Anwendung von Laserschweißen auf rostfreiem Stahl 1

Warum Edelstahl mit dem Laserstrahl schweißen?

Das Laserstrahlschweißen bietet mehrere Vorteile, die es zu einer der effektivsten Methoden zum Fügen von Edelstahl machen. Die einzigartige Kombination aus Geschwindigkeit, Präzision und geringem thermischen Einfluss liefert Ergebnisse, die mit konventionellen Schweißverfahren nur schwer zu erreichen sind.

Geringe Verformung und minimale Wärmefärbung: Edelstahl ist wärmeempfindlich, und eine übermäßige thermische Einwirkung kann Verzug, Eigenspannungen oder unansehnliche Verfärbungen verursachen. Die konzentrierte Wärmequelle beim Laserstrahlschweißen erzeugt eine schmale Wärmeeinflusszone (HAZ), wodurch der Verzug stark reduziert wird. Das kontrollierte thermische Profil begrenzt zudem die Wärmefärbung, erhält den Korrosionsschutz des Metalls und verringert oder eliminiert die Nachbearbeitung nach dem Schweißen.

Hohe Geschwindigkeit und Automatisierungsfreundlichkeit: Laserschweißen kann mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten durchgeführt werden und ist somit ideal für die Serienfertigung. Der Prozess lässt sich problemlos in automatisierte Produktionslinien integrieren, wobei Roboteranlagen für gleichmäßige Schweißnähte ohne Bedienereinfluss sorgen. Dies erhöht die Produktivität, während die Qualität erhalten bleibt.

Hervorragende Präzision: Der Laserstrahl kann auf einen sehr kleinen Fokuspunkt gebündelt werden, wodurch eine präzise Platzierung der Schweißnähte ermöglicht wird. Dies ist besonders wichtig beim Arbeiten mit dünnen Edelstahlprofilen, komplexen Designs oder Bauteilen, bei denen die Toleranz für Fehler äußerst gering ist.

Zugänglichkeit und Einseitenschweißen: Im Gegensatz zu einigen herkömmlichen Schweißverfahren benötigt das Laserschweißen häufig nur Zugang von einer Seite der Verbindung. Dies macht es wertvoll für komplexe Baugruppen oder Bereiche mit eingeschränkter Zugänglichkeit.

Sauberer Prozess: Das Laserschweißen ist ein berührungsloser Prozess, der minimale Spritzer, Rauch oder Kontamination erzeugt. Dies verbessert nicht nur die Sicherheit und Sauberkeit auf der Produktionsfläche, sondern reduziert auch den Bedarf an umfangreicher Nachbearbeitung nach dem Schweißen.

Das Laserschweißen von Edelstahl kombiniert Geschwindigkeit, Präzision und minimale Wärmezufuhr und ergibt dadurch feste, optisch saubere Schweißnähte mit reduziertem Nacharbeitungsaufwand. Die Kompatibilität mit Automatisierung sowie der Zugang von nur einer Seite machen es zur idealen Wahl sowohl für die Massenfertigung als auch für Spezialanwendungen und bietet langfristige Qualitäts- und Effizienzvorteile.

Edelstahlsorten und ihre Bedeutung für das Schweißen

Edelstähle werden anhand ihrer Kristallstruktur und Legierungs-Zusammensetzung in Familien eingeteilt. Diese Unterschiede wirken sich direkt auf ihre Schweißbarkeit, das Verhalten bei Wärmebehandlung und die endgültigen mechanischen Eigenschaften aus. Beim Laserschweißen ist das Verständnis dieser Eigenschaften entscheidend, um Fehler wie Risse, Verzug, Verlust des Korrosionsschutzes oder Phasenungleichgewichte zu vermeiden.

Austenitisch

Struktur & Zusammensetzung: Raumzentrierte kubische (FCC)-Struktur, enthält typischerweise 16–26 % Chrom und 6–12 % Nickel. Zu den Sorten gehören 304, 316 und 310.

Schweißbarkeit: Hervorragende Schweißbarkeit und Duktilität, jedoch kann die hohe Wärmedehnung Verzerrungen verursachen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit kann es zudem bei unkontrollierten Parametern zu lokaler Überhitzung kommen.

Laser-Schweißhinweise: Geringe Wärmeeinbringung halten, um Verzug zu minimieren. Schutzgasgemische verwenden (z. B. Argon-Helium), um die Durchdringung zu verbessern und Oxidation zu reduzieren. Sensitivierung durch Kontrolle der Zwischenlagen-Temperatur und Abkühlgeschwindigkeit vermeiden.

Anwendungen: Geräte für die Lebensmittelverarbeitung, Chemikatentanks, architektonische Verkleidungen.

Ferritisch

Struktur & Zusammensetzung: Körperzentrierte kubische (BCC)-Struktur mit 10,5–30 % Chrom, sehr wenig oder kein Nickel. Gängige Sorten: 409, 430.

Schweißbarkeit: Mäßige Schweißbarkeit – anfällig für Kornwachstum und Versprödung in der Wärmeeinflusszone (HAZ). Aufgrund der geringen Wärmedehnung weniger Verzerrung als bei austenitischen Sorten.

Laser-Schweißaspekte: Geringe Wärmeeinbringung und schnelle Abkühlung beibehalten, um grobkörnige Strukturen zu vermeiden. Füllmetalle sind oft nicht erforderlich, können aber verwendet werden, um die Zähigkeit in dicken Bereichen zu verbessern.

Anwendungen: Autoabgassysteme, industrielle Haushaltsgeräte, dekorative Verkleidungen.

Martensitisch

Aufbau & Zusammensetzung: KRZ/tetragonale Struktur mit 11,5–18 % Chrom und höherem Kohlenstoffgehalt. Übliche Sorten: 410, 420, 440C.

Schweißbarkeit: Aufgrund von Härte und Sprödigkeit schwieriger zu schweißen. Hohes Risiko von Kaltverformungsrissen in der Wärmeeinflusszone.

Laser-Schweißaspekte: Vorwärmen auf 150 –300℃ um Härtegradienten zu reduzieren. Nach dem Schweißen Tempern durchführen, um die Zähigkeit wiederherzustellen. Füllmaterialien mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt können helfen, die Rissanfälligkeit zu verringern.

Anwendungen: Turbinenschaufeln, Messer, chirurgische Instrumente.

Ausscheidungshärtend (PH)

Aufbau & Zusammensetzung: Martensitischer oder halbaustenitischer Aufbau mit zusätzlichen Legierungselementen (z. B. Cu, Al, Nb, Ti), die eine Altershärtung ermöglichen. Beispiel: 17-4PH.

Schweißbarkeit: Gute Schweißbarkeit, jedoch sind die mechanischen Eigenschaften stark von der Wärmebehandlung abhängig.

Laser-Schweißhinweise: Schweißen im gelösten Zustand, anschließend Alterung nach dem Schweißen durchführen, um die Festigkeit wiederherzustellen. Übermäßige Wärmeeinbringung vermeiden, um Überalterung oder Verzug zu verhindern.

Anwendungen: Luftfahrtteile, hochfeste Wellen, petrochemische Ausrüstung.

Duplex und Super Duplex

Struktur & Zusammensetzung: Etwa 50/50 austenitischer und ferritischer Anteil, mit hohem Chromgehalt (19–32 %), Molybdän und Stickstoff zur verbesserten Korrosionsbeständigkeit. Übliche Sorten: 2205, 2507.

Schweißbarkeit: Gute Schweißbarkeit, jedoch empfindlich gegenüber Phasenungleichgewicht – zu viel Hitze kann dazu führen, dass Ferrit oder Sigma-Phase dominieren, wodurch die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit sinken.

Laser-Schweißhinweise: Verwenden Sie kontrollierte, moderate Wärmeeinbringung und halten Sie die Zwischenpass-Temperatur unter ~150 ℃. Die Reinheit des Schutzgases ist entscheidend, um Stickstoffverluste zu vermeiden.

Anwendungen: Offshore-Plattformen, Entsalzungsanlagen, Chemieanlagenbau.

Jede Edelstahlsorte reagiert unterschiedlich auf die konzentrierte Hitze des Laserschweißens. Austenite lassen sich leicht schweißen, verformen sich jedoch leicht, Ferrite sind stabil, weisen aber das Risiko von Kornvergröberung auf, Martensite benötigen Vorwärmung und Anlassen, PH-Sorten benötigen eine Alterung nach dem Schweißen, und Duplex-Typen erfordern eine strenge Phasenkontrolle. Die Auswahl der richtigen Laserparameter, Füllmetalle und Nachbehandlungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Stahlsorte gewährleistet Schweißnähte, die sowohl Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit beibehalten.