Entstehungsmechanismus und Maßnahmen zur Unterdrückung von Erstarrungsrissen beim Laserschweißen

LaserstrahlschweißenDas Schweißen, aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit, Präzision und berührungslosen Eigenschaften, findet breite Anwendung in Bereichen wie der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Elektronik und bietet insbesondere beim Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe einzigartige Vorteile. Allerdings stellen die während des Schweißprozesses entstehenden Erstarrungsrisse einen der Hauptfehler dar, die die industrielle Anwendung einschränken. Diese Risse treten üblicherweise am Ende der Erstarrung in der Schmelzzone auf und werden durch die kombinierte Wirkung von thermischer Spannung, Erstarrungsschrumpfung und dem flüssigen Film an den Korngrenzen ausgelöst. Sie reduzieren die mechanischen Eigenschaften und die Dauerfestigkeit der Verbindung erheblich.

1. Bildungsmechanismus

Der Kernmechanismus von Erstarrungsrissen liegt im Restflüssigkeitsfilm an den Korngrenzen nach Abschluss der Erstarrung. Während des Erstarrungsprozesses teilt sich das Schmelzbad in drei Zonen: die freie Flüssigkeitszone, die eingeschränkte Flüssigkeitszone und die feste Zone (siehe Abbildung 1). In der eingeschränkten Flüssigkeitszone ist der Flüssigkeitsfluss blockiert und kann die durch die Erstarrungsschrumpfung entstehende Spannung nicht kompensieren, was zur Trennung der Korngrenzen führt. Das Verhältnis der Korngrenzenenergie (γ_gb) zur Fest-Flüssig-Grenzflächenenergie (γ_sl) bestimmt die Stabilität des Flüssigkeitsfilms: Ist γ_gb < 2γ_sl, ist der Flüssigkeitsfilm instabil und es kommt zur Kornverschmelzung; ist er hingegen stabil, begünstigt die Rissbildung.

Des Weiteren hängt die Entstehung von Erstarrungsrissen mit den metallurgischen Eigenschaften der Werkstoffe zusammen. Unterschiedliche Werkstoffe weisen verschiedene Erstarrungseigenschaften auf, wie beispielsweise den Erstarrungstemperaturbereich, die Erstarrungsschrumpfungsrate und die Verteilung der Legierungselemente. Diese Eigenschaften beeinflussen die Rissempfindlichkeit. So ist beispielsweise bei Werkstoffen mit einem hohen Anteil an niedrigschmelzenden eutektischen Phasen die Rissempfindlichkeit höher, da diese eutektischen Phasen während der Erstarrung zur Bildung kontinuierlicher Flüssigkeitsfilme neigen und dadurch die Rissbildung verstärken.

Während derLaserschweißverfahrenSchweißparameter wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Spotgröße beeinflussen die Entstehung von Erstarrungsrissen. Diese Parameter wirken sich auf den Wärmeeintrag und den Temperaturgradienten während des Schweißprozesses aus und verändern dadurch die Erstarrungsstruktur und die Kornmorphologie. Beispielsweise führen höhere Laserleistung und niedrigere Schweißgeschwindigkeit zu einem höheren Wärmeeintrag und einer langsameren Abkühlrate, was das Wachstum säulenförmiger Kristalle fördert und die Rissempfindlichkeit erhöht. Umgekehrt führen niedrigere Laserleistung und höhere Schweißgeschwindigkeit zu einem geringeren Wärmeeintrag und einer schnelleren Abkühlrate, wodurch die Bildung gleichachsiger Kristalle begünstigt und die Rissempfindlichkeit verringert wird.

2. Unterdrückungsmaßnahmen

Um die Erstarrungsrisse wirksam zu unterdrücken inLaserschweißenForscher haben verschiedene Strategien vorgeschlagen, die sich hauptsächlich auf die Kontrolle der Kornstruktur, die Optimierung der Schweißparameter und die Verbesserung der Materialeigenschaften konzentrieren. Durch die Verfeinerung der Kornstruktur kann die Anzahl der Korngrenzen erhöht und die Spannungskonzentration reduziert werden, wodurch die Rissbildung verringert wird. Studien haben gezeigt, dass sich Säulenkristalle mithilfe der Laserstrahloszillationstechnologie ohne Zugabe weiterer Materialien in feine, gleichachsige Kristalle umwandeln lassen. Die Laserstrahloszillation zerstreut die Laserenergie und erzeugt Turbulenzen im Schmelzbad. Dadurch wird das Wachstum der Säulenkristalle unterbrochen und die Bildung gleichachsiger Kristalle gefördert (siehe Abbildung 3). Darüber hinaus vergrößert die Laserstrahloszillation die Breite des Schmelzbades, verringert den Temperaturgradienten und verlängert die Erstarrungszeit. Dies begünstigt die Diffusion von gelösten Stoffen und die Auffüllung der Flüssigkeitsfilme und reduziert somit die Anfälligkeit für Erstarrungsrisse deutlich.

Verteilung der Korngrenzenflüssigkeitsfilme bei unterschiedlichen Beckenformen.

Schematische Darstellung des Schmelzbades beim Schweißen, a, b) ohne Oszillation, c, d) mit seitlicher Oszillation, e, f) mit Längsoszillation, g, h) mit Umfangsoszillation.

Zusätzlich zuLaserstrahlDie Oszillationstechnologie mit zwei Laserquellen ist ebenfalls eine effektive Methode zur Unterdrückung von Erstarrungsrissen. Durch Optimierung des Temperaturzyklus kann mit zwei Laserquellen die Umwandlung von Säulenkristallen in gleichachsige Kristalle erreicht werden, wodurch die Korngröße und die Spannungskonzentration reduziert werden. Beispielsweise lässt sich beim Schweißen mit einem CO₂-Laser als Hauptwärmequelle und einem gepulsten Nd:YAG-Laser als Hilfswärmequelle ein optimierter Temperaturzyklus erzielen, der die Bildung gleichachsiger Kristalle fördert und die Anfälligkeit für Erstarrungsrisse verringert (siehe Abbildung 4).

Die Optimierung der Schweißparameter ist ein wichtiges Mittel zur Unterdrückung von Erstarrungsrissen. Durch die Anpassung von Parametern wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Spotgröße lassen sich Wärmeeintrag und Temperaturgradient während des Schweißprozesses steuern und somit die Erstarrungsstruktur und Kornmorphologie beeinflussen. Studien haben gezeigt, dass eine Vorwärmbehandlung die Abkühlgeschwindigkeit verringern, die Bildung gleichachsiger Kristalle fördern und dadurch die Empfindlichkeit gegenüber Erstarrungsrissen reduzieren kann (siehe Abbildung 5). Darüber hinaus kann durch Verfahren wie das Pulslaserschweißen und die Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit die Umwandlung von Säulenkristallen in gleichachsige Kristalle durch Veränderung des Wärmeeintrags und der Abkühlgeschwindigkeit erreicht werden, wodurch die Rissempfindlichkeit ebenfalls reduziert wird.

Abbildung 5. a) Unerhitzte, b) auf 300°C vorerhitzte gleichachsige Körner.

Beim Laserschweißen ungleicher Werkstoffe bilden sich aufgrund der signifikanten Unterschiede in den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materialien leicht spröde intermetallische Verbindungen, die eine der Hauptursachen für Erstarrungsrisse darstellen. Daher ist die Anpassung der Laserparameter und -einstellungen zur Reduzierung der Bildung oder Menge intermetallischer Verbindungen eine wichtige Strategie zur Vermeidung von Erstarrungsrissen. Beispielsweise kann beim Laserschweißen von Kupfer und Aluminium durch die Steuerung des Laserstrahlversatzes und der Schweißgeschwindigkeit das Mischungsverhältnis von Kupfer und Aluminium im Schmelzbad reduziert werden. Dadurch verringert sich die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen und die Rissanfälligkeit. Zusätzlich kann der Einsatz von Zusatzwerkstoffen die Eigenschaften der Schweißverbindung verbessern und die Rissbildung verringern. Zusatzwerkstoffe können die Bildung intermetallischer Verbindungen durch Veränderung der Zusammensetzung und des Mikrogefüges der Schweißverbindung reduzieren und deren Zähigkeit verbessern.

Erstarrungsrisse gehören zu den häufigsten Fehlern beim Laserschweißen. Ihr Entstehungsmechanismus ist komplex und beruht auf dem Zusammenspiel verschiedener Faktoren wie Wärme, Mechanik und Metallurgie. Durch die eingehende Untersuchung dieses Mechanismus lässt sich eine theoretische Grundlage für die Rissunterdrückung schaffen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Strategien zur Unterdrückung von Erstarrungsrissen entwickelt, die sich hauptsächlich auf die Kontrolle der Kornstruktur, die Optimierung der Schweißparameter und die Verbesserung der Materialeigenschaften konzentrieren. Die Praxis hat gezeigt, dass diese Strategien die Empfindlichkeit gegenüber Erstarrungsrissen bis zu einem gewissen Grad effektiv reduzieren und die Qualität und Zuverlässigkeit des Laserschweißens verbessern können. Aufgrund der Komplexität und Vielfalt des Laserschweißprozesses bestehen jedoch weiterhin Forschungslücken. Beispielsweise ist die Aufklärung der Mechanismen zur Unterdrückung von Erstarrungsrissen unter verschiedenen Werkstoffen und Schweißbedingungen noch nicht abschließend geklärt.