Laserschweißen von Aluminium

Aluminiumlegierungen

Aluminium wird aufgrund seiner Eigenschaften wie dem guten Masse zu Festigkeitsverhältnis und der hohen Korrosionsbeständigkeit immer häufiger verwendet. Die technisch relevanten Aluminiumwerkstoffe sind meistens Mehrstoffsysteme und können in naturharte- und aushärtbare Legierungen unterteilt werden.

Das Hochgeschwindigkeitsvideo auf der linken Seite zeigt den Vergleich des Laserschweißens von Aluminium und des LaVa-Schweißens von Aluminium mit identischen Schweißparametern an einer EN-AW 5083 Legierung. Es ist deutlich zu sehen, dass im Fall des Laserschweißens an Atmosphäre ein deutlich größeres Schmelzbad mit einer niedrigeren Viskosität und höheren Dynamik entsteht. Diese Faktoren führen zu einer starken Spritzerbildung. Beim Laserstrahlschweißen im Vakuum von Aluminium ist das Schmelzbad aufgrund der geringeren Verdampungstemperatur des Werkstoffs bedeutend kleiner und die Viskosität höher, was zu einer größeren Stabilität der Dampfkapillare und damit einem nahezu spritzerfreien Prozess führt. Weiterhin verhindert das Vakuum die unmittelbare Neubildung einer Oxidhaut auf dem Schmelzbad, was zu einer deutlich feineren Schuppung der Schweißnaht führt.

Beim konventionellen Laserschweißen sind die häufigsten Fehler in Schweißnähten an Aluminiumlegierungen Poren und Heissrisse. Beim Laserstrahlschweißen im Vakuum von Aluminium kann der Energieeintrag bei gleicher Einschweißtiefe signifikant reduziert werden, wodurch in den meisten Fällen Heißrisse vermieden werden können. Die Entstehung von Poren ist auf zuviel Wasserstoff, unzureichende Sauberkeit oder auf einen unruhigen Schweißprozess zurückzuführen. Mit der Stabilisierung des Keyholes und einem besseren Entgasungsverhalten im Vakuum können auch die Anzahl aber besonders die Größe von Poren deutlich reduziert werden.

Die LaVa-Schweißnähte wurden an den zur Heißrissbildung neigenden Aluminium Legierungen EN-AW 6061 und EN-AW 7075 durchgeführt. Die Schliffbilder zeigen, dass mit dem Laserstrahlschweißen im Vakuum heißrissfreie Schweißnähte an Aluminiumlegierungen erzeugt werden können.

Additiv gefertigtes Aluminium (LPB-F)

Das Laser Powder Bed Fusion Verfahren (LPB-F) ermöglicht das Herstellen von Bauteilen mit nahezu unbegrenzten geometrischen Möglichkeiten und Funktionen. Die Anwendungen reichen von der Einzelteilfertigung bis hin zur Serienfertigung. Beispielbauteile sind etwa Düsen mit filigranen Kühlkanälen, die nur mit dieser Technologie realisiert werden können. Aber die Vielfalt der Formen und Funktionen ist mit dem Preis einer starken Porosität in den additiv gefertigten Teilen verbunden.

Aktuelle Entwicklungen zeigen, dass die Maschinenplattformen immer größer werden, dennoch sind sie teilweise zu klein für die gewünschten Abmessungen des zu erstellenden Teils. Daher gibt es Anwendungen, in denen es notwendig ist, additiv gefertigte Bauteile mit bestehenden Komponenten zu fügen. Weiterhin kann die Fertigungszeit durch die Kombination von L-PBF gefertigten Bauteilen mit konventionellen Halbzeugen deutlich verkürzt werden. Dazu müssen ebenfalls beide Bauteile verschweißt und somit zu einem L-PBF-Hybrid-Bauteil kombiniert werden, dass einen konventionellen und einen Funktionsteil beinhaltet. Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse sind in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkzeuglose Fertigung entstanden.

Bei den weit verbreiteten Lichtbogenfügeverfahren wie dem Wolfram-Inertgasschweißen stellt die Porosität der zu fügenden Bauteile aber ein Problem dar. Das in den Poren eingeschlossene Gas dehnt sich durch die Schweißprozesswärme aus, was zu Spritzern führt. Weiterhin agglomeriert das Gas im Schmelzbad und bildet vermehrt große Poren in der Schweißnaht (siehe linkes Bild). Der Effekt wird zusätzlich verstärkt, wenn sich schweißprozessbedingt große Schmelzbäder ergeben.

Das Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa) ist eine neue Technologie, die erst seit kurzer Zeit auf dem Markt verfügbar ist. Die Vorteile sind eine geringe Porosität der Schweißnähte, sehr hohe Prozessstabilität durch eine stabile Dampfkapillare und ein im Vergleich zum Laserschweißen bei Umgebungsdruck kleines Schweißbad. Das LaVa-Schweißen ermöglicht gleichbleibende Einschweißtiefen bei geringerer Leistung, was zu einer geringeren Wärmeeinbringung in das Material führt.

Das LaVa-Schweißen von additiv gefertigten L-PBF-Bauteilen aus Aluminiumdruckgusswerkstoffen ist gut möglich. Die Schweißnähte weisen eine deutlich geringere Porosität auf als mit dem WIG-Verfahren hergestellte Schweißnähte. Wird die Schweißverbindung an additiv gefertigten L-PBF-Hybrid Bauteilen ausgeführt, kann die Porosität auf einen Wert reduziert werden, der sonst üblicherweise beim herkömmlichen Schweißen von Aluminiumwerkstoffen auftritt. Im Vergleich zum konventionellen Laserschweißverfahren wird das Ausgasen während des Schweißprozesses deutlich verbessert. Das LaVa-Schweißen ist damit ein geeigneter Ansatz zur Herstellung größerer Strukturen durch Fügen von L-PBF mit konventionell gefertigten Bauteilen.

Der physikalische Effekt der reduzierten Verdampfungstemperatur und damit des deutlich kleineren Schmelzbades führt dazu, dass weniger Poren aus dem Grundmaterial im Schmelzbad agglomerieren. Darüber hinaus ermöglicht eine kreisförmige Strahlpendelung, wie Forscher des IFSW Stuttgart weltweit erstmalig in einer Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahme zeigen konnten (der folgende Link führt zu der beeindruckenden Veröffentlichung), die Erfassung von Poren durch die Kapillare. Dies erklärt, warum sich Poren meist an der Schmelzlinie befinden. Dieser Bereich wird beim Schweißen nicht von der Kapillare erreicht. Die beiden beschriebenen Effekte sind als die wahrscheinlichste Ursache für die verminderte Porosität zu identifizieren.

Aluminium-Druckguss

Mit dem Laserstrahlschweißen im Vakuum lassen sich im Weiteren die als zum Schweißen ungeeignet geltenden Aluminium-Druckguss Legierungen verarbeiten.

Während der Grundwerkstoff in dem Schliffbild einige Poren aufweist, ist die LaVa-Schweißnaht an der Aluminiumlegierung poren- und rissfrei. Weiterhin lässt sich durch das LaVa-Schweißen im Gegensatz zu dem groben, eutektischen Gefüge des Grundwerkstoffs eine sehr homogene und feine Kristallstruktur erreichen.