Häufige Defekte beiLaserschweißen von Aluminiumlegierungen
Ob Laser-Autogenschweißen oderLaser-Lichtbogen-Hybridschweißenwird für Aluminiumlegierungen verwendet, es gibt einige häufige technische Probleme, d. h. es können Defekte auftreten, wenn die Prozessparameter und Schweißbedingungen metallurgisch nicht eingehalten werden.Unangemessen.Schweißnahtfehler in Aluminiumlegierungen lassen sich hauptsächlich in zwei Typen einteilen: Schweißporosität und Heißrisse. Neben Porosität und Heißrissen treten beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen auch Fehler wie Hinterschneidungen und mangelhafte Rückseitenbildung auf. Im Vergleich zur Schweißporosität ist die Wahrscheinlichkeit für Schweißrisse (sichtbar mit bloßem Auge oder unter geringer Vergrößerung) geringer. Da Risse jedoch gefährlicher sind, schreibt die Norm JIS Z 3105 vor, dass eine Schweißnaht, sobald ein Riss festgestellt wird, als Klasse IV eingestuft wird. Hinterschneidungen, mangelhafte Rückseitenbildung und andere Fehler sind meist schwerwiegende Mängel, die durch unzureichende Geschwindigkeitskontrolle oder nicht abgestimmte Prozessparameter verursacht werden. Solche Fehler treten in der Regel während der Prozesserkundung und -optimierung auf und sind im normalen Produktionsbetrieb selten. Daher ist Porosität ein besonders schädlicher Fehlertyp beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen und im Betrieb von Schweißkonstruktionen und lässt sich nur schwer vollständig beseitigen.
1. Porosität
Porosität ist der häufigste und bedeutendste Volumendefekt beiLaserschweißen von AluminiumlegierungenDie Poren weisen Größen von mehreren hundert Mikrometern bis zu mehreren Millimetern auf. Ihr Entstehungsmechanismus ist noch nicht vollständig geklärt. Porosität schwächt nicht nur den effektiven Querschnitt der Schweißnaht, sondern führt auch zu Spannungskonzentrationen, wodurch die dynamische Festigkeit und die Dauerfestigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigt werden.
Beim Schmelzen einer Aluminiumlegierung in wasserstoffhaltiger Umgebung kann ihr innerer Wasserstoffgehalt über 0,69 ml/100 g erreichen. Nach der Erstarrung beträgt die Wasserstofflöslichkeit im Gleichgewicht jedoch maximal 0,036 ml/100 g. Es wird allgemein angenommen, dass die Wasserstofflöslichkeit während des Abkühlprozesses beim Laserschweißen stark abfällt und die Ausfällung von übersättigtem Wasserstoff zu Wasserstoffporosität führt. Auch die Verdampfung von Legierungselementen mit niedrigem Schmelzpunkt und hohem Dampfdruck kann Porosität verursachen, die als metallurgische Porosität bezeichnet wird. Darüber hinaus können Störungen des Laserstrahls und Instabilitäten im Schweißkanal ebenfalls Porosität hervorrufen. Diese Porosität weist jedoch eine unregelmäßige Form auf und wird als prozessbedingte Porosität bezeichnet. Aufgrund der hohen chemischen Reaktivität von Aluminiumlegierungen bildet sich leicht eine Oxidschicht auf der Oberfläche. Beim Schweißen zersetzen sich Kristallwasser und gebundenes Wasser aus der Oxidschicht auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung zusammen mit der Luftfeuchtigkeit und dem Schutzgas direkt im Hochtemperaturbereich unter Einwirkung des Lasers zu Wasserstoff. Dieser Wasserstoff kann entweder beim Abkühlen und Erstarren des Schmelzbades ausfallen und Blasen bilden oder sich direkt auf der unvollständig aufgeschmolzenen Oxidschicht bilden. Aufgrund der geringen Dichte von Aluminiumlegierungen steigen die Blasen im Schmelzbad langsam auf. Da Aluminiumlegierungen zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, erfolgt das Abkühlen und Erstarren des Schmelzbades extrem schnell. Einige Blasen können nicht rechtzeitig entweichen und verbleiben in der Schweißnaht, wodurch metallurgische Porosität entsteht. Untersuchungen haben gezeigt, dass Wasserstoff das Hauptgas in der Porosität von Aluminiumlegierungsschweißnähten ist. Daher wird die Porosität in Aluminiumlegierungsschweißnähten auch als Wasserstoffporosität bezeichnet. Bei der Untersuchung von Porenbrüchen unter einem Rasterelektronenmikroskop zeigt sich, dass die Poren überwiegend eine sphärische Morphologie mit dicht angeordneten Dendritenenden aufweisen. Die Innenwand ist glatt, sauber und frei von Oxidationsspuren. Das Vorhandensein von Poren verringert nicht nur die Dichte der Schweißnaht und die Tragfähigkeit der Verbindung, sondern auch deren Festigkeit und Plastizität in unterschiedlichem Maße.
2. Heiße Risse
Heißrisse (einschließlich Erstarrungs- und Entmischungsrisse) entstehen während der Erstarrung von Schmelzbadmetallen und gehören zu den häufigsten Fehlertypen beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen. Das auffälligste Merkmal der Bruchmorphologie von Erstarrungsrissen ist die großflächige, glatte, aber unebene Bruchfläche mit kieselstein- oder kartoffelartigen Strukturen. Oft finden sich auf der Oberfläche interkristalline, niedrigschmelzende Eutektika oder Faltenbildungen des Schmelzfilms sowie Spuren von Sprödbruch an Dendriten. Die Bruchmorphologie von Entmischungsrissen ähnelt der von Erstarrungsrissen, weist jedoch Merkmale von Hochtemperatur-Interkristallinbrüchen oder Erstarrungsbrüchen auf. Auch bei Ermüdungsbrüchen von Schmelzschweißverbindungen unter Dauerbelastung sind Heißrisse häufig die Ursache für Ermüdungsrisse. Die Ursachen für Heißrisse beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen hängen hauptsächlich mit deren Eigenschaften und den Schweißprozessen zusammen. Aluminiumlegierungen weisen beim Erstarren eine hohe Schwindungsrate (bis zu 5 %) auf, was zu hohen Schweißspannungen und Verformungen führt. Zusätzlich bilden sich während der Erstarrung des Schweißguts entlang der Korngrenzen niedrigschmelzende eutektische Strukturen, welche die Bindungskräfte der Korngrenzen schwächen und so unter Zugspannung Heißrisse begünstigen. Die Rissmorphologien beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen lassen sich in folgende Kategorien einteilen: Risse in der Schweißnahtmitte, Risse in der Schmelzlinie, interkristalline Risse in der Schweißnaht, Risse durch Verflüssigung der Wärmeeinflusszone, Risse durch Oxidschichten und interkristalline Mikrorisse.
Darüber hinaus führt unzureichender Schutz beim Schweißen dazu, dass das Schweißgut mit Gasen in der Luft reagiert. Die entstehenden Einschlüsse stellen potenzielle Rissquellen dar. Art und Menge der Legierungselemente haben einen großen Einfluss auf die Heißrissneigung beim Schweißen von Aluminiumlegierungen. Im Allgemeinen weisen Aluminiumlegierungen der Reihen Al-Si und Al-Mn eine gute Schweißbarkeit auf und neigen nicht zu Heißrissen, während Aluminiumlegierungen der Reihen Al-Mg, Al-Cu und Al-Zn eine relativ hohe Heißrissneigung zeigen. Die Heißrissneigung lässt sich durch die Anpassung der Schweißprozessparameter zur Kontrolle der Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit reduzieren. Generell ist die Heißrissneigung beim Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen geringer als beim Laser-Drahtschweißen, und diese wiederum ist geringer als beim autogenen Laserschweißen.
3. Unterschnitt und Durchbrennen
Aluminiumlegierungen weisen eine geringe Ionisierungsenergie auf, und das photoinduzierte Plasma neigt beim Schweißen zu Überhitzung und Ausdehnung, was zu instabilen Schweißprozessen führt. Flüssige Aluminiumlegierungen zeichnen sich zudem durch gute Fließfähigkeit und geringe Oberflächenspannung aus. Um den Einbrand zu verbessern, sind häufig ein höherer Schutzgasdurchfluss und eine höhere Laserleistung erforderlich, was die Stabilität des Schweißprozesses beeinträchtigt und zu starken Schwankungen des Schmelzbades unter Druck führt, wodurch leicht Defekte wie Hinterschneidungen und Durchbrennen entstehen können. Die Umformbarkeit der Rückseite lasergeschweißter Aluminiumlegierungsplatten lässt sich durch das Aufbringen einer wassergekühlten Kupferplatte auf die Schweißnahtrückseite effektiv verbessern.
4. Schlackeneinschluss
Ein weiterer häufiger Fehler beim Schweißen von Karosserien ist der Einschluss von Schweißschlacke. Untersuchungen haben gezeigt, dass dieser hauptsächlich auf Oxide auf der Oberfläche von Schweißzusätzen und Schweißdrähten sowie auf instabile Prozesse bei der Lokalisierung von Aluminiumlegierungen zurückzuführen ist. Daher sollten Hersteller von Aluminiumlegierungen ihre technologischen Innovationen vorantreiben und die Gießverfahren verbessern, um den Gehalt an Verunreinigungen und Wasserstoff in den Rohstoffen zu minimieren und die Qualitätsstabilität ihrer Produkte zu erhöhen.
Veröffentlichungsdatum: 05.08.2025
