Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verfahren zum fehlerfreien Laserstrahl-Hybridschweißen von geschlossenen Rundschweißnähten

Die Laserstrahl-Hybrid-Schweißtechnologie ist bereits bei vielen KMU im Einsatz. Trotz des breiten Einsatzspektrums des Laserstrahl-Hybridschweißens ist die Anwendbarkeit dieses Verfahrens für das Schweißen von Rundnähten noch immer begrenzt.

Beim Schweißen von Rundnähten liegt die Herausforderung im Überlappbereich der Naht. Ein zentrales Problem hier ist die Bildung von Imperfektionen, wie Poren und Risse sowie die Bildung eines Endkraters.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein Verfahren für das fehlerfreie Laserstrahl-Hybridschweißen von runden Schweißnähten für praktische Anwendungen zu entwickeln.

Im Laufe der Projektarbeiten sollen die Wirkmechanismen zwischen dem Laserstrahl und MSG-Lichtbogen ergründet werden, so dass die o.g. Fehler durch Anpassungen der Laserstrahl- sowie Lichtbogenparameter vermieden werden können. Der Lösungsweg setzt daher ein umfangreiches simulationsunterstütztes Versuchsprogramm voraus, anhand dessen eine Vielzahl an Einflussfaktoren untersucht, analysiert und ausgewertet wird.

Es wird angestrebt, mit dem neuen Verfahren das Fügen von runden Schweißnähten für eine maximale Wanddicke von 15 mm in einer Lage im Stumpfstoß zu ermöglichen. Das Auffüllen von dickeren Schweißfugen erfordert eine entsprechende Kantenvorbereitung und das Schweißen in Mehrlagentechnik.

Durch das neue Verfahren profitieren besonders KMU in den Bereichen Rohrleitungs-, Schiffs- und Behälterbau. Weitere Applikationsfelder des zu entwickelnden Verfahrens sind beispielsweise die Herstellung von Elementen für Offshore-Windkraftanlagen, die Fertigung von Hydraulikzylindern für Baumaschinen sowie die Herstellung von Rohr- und Flanschverbindungen im Turbinenbau.

Die Entwicklungen des Projektes, z.B. der Demonstrator des Laserhybridschweißkopfes mit entkoppeltem MSG-Brenner, können von Herstellern von Laserschweißanlagen, Laserschweißoptiken sowie von Laserschweiß-Sensoriken zur Erweiterung ihrer Dienstleistungen und deren Produktportfolio genutzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die Bildung von Schweißfehlern im kritischen Start-Stop-Bereich (Überlappbereich) einer laserstrahl-hybridgeschweißten Rundnaht vermeiden wird. Das Verfahren zielt auf eine Anwendung im Dickblechbereich ab und wurde im Rahmen der Projektarbeit an Rundnähten mit einer Dicke von bis zu 15 mm erfolgreich umgesetzt.

Ein fehlerfreier Überlappbereich wird durch die Anpassung von Parametern der beiden beteiligten Schweißprozesse, des Laserstrahlschweißprozesses und des Metallschutzgas (MSG)-Schweißprozesses erreicht. Die kontrollierte Wärmeführung des Schweißprozesses am Ende der Schweißnaht wird hauptsächlich durch die Defokussierung des Laserstrahls sowie eine Laserleistungsrampe realisiert. Zu diesem Zweck wurde ein Laserhybrid-Schweißkopf mit verschiebbarem Fokuspunkt konzipiert und getestet. Das motorisch angesteuerte Kollimationssystem ermöglichte dabei eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers und somit ein sanftes Herausrampen der Prozessenergie aus der Schweißzone ohne eine Veränderung der Position des MSG-Lichtbogens relativ zur Bauteiloberfläche.

Mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen und Simulationen wurden Empfehlungen zur Prozesssteuerung hinsichtlich der optimalen Laserleistungsrampe, Rampenzeit, Defokussierung des Laserstrahls und Länge des Auslaufbereiches erarbeitet.

Mit dem neuen Verfahren können Rundschweißnähte in verschiedenen Industriebranchen verschweißt werden, für die die Laserstrahl-Hybrid-Technologie aufgrund der Poren-, Riss- und Endkraterproblematik im Überlappbereich nicht einsetzbar war. Insbesondere Branchen wie Schiffbau, Rohrbau, Apparate- und Behälterbau sowie Laser-Lohnschweißer können von den Ergebnissen profitieren. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens lassen sich unmittelbar von Anwendern und von den Schweißanlagenherstellern in die Praxis umsetzen.