die Funktionen von Schutzgasen beim Laserschweißen

Von Helium über Argon und CO2 bis zu Sauerstoff: Ein Überblick über die Zusammensetzung von üblichen Schutzgasen.

Schweißgase haben bei allen Schweißprozessen zwei Funktionen: Das ist zum einen die Hauptaufgabe der Abschirmung der Schweißnaht gegen die Atmosphäre, um diese vor Oxidation oder vorzeitiger Alterung zu schützen. Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff kommen sonst in Kontakt mit dem flüssigen Werkstoff und sorgen für diese unerwünschten Reaktionen.

Der zweite Aspekt ist der Einfluss auf den Schweißprozess selber, den ein bestimmtes Gas auf den Prozess selbst hat. „Das ist bei allen Schutzgasen und allen Schweißvarianten so“, erklärt Michael Wolters, Experte für Schweißtechnologien bei Messer.

Doch selbst bei gleichen Werkstoffen ist Schutzgas nicht gleich Schutzgas. Wenn der Werkstoff lange flüssig ist, braucht es eine andere Zusammensetzung als bei Prozessen, bei denen die Schweißnaht nur kurzfristig erhitzt wird. Generell gilt: Je kürzer die Erhitzung und je schneller die Abkühlung abläuft, desto besser für die Schweißnaht.

Zugabe von Wasserstoff

Der Einfluss auf den Schweißprozess selbst ist es, der bei der Verwendung von Schutzgas den größten Unterschied zwischen herkömmlichen Schweißvarianten wie dem Lichtbogenschweißen und dem Laserschweißen ausmacht. „Beim WIG-Schweißen erhöht die Zugabe von Wasserstoff den Lichtbogendruck“, so Wolters. Das ermöglicht tieferes und schnelleres Schweißen, was insgesamt den Verzug des Bauteils reduziert. Jetzt fehlt aber beim Laserschweißen genau dieser Lichtbogen.

Wasserstoff im Schutzgas übernimmt hier eine andere Funktion, nämlich in dem ohnehin schon raschen Prozess des Laserschweißens die der Anlaufreduktion an der Schweißnaht. Das ist nur ein Beispiel dafür, wie unterschiedlich sich Gase in den verschiedenen Verfahren verhalten.

Helium, der Klassenprimus

Helium war das erste Schutzgas, das beim Laserschweißen zum Einsatz gekommen ist. Das inerte Gas hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, was sich auf die hohen Temperaturen von Schweißprozessen prinzipiell positiv auswirkt. Der Nachteil des Heliums beim Lichtbogenschweißen, die geringe elektrische Leitfähigkeit, fällt beim Laserschweißen hingegen weg.

Nur ist Helium ein sehr teures Gas, sodass die Suche nach Alternativen eine wirtschaftliche Notwendigkeit war. Wolters erinnert sich: „2007 ist es uns erstmals gelungen, ein Schutzgas fürs Laserschweißen ohne Helium zu entwickeln.“ Das war ein Gemisch aus Argon, CO2 und Sauerstoff – ein Grundrezept, das bis heute zur Anwendung kommt.

Die Trägheit von Argon

Argon ist das am häufigsten vorkommende Edelgas der Erdatmosphäre. Es ist schwerer als Luft, hat eine höhere Dichte als die meisten anderen Edelgase. Außerdem eignet es sich wegen seiner Trägheit hervorragend für den Schweißprozess, da es die Abschirmung zur Atmosphäre hin sehr gut gewährleistet.

Die schlechte Wärmeleitfähigkeit, ein Nachteil von Argon beim Lichtbogenschweißen, fällt beim Laserschweißen nicht so sehr ins Gewicht. Zudem wird diese fehlende Eigenschaft durch das beigemischte CO2 ersetzt, das genau jene hohe Wärmeleitfähigkeit beisteuert.

Auch Sauerstoff erhöht die Wärmeleitfähigkeit, ist aber im Schweißprozess dazu da, unerwünschte Einflüsse aus der Atmosphäre zu oxidieren und so aus dem Prozess zu entfernen. Von den anderen Gasen, die bei den Schutzgas-Gemischen fürs Laserschweißen noch beigemengt werden, sei noch der Stickstoff erwähnt. Dieser kann in hochreiner Form einfach und kostengünstig aus der Umgebungsluft gewonnen werden und trägt als reaktionsträges Inertgas zur Reduktion der Oxidation bei.

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