Laserschweißen von Edelstahl

Edelstahl und Nickelbasislegierungen

In der Medizin- und Sensortechnik, der Gas-, Öl- und Lebensmittelindustrie oder bei anderen chemischen Prozessen bestehen häufig hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der Komponenten. Eine Möglichkeit diesen gerecht zu werden, ist durch den Einsatz hochlegierter austenitischer Stähle oder Nickelbasislegierungen gegeben.

Das Hochgeschwindigkeitsvideo auf der linken Seite zeigt den Vergleich einer Laserschweißung und einer LaVa-Schweißung mit identischen Schweißparametern an 1.4301. Es ist deutlich zu sehen, dass im Fall des Schweißens 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 ist das Schmelzbad aufgrund der geringeren Verdampfungstemperatur des Werkstoffs bedeutend kleiner und die Viskosität höher, was zu einer größeren Stabilität der Dampfkapillare und damit einem nahezu spritzerfreien Prozess führt.

Beim Schweißen von Nickelbasis- und Edelstahlwerkstoffen ist aufgrund der hohen Neigung zu Verzug und Heißrissen besonders auf eine saubere Umgebung und eine geringe Wärmeeinbringung zu achten. Durch den Einsatz moderner Single Mode Laser in Kombination mit dem LaVa-Prozess ist es möglich, sehr kalt zu schweißen. So betrug z.B. die Streckenenergie für die links gezeigte Einschweißung mit 3 mm Tiefe gerade einmal 166 J/cm.

Um nach dem Schweißvorgang immer noch einen guten Korrosionsschutz gewährleisten zu können, müssen Anlauffarben unbedingt vermieden werden. Dazu ist bei konventionellen Schweißverfahren eine sehr gute Schutzgasabdeckung erforderlich. Durch den Einsatz des Vakuums beim LaVa-Prozess kann Oxidation zu einhundert Prozent vermieden werden. Weiterhin entsteht bei den im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen hohen Drücken keine Bedampfung der Werkstücke, die ebenfalls Angriffspunkte für Oxidation bieten kann.

Alle gängigen Legierungen dieser Gruppe lassen sich schweißen. In manchen Fällen sogar die weitverbreitete Legierung 1.4305, die durch ihren Schwefelgehalt zur besseren Zerspanung als nicht schweißbar gilt.

Edelstahl Swagelok-Anschweißstutzen

Neben dem Elektronenstrahlschweißen konkurriert das Laserstrahlschweißen im Vakuum mit den verschiedenen Lichtbogenschweißverfahren. Vor allem das Wolfram Inertgas Schweißen (WIG) wird oft etwa für das Einschweißen von Swagelok-Anschweißstutzen in Edelstahl-Sensorgehäusen genutzt.

Um eine Einschweißtiefe von 3 mm zu erreichen, werden üblicherweise Spannungs- und Stromwerte von 11 V und 200 A eingestellt, was einer Leistungen von 2,2 kW entspricht. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad von etwa 60 % wird demnach eine Leistung von etwa 1,3 kW in das Werkstück eingebracht. Aufgrund der hohen Energieeinbringung kommt es oft zu Verzügen. Im linken Bildteil des Makroschliffs (siehe links) kann der Verzug der WIG-Schweißnaht, der den Querschnitt des Anschweißstutzens sichtbar reduziert, gut erkannt werden.

Beim Laserstrahlschweißen im Vakuum können Einschweißtiefen von 3 mm schon mit einer Leistung von 500 W erreicht werden, was einer Reduktion der Energieeinbringung von etwa 60 % entspricht. Weiterhin beträgt die Schweißgeschwindigkeit beim WIG-Schweißen in etwa 8,3 mm/s, während die benötigte Einschweißtiefe beim Laserstrahlschweißen im Vakuum bei 20 mm/s erreicht wird. Demnach lässt sich die Schweißzeit um 58 % reduzieren. Aus diesen Werten ergibt sich für das WIG-Schweißen eine Streckenergie von 0,157 kJ/mm, während beim Laserstrahlschweißen im Vakuum eine Streckenenergie von 0,025 kJ/mm erreicht wird. Demnach kann die Energieeinbringung bei Nutzung des Laserstrahlschweißens im Vakuum im Vergleich zu dem herkömmlichen WIG-Verfahren um 84 % reduziert werden.

Dadurch eignet sich das LaVa-Verfahren besonders dann, wenn nahezu verzugsfreie Endkonturbearbeitungen an Sensoren erforderlich sind.  Die geringe Wärmeentwicklung führt weiterhin dazu, dass etwaige im Sensorgehäuse befindliche Elektronik nicht beschädigt wird. Weiterhin reduziert sich der Zerspanungsaufwand bei der Nahtvorbereitung, da keine V-förmigen Fugen vorbereitet werden müssen, sondern ein einfacher Stumpfstoß ausreichend ist. Selbst Spalte von mehr als einem zehntel Millimeter sind mit einer kreisförmigen Strahlpendelung problemlos überbrückbar.