Magnesium­schweissen: Kampf den Poren

© Foto | Masoud Harooni

Magnesiumlegierungen wären ein Traumwerkstoff für den Leichtbau. Leider sorgen sie beim Schweißen für Albträume. Noch.

Magnesium ist der leichteste Konstruktionswerkstoff unter allen handelsüblichen Metallen: Denn es weist das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf. Seine Dichte liegt um 36 Prozent unter der von Aluminium und um 78 Prozent unter der von Stahl. Damit drängt sich Magnesium geradezu auf als Werkstoff für den Leichtbau. Aber: Magnesium zu schweißen, ist — freundlich ausgedrückt — eine Herausforderung.

Die beiden wesentlichen Schwierigkeiten sind Poren- und Rissbildungen. Rissbildung bekommt man durch bessere Legierungen in den Griff. Das Porenproblem aber bleibt. Poren in der Schweißraupe beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht, insbesondere ihre Zugfestigkeit. Um das Manko auszumerzen, muss klar sein, wie Poren entstehen und was man beim Laserschweißen dagegen tun kann.

Die Krux mit der Oxidschicht

Verschiedene Mechanismen und Faktoren können verantwortlich sein: Porenbildung durch Wasserstoff, eine instabile Dampfkapillare (Keyhole), bereits vorher vorhandene Poren, Schichtbildung auf der Oberfläche, Gaseinschlusse sowie Legierungen mit niedrigem Verdampfungspunkt. Da Magnesium leicht mit Sauerstoff reagiert, bildet sich auf seiner Oberfläche eine Oxidschicht aus. Zudem nutzt eine neue Generation von Beschichtungstechniken für Magnesiumlegierungen wie Keronite, Magoxid-Coat oder Tagnite oxidbasierende Deckschichten.

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Das Problem beim Laserschweißen von Magnesium ist die Oxidschicht: Diese CCD-Aufnahme zeigt die Lichtstärkenverteilung der Plasmawolke an der oxidierten Stoßfläche. Die Wolke ist dick und niedrig. Diese Form ist ein klarer Hinweis auf einen instabilen, porenbildenden Prozess. (Foto: Masoud Harooni)

Die poröse Oxidschicht auf Magnesium nimmt leicht Feuchtigkeit aus der Atmosphäre auf. Unter Einwirkung von Feuchtigkeit entsteht Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2). Magnesiumhydroxid weist eine niedrige Zersetzungstemperatur von etwa 200 Grad Celsius auf, bei der es das molekulare Wasser wieder in die Atmosphäre abgibt (Mg(OH)2 MgO + H2O).

Das abgegebene verdampfte Wasser kann jedoch nicht durch die zwei übereinanderliegenden Bleche entweichen. Der Wasserdampf sucht sich so einen Weg durch das Schmelzbad und lässt dabei Poren in der Schweißraupe zurück.

Drei Lasertechniken führen zum Ziel

Eine Technik, die die Porenbildung aufgrund der Oxidschicht verhindert, ist das Vorwärmen mittels Plasmalichtbogen. Unsere Forschungsgruppe brachte im Labor einen Plasmabrenner vor dem Schweißkopf an. Wir verschweißten die übereinanderliegenden Magnesiumlegierungen auf diese Weise und verglichen das Ergebnis mit dem einer Schweißung ohne Vorwärmen. Die Vorwärmparameter wurden nach der Temperatur an der Berührungsfläche optimiert.

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Ohne Oxidschicht ist die laserinduzierte Plasmawolke schlanker und die Intensität höher. Sie weist auf eine saubere, porenfreie Schweißung hin. (Foto: Masoud Harooni)

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Porenbildung verringert, wenn der Plasmabrenner vor dem Laserkopf herläuft und das Metall vorwärmt. Zur Überprüfung der Ergebnisse wurden Proben in einem weiteren Versuch vor dem Schweißen im Ofen erwärmt. Dabei stellten wir fest, dass eine Vorwärmtemperatur von mehr als 200 Grad Celsius die Porenbildung effektiv reduziert.

Doppelstrahlschweißen verbessert die Schweißqualität effektiv und bringt porenfreie Proben hervor.

Beim Doppelstrahlschweißen, einer zweiten Technik, haben wir Magnesiumlegierungen mit zwei hintereinander angeordneten Laserstrahlen und unterschiedlichem Strahlverhältnis verschweißt. Der Vergleich der Strahlverhältnisse (42,5 : 57,5 | 35 : 65 | 27,5 : 72,5 und 20 : 80) ergab, dass ein Verhältnis von 20 Prozent für den führenden Strahl und 80 Prozent für den nacheilenden Strahl die Schweißqualität effektiv verbesserte und porenfreie Proben hervorbrachte.

Stabiles Keyhole

Während der führende Strahl 20 Prozent der Laserleistung zum Vorwärmen aufbringt, bleiben die übrigen 80 Prozent der Laserleistung zum Schweißen nutzbar. Das reicht aus, um ein stabiles Keyhole zu bilden. Das Keyhole leitet das Wasserstoffgas aus dem zersetzten Magnesiumhydroxid ab wie durch einen Kamin. Bei den anderen getesteten Strahlverhältnissen lieferte der führende Strahl mehr Energie, als zum Vorwärmen der Probe erforderlich war, während der dann schwächere nacheilende Strahl kein stabiles Keyhole erzeugen konnte. So wurde es wahrscheinlicher, dass Wasserstoffgas im erstarrten Schmelzbad eingeschlossen wird.

Spektrumsintensität des laserinduzierten Plasmas für zwei Zustände an der Berührungsfläche von zwei übereinanderliegenden Blechen aus einer Magnesiumlegierung. (Foto: Masoud Harooni)

Beide Mechanismen — Vorwärmen zum Zersetzen des Magnesiumhydroxids durch den führenden Strahl und Bildung eines stabilen Keyholes zur Ableitung des Wasserstoffgases beim Laserschweißen durch den nacheilenden Strahl — müssen im gleichen Schweißgang erfolgen.

Eine weitere Alternative ist das Fügen mit Laser in zwei Schweißgängen. Wir führten den ersten Gang mit einem defokussierten Laserstrahl auf den beiden übereinanderliegenden Blechen durch, um die Berührungsfläche vor dem Laserschweißen zu erwärmen. Der zweite Gang diente dann zum Schmelzen und Schweißen der Proben. Die Laserleistung und den Fokusabstand für den Vorwärmgang haben wir dann optimiert, um die Schnittstelle zwischen den beiden übereinanderliegenden Blechen ausreichend zu erwärmen und so eine höhere Schweißqualität zu erzielen.

Echtzeit-Prüfverfahren

Um die Porenbildung zerstörungsfrei in Echtzeit zu erkennen, wird mithilfe eines Spektrometers die Intensität der laserinduzierten Plasmawolke bestimmt. Die Stabilität des Laserschweißprozesses beeinflusst die Plasmawolke. Dieser Zusammenhang lässt sich wiederum nutzen, um einen instabilen Zustand und die Entstehung von Poren in der Schweißnaht vorherzusagen.

Berechnete Elektronentemperatur für das laserinduzierte Plasma. (Foto: Masoud Harooni)

Wir überprüften zwei verschiedene Oberflächenzustande des Blechs: mit und ohne Oxidschicht an der Berührungsfläche. Anschließend berechneten wir aus der Spektrumsintensität die Elektronentemperatur auf der Basis des Boltzmann-Plot-Verfahrens und korrelierten sie mit der Porenbildung. Dabei stellten wir eine gute Korrelation zwischen der berechneten Elektronentemperatur aus dem laserinduzierten Plasma und dem Auftreten von Schweißraupendefekten im Laserschweißprozess fest.

Magnesium kommt

Die Magnesiumproduktion ist von 1995 bis 2007 um 390 Prozent gestiegen. Diese Zunahme verdeutlicht auch die immer stärkere Nachfrage nach Magnesium in verschiedenen Branchen, nicht nur in der Kfz-Industrie. Der Einsatz von Magnesiumlegierungen stellt dabei immer noch eine Herausforderung dar im Hinblick auf Kosten und Fügetechnik. Dennoch ist klar, dass Magnesiumlegierungen in Zukunft eine bedeutendere Rolle spielen werden.


Masoud-Haaroni-LaserschweißenDer Autor Masoud Harooni studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Isfahan im Iran. An der Southern Methodist University in Dallas, USA, promovierte er über das Fügen von Leichtbaulegierungen. Das Projekt war eine Kooperation mit General Motors. Heute arbeitet er als Laserschweißexperte für Keihin North America.
E-Mail: mharooni@keihin-na.com


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