Technik 2024-06-26T08:10:45.534Z Problematische Einschweißtiefe

In diesem Fall gab es Probleme mit der Einschweißtiefe beim Laserstrahlschweißen hochfester Baustähle. Die Ursachen waren nach eingehender Untersuchung im metallurgischen Bereich zu finden.

Das Laserstrahlschweißen unterscheidet sich gegenüber den klassischen Lichtbogenverfahren dadurch, dass es als Energieträger keine elektrischen Gasentladungen nutzt, sondern Lichtteilchen. Entsprechend des physikalischen Ablaufs handelt es sich beim Laserstrahlschweißen um ein Schmelzschweißverfahren. Somit müssen neben seinen zahlreichen prozessspezifischen Besonderheiten ebenfalls die metallurgischen Eigenheiten des entstehenden Schmelzbades und seiner Erstarrung beachtet werden.

Beachten Sie die Zusammensetzung

Ein Schweißfachbetrieb, der sich auf das Laserstrahlschweißen von unlegierten Baustählen nach DIN EN 10 025-2 (S235JR, S275J0 und S355J2) spezialisiert hatte und diese Werkstoffe mit hoher Qualität, das heißt fehlerfrei verarbeitete, entschied sich nach einer Kundenanfrage, dieses Schweißverfahren ebenfalls bei hochfesten Feinkornbaustählen anzuwenden. Dabei standen insbesondere die Sorten S460N nach DIN EN 10025-3 und L485ME gemäß DIN EN ISO 3183 im Mittelpunkt. Bei letzterem handelte sich um eine Charge mit besonders hoher Reinheit.

Ausgewählte Elemente der Ist-Analyse (Mittelwerte) des untersuchten Baustahls der Sorten L485ME (chemische Zusammensetzung in Masseprozent):

C: 0,07

Si: 0,33

Mn: 1,65

P: 0,009

S: 0,001

Nb: 0,064

Die Anteile zeigen in diesem Zusammenhang deren sehr geringen Gehalte an den Begleitelementen Schwefel und Phosphor. Als Mikrolegierungselement zur Unterstützung der Feinkornbildung diente Niob.

Aufgrund der langjährigen Erfahrungen mit den verschiedenen Sorten an unlegierten Baustählen wurde die dabei etablierte Schweißtechnologie (Strahlleistung, Fokuslage usw.) auf die hochfesten Feinkornbaustähle übertragen. Arbeitsproben zeigten jedoch, dass es mit den bisher verwendeten Schweißparametern insbesondere beim L485ME nicht möglich war, eine ausreichende Durchschweißung zu erzeugen. Um diese dennoch zu gewährleisten, erfolgte unter anderem ein geringfügiges Anheben der Strahlleistung um wenige Watt. Die Folge war ein sofortiger und unkontrollierbarer Nahtdurchfall. Somit stellte sich die Frage nach der Ursache für dieses ungewöhnliche schweißtechnische Verhalten.

Passen Sie die technologischen Parameter richtig an

Die genaue Analyse der gewählten technologischen Parameter zur Herstellung der Arbeitsproben zeigte keine Auffälligkeiten, die in einen direkten Zusammenhang mit dem aufgetretenen Phänomen gebracht werden konnten. Somit musste mit großer Wahrscheinlichkeit eine metallurgische Ursache vorliegen. Der Aluminiumgehalt von 0,039 Prozent lieferte zusammen mit dem Siliziumanteil von 0,330 Prozent einen sicheren Hinweis darauf, dass die verwendete Charge bei ihrer Herstellung besonders beruhigt vergossen wurde, was sich in der Regel positiv auf eine gute Eignung zum Schmelzschweißen auswirkt. Diese Feststellung wurde durch die geringen Schwefel- und Phosphorgehalte unterstützt. Doch genau hier lag die Ursache für die aufgetretenen Schwierigkeiten.

Seit etwa hundert Jahren sind bei den herkömmlichen Schmelzschweißverfahren Erscheinungen bekannt, bei denen im flüssigen Schweißbad Strömungen entstehen, die durch Gradienten der Grenzflächenspannung hervorgerufen werden. Sie wurden erstmals durch den italienischen Physiker Carlo Giuseppe Matteo Marangoni (1840 bis 1925) beschrieben und nach ihm als Marangoni-Konvektion beziehungsweise Marangoni-Effekt benannt. Er wird durch die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung verursacht und führt zu Strömungen von niedrigen zu hohen Spannungen. Da diese in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung bei steigender Temperatur sowohl zu- als auch abnehmen können, bewirkt der Effekt bei gleichem Energieeintrag entweder breitere oder tiefere Schmelzbäder. Verantwortlich dafür ist die Anwesenheit oder das Fehlen von oberflächenaktiven Elementen. Dabei handelt es sich um Substanzen, die durch ihre Anwesenheit in einer Flüssigkeit deren Oberflächen- beziehungsweise Grenzflächenspannung verändern können. Bei Stahlschmelzen sind das unter anderem Sauerstoff, Phosphor und insbesondere Schwefel.

Achten Sie auf die Oberflächenspannung

Bei Legierungen mit sehr geringen Gehalten an diesen Elementen nimmt die Oberflächenspannung der Schmelze mit der Temperatur ab. Die Strömung im Schweißbad erfolgt in diesem Fall von der Mitte zum Rand. Das verursacht vergleichsweise breite und flache Schweißnähte, wodurch – wie im vorliegenden Fall – nicht immer ein Erfassen der gesamten Blechdicke gewährleistet werden kann. Demgegenüber können oberflächenaktive Elemente die Strömung umkehren. Sie erfolgt dann vom Rand zur Mitte und es entstehen schmale und tiefe Schweißnähte. Damit tritt bei Stählen mit „normalen“ Gehalten an solchen Elementen (etwa 0,020 bis 0,030 Prozent Schwefel sowie etwa 0,010 bis 0,025 Prozent Phosphor), zu denen zum Beispiel die unlegierten Baustähle nach DIN EN 10025-2 zählen, der Marangoni-Effekt seltener auf.

Im vorliegenden Fall wirkte sich neben den sehr geringen Gehalten an Schwefel und Phosphor ebenfalls der leicht erhöhte Siliziumgehalt auf die Nahtausbildung beim Laserstrahlschweißen aus. Bei der Stahlherstellung hat dieses Element, neben seiner Aufgabe als Desoxidationsmittel, die positive Wirkung, die Schmelze dünnflüssiger zu machen. Dadurch wird deren Gießprozess erleichtert. Offenbar verursachte dieser Effekt infolge ihrer geringeren Viskosität auch den Schweißgutdurchfall bei einer geringfügigen Erhöhung der Laserstrahlleistung.

Fazit: Fertigen Sie Arbeitsproben an

Bei dem hier vorgestellten Phänomen waren wiederum metallurgische Ursachen ausschlaggebend. Unabhängig von der Art der Energieeinbringung, das heißt durch elektrische Gasentladung (Lichtbogen) oder elektromagnetische Strahlung (Laser, Elektronenstrahl) kann der Marangoni-Effekt bei allen Schmelzschweißverfahren auftreten. Seine Vorhersage ist in der Regel nicht einfach, da das Auftreten dieser Erscheinung an eine Vielzahl von metallurgischen (unter anderem Gehalt an oberflächenaktiven Elementen), physikalischen (unter anderem die Schweißbaddynamik) aber auch technologischen Einflussgrößen (zum Beispiel Höhe der Schweißbadtemperatur) abhängt. Ein sicherer Weg, seinen Einfluss auf eine konkrete Schweißaufgabe abschätzen zu können, ist die Anfertigung von Arbeitsproben mit den gewählten Schweißparametern und genau den vorgesehenen Werkstoffchargen der zu verarbeitenden Grund- und Zusatzwerkwerkstoffe. Anhand der aufgetretenen Probleme wurde im vorliegenden Fall entschieden, eine andere Charge der gleichen Stahlsorte zu verwenden, die das beschriebene Phänomen nicht zeigte.