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Wie man mit dem richtigen Schutzgas Geld sparen kann

Beim Laserschweißen müssen eine Vielzahl an Parametern kombiniert werden, für die es keine Standardisierung gibt: Nur wenn für den Lasertyp, die Schweißvariante und den Werkstoff die richtige Schutzgas-Legierung gewählt wird, werden von Beginn an marktfähige Ergebnisse erreicht.

Ein großer Vorteil des Laserschweißens gegenüber anderen Fügetechnologien ist seine große Flexibilität. Durch die Verwendung immer neuer Laserarten können zunehmend mehr Aufgaben vom Laserstrahlschweißen übernommen werden. Zudem erlaubt die große Flexibilität und die rasche Weiterentwicklung der Technologie auch die Kombination mit herkömmlichen Schweißverfahren zu neuen, automatisierten Prozessen. Das bereitet der „lean production“ den Weg, stellt in der Anwendung aber auch einige Herausforderungen.

Michael Wolters, Projektingenieur für die Entwicklung von Schweißtechnologien bei Messer, erklärt das anhand der zu verwendenden Schutzgase: „Beim MIG-Schweißen hat sich ein Standardgemisch aus 80 Prozent Argon und 20 Prozent CO2 bewährt. Beim Laserschweißen gibt es hingegen noch keine Standardgemische. Das richtige Schutzgas muss für jeden Prozess neu entwickelt werden.“ Ein Überblick über die beiden grundlegenden befindliche Laserschweiß-Arten hilft beim Finden der richtigen Lösung für die jeweilige Herausforderung.

Tiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen

Die beiden gängigsten Anwendungsbereiche des Laserstrahlschweißens heißen Tiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen. Das Tiefschweißen ist die intensivste Variante. Hier liegt die Intensität des Lichtstrahls bei 104MW/cm2, wodurch der Werkstoff an der Schweißstelle aufgeschmolzen wird und das „laserindizierte Plasma“ entsteht.

Das sogenannte Keyhole, eine mit Dampf gefüllte Kapillare, bewegt sich durch das Werkstück und wird von der Metallschmelze umflossen, die dahinter erstarrt. Die Nahttiefe ist bis zu zehnmal größer als die Nahtbreite und kann bis zu 25 mm betragen. Der große Vorteil des Lasertiefschweißens: Hier wird die Energie des Laserstrahls fast zur Gänze ins Werkstück eingebracht, da die Wände des Keyholes den Laserstrahl vielfach reflektieren und dieser so nahezu vollständig vom Werkstoff absorbiert wird.

Das Wärmeleitungsschweißen setzt auf wesentlich weniger tiefes Eindringen des Laserstrahls in den Werkstoff. Hier bleibt der Laserstrahl unter der beim Tiefschweißen übertroffenen, kritischen Schwelle.

Dadurch bildet sich auch kein Metallplasma, was ein einfaches und sauberes Verbinden von geringen Materialdicken erlaubt. Die Nahtbreite ist dabei immer größer als die Nahttiefe, die unter einem Millimeter liegt. Diese Fügetechnik sorgt für eine glatte Schweißnaht, die nicht mehr nachbearbeitet werden muss.

Gaslaser und Festkörperlaser

Selbst in diesen beiden Grundvarianten ist die Palette an Lasern, die üblicherweise eingesetzt werden, bereits sehr breit. Michael Wolters: „Am Beginn des Laserschweißens stand ein CO2-Laser, mit dem Metall geschnitten werden konnte.“

Zu diesem und anderen Gaslasern, bei denen das in einen Resonator eingesetzte Gas zum Leuchten gebracht wird, hat sich mittlerweile der Festkörper-Laser als Alternative dazu gesellt. Dabei werden Wirtskristalle mittels Licht oder Infrarotstrahlung zum Leuchten gebracht: Die Palette reicht vom klassischen Rubin, der 1960 die erste Laserstrahlung ermöglicht hat, über Glas bis zu Legierungen rund um das Übergangsmetall Yttrium, die heute als effizienteste, aber auch teuerste Laserkristallbasis gelten.

„Jeder dieser Laser hat eine andere Wellenlänge, und jedes Laserlicht reagiert daher anders mit den aus der Schweißnaht aufsteigenden Dämpfen“, erklärt Experte Wolters. Daher müsse bei jeder Laserschweißlösung die individuelle Schutzgas-Mischung je nach verwendetem Lasertypen und zu verbindendem Material gewählt werden.

Die Palette reicht vom klassischen Argon über CO2 bis zu Stickstoff und Helium. Durch eine Beratung zur richtigen Auswahl durch die Schutzgas-Fachleute von Messer noch vor Beginn der Inbetriebnahme könne der Betreiber sich viele Kosten ersparen, meint der Experte: Denn während die Kosten für das Schutzgas selbst beim Betrieb der Anlage mit maximal fünf Prozent kaum ins Gewicht fallen, können durch die richtige Auswahl des Schutzgases von vornherein Materialschäden und Ausschussproduktionen vermieden werden. Und das führt wiederum auf den richtigen Weg hin zum Lean Manufacturing.

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