Prüfung von Laserschweißnähten: mehr als nur Konformität

Beim Laserschweißen ist die Qualitätsprüfung ein unverzichtbarer Schritt. Sie dient dazu, die Konformität der Verbindungen zu überprüfen, sicherzustellen, dass die technischen Anforderungen erfüllt werden, und die Qualität der gefertigten Teile freizugeben.

Doch eine konforme Prüfung bedeutet nicht immer, dass der Prozess vollständig beherrscht wird.

In vielen Fällen liegt die tatsächliche Leistungsfähigkeit eines Laserschweißprozesses nicht allein im Endergebnis, sondern im Verständnis der physikalischen Phänomene, die während des Schweißvorgangs ablaufen.

Eine Schweißnaht zu prüfen heißt nicht, den Prozess zu verstehen

In der industriellen Produktion beziehen sich die Prüfungen in der Regel auf mehrere wesentliche Kriterien:

• Das Erscheinungsbild der Schweißnaht
• Die Abmessungen der Schweißverbindung (z. B. Einschweißtiefe, Nahtbreite an der Oberseite, an der Grenzfläche)
• Die Dichtheit

Diese Prüfungen ermöglichen es zu überprüfen, ob die Schweißnaht den erwarteten Spezifikationen entspricht.

Sie bewerten jedoch hauptsächlich das erzielte Ergebnis. Über die Mechanismen, die zu diesem Ergebnis geführt haben, geben sie nur selten Aufschluss.

Beim Laserschweißen sind diese Mechanismen jedoch besonders komplex.

Ein äußerst dynamischer Prozess

Beim Laserschweißen findet eine stark lokalisierte Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Werkstoff statt.

Unter der Wirkung der hohen Energiedichte bildet sich innerhalb weniger Millisekunden ein Schmelzbad. Je nach Prozessbedingungen entsteht eine Dampfkapillare (Keyhole), die ein tiefes Eindringen der Energie in den Werkstoff ermöglicht.

Während des gesamten Schweißvorgangs verändern sich mehrere Phänomene gleichzeitig:

• Die Bewegungen des Schmelzbads;
• Die Stabilitätsschwankungen des Keyholes;
• Der Wärmeaustausch;
• Die Strömung des flüssigen Metalls;
• Die Erstarrung des Werkstoffs.

Diese Phänomene wirken ständig aufeinander ein und können sich je nach Prozessparametern sehr schnell verändern.

Eine geringe Änderung der Leistung, der Vorschubgeschwindigkeit, der Fokussierung oder auch der Bauteilpositionierung kann das Verhalten des Schmelzbads verändern.

Warum sind manche Fehler an der Oberfläche nicht sichtbar?

Das Erscheinungsbild einer Schweißnaht liefert einen ersten Hinweis auf die Qualität einer Verbindung, spiegelt aber nicht unbedingt alle Phänomene wider, die während des Schweißens aufgetreten sind.

Manche sehr kurzen Instabilitäten können vor der vollständigen Erstarrung des Schmelzbads verschwinden und dennoch innere Fehler hinterlassen.

Zu den möglichen Fehlern zählen insbesondere:

• Poren;
• Mikrorisse;
• Geometrische Fehler;
• Eine fehlerhafte Positionierung der Schweißnaht.

Je nach Anwendung und Qualitätsanforderungen können für die Erkennung dieser Fehler geeignete Prüfmittel erforderlich sein.

Es kommt daher darauf an, die Analyse nicht auf das endgültige Erscheinungsbild der Schweißnaht zu beschränken, sondern die Phänomene zu verstehen, die zu ihrer Entstehung geführt haben.

Von der Prüfung zur Prozessbeherrschung

Die leistungsstärksten Industrieunternehmen begnügen sich nicht mehr damit, die Teile nach der Fertigung zu prüfen.

Sie versuchen auch, mehrere grundlegende Fragen zu beantworten:

• Welche physikalischen Phänomene beeinflussen die Qualität der Schweißnaht tatsächlich?
• Welche Prozessparameter sind am entscheidendsten?
• Wie lässt sich eine Drift erkennen, bevor sie einen Fehler verursacht?
• Welche Kennzahlen gewährleisten die Stabilität des Prozesses?

Dieser Ansatz macht die Qualitätsprüfung zu einem echten Instrument der Prozesssteuerung.

Ziel ist es nicht mehr nur, die Konformität der gefertigten Teile zu überprüfen, sondern die Ursachen möglicher Schwankungen zu verstehen, um die Wiederholgenauigkeit der Produktion nachhaltig zu verbessern.

Schulung: ein Hebel für ein besseres Verständnis des Laserschweißens

Die Beherrschung eines Laserschweißprozesses beruht nicht allein auf den Anlagen oder Prüfsystemen.

Sie hängt auch von den Kompetenzen der Teams ab, die ihn umsetzen.

Das Verständnis der Laser-Material-Wechselwirkungen, des Schmelzbadverhaltens, der Auswirkungen der Prozessparameter oder auch der Ursachen der wichtigsten Fehler ermöglicht es Bedienern, Technikern und Ingenieuren, in den Phasen der Einstellung, Industrialisierung oder Optimierung fundiertere Entscheidungen zu treffen.

Dieser Kompetenzaufbau trägt dazu bei:

• Die Prozessstabilität zu verbessern;
• Die Interpretation von Prüfergebnissen zu erleichtern;
• Die Einstellungen zu optimieren;
• Die Reproduzierbarkeit der Schweißnähte zu verbessern;
• Nichtkonformitäten zu begrenzen;
• Neue Produkte zu entwickeln;
• Die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens zu verbessern;
• …

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