Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Laserstrahlschweißen verdeckter T-Stöße durch anforderungsgerechte Kantenvorbereitung und Positionsregelung

Geschweißte T-Stöße werden derzeit meist als ein- oder beidseitige Kehlnaht von der Stegblechseite aus ausgeführt. Das Verschweißen von T-Stößen von der rückwärtigen Gurtblechseite gilt als große Herausforderung für die Spanntechnik und stellt darüber hinaus hohe Anforderungen an die Positionierung der Fügepartner. Beim Fügen solch verdeckter T-Stöße besteht die Gefahr, das Stegblech nicht oder nur unzureichend anzubinden.

Das Ziel dieses Vorhabens ist es, das Schweißen verdeckter T-Stöße ohne die genaue Kenntnis der Stegblechpositionierung prozesssicher zu ermöglichen. Es soll eine Regelung basierend auf einer Durchschweißdetektion implementiert werden, um die Lage des Stegblechs während des Prozesses zu bestimmen. Zusätzlich wird optional das Verfahren des Laserstrahlanhäufens verwendet, um eine anforderungsgerechte Kantenvorbereitung des Stegblechs herzustellen. Durch diese Vorbereitung kann die Positionierungstoleranz beim verdeckten T Stoß Schweißen mit einem Laserstrahl gesteigert werden.

Von den Erkenntnissen des Vorhabens profitieren Hersteller von Blechbaugruppen und anderen Schweißkonstruktionen. Oftmals sind diese Hersteller typische KMU, deren Wettbewerbsfähigkeit durch die Erhöhung der Gestaltungsvielfalt bei Schweißkonstruktionen gesteigert werden kann. Besonders KMU profitieren davon, dass die Toleranz beim Fügen durch anforderungsgerechte Gestaltung der Stegblechkanten erhöht werden kann. Zusätzlich können durch die Regelung Schweißnahtungänzen vermieden und sowohl der Prüfungs- als auch der eventuelle Nacharbeitsaufwand der Schweißnaht reduziert werden. Dadurch werden die Investitionskosten durch eine gesteigerte Produktivität zeitnah ausgeglichen.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Vorhaben konnte erstmals das Schweißen verdeckter T-Stöße ohne die genaue Kenntnis der Stegblechpositionierung durch eine in-Prozess Messung der Einschweißtiefe mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) und einer auf dieser Messung basierenden Positionsregelung des Laserstrahls erreicht werden. Dabei konnte mit Hilfe der OCT-Messung zuverlässig zwischen dem Einschweißen in das Stegblech (Sollposition) und dem Durchschweißen ohne Anbindung an das Stegblech (Fehlposition) unterschieden werden. Das Schweißen verdeckter T-Stöße mit aktiver OCT-basierter Positionsregelung wurde für das Schweißen von Aluminiumlegierung sowie von niedrig- und hochlegierten Stählen erfolgreich demonstriert. Die Anwendbarkeit wurde anhand des Schweißens von Lüfterrädern mit gekrümmten Schaufeln gezeigt. Dabei wurde die aktive Positionsregelung des Laserstrahls durch Ansteuerung eines 1D-Galvometerscanners umgesetzt und eine durchgängige Anbindung der Lüfterradschaufeln erreicht. Dementsprechend wurde das Anwendungsfeld der OCT-Messtechnik beim Laserstrahlschweißen wesentlich erweitert. Die erzielten Ergebnisse ermöglichen den Aufbau einer robusten Schweißprozessregelung und eröffnen neue Möglichkeiten bei der konstruktiven Gestaltung von Blechbaugruppen durch den Einsatz verdeckter T-Stöße.