Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung des Strahlschweißens im Vakuum zur Vermeidung von Bauteilverschmutzung und Oxidation beim Schweißen von korrosionsbeständigen Stählen und Refraktärmetallen

Ziel ist die Optimierung des Laserschweißens unter Vakuum (LaVa) zum hochqualitativen, wirtschaftlichen und nacharbeitsfreien Fügen von korrosionsbeständigen Stählen und Refraktärmetallen mittels eines analytischen Modells der Strömungen und Prozessemissionen.

Anhand der zu identifizierenden Eingangsgrößen wird eine Modellierung der Strömungs- und Druckverhältnisse in der LaVa-Arbeitskammer erstellt und verifiziert. Dieses Modell wird anschließend zur gezielten Optimierung der Geometrie des Optikschutzsystems, der Gasströme und Strömungsverhältnisse mit dem Ziel der Minimierung der Oberflächenverschmutzung und der Vermeidung von Anlauffarben/Oxidation in der Prozesszone bei gleichzeitig optimiertem Aufwand zur Vakuumerzeugung und Schutzgaseinsatz genutzt.

Angestrebte Ergebnisse: Identifikation der Ursachen für die Oberflächenkontamination; Erstellung eines ANSYS-Strömungsmodells eines LaVa-Prozesses, Bestimmung der prozessabhängigen/prozessrelevanten Eingangsgrößen hinsichtlich der Oberflächenkontamination (Volumenströme in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck, Geometrie des Optikschutzsystems, Schweißprozess, Werkstück); Design-Vorschlag für eine LaVa-Anlage für Schweißungen höchster Qualität: Geeignete Druck- und Parameterbereiche zum hochqualitativen, wirtschaftlichen und nacharbeitsfreien Fügen von Refraktärmetallen und korrosionsbeständigen Stählen

So ergeben sich erhebliche Kosten- und Ressourceneinsparungen, da Schweißungen ohne Nacharbeit erstellt werden können. Für Anlagenhersteller sowie Job-Shops und weiteren Anwendern eröffnen sich neue Märkte.

Das hohe Interesse der kmU an der Mitarbeit verdeutlicht das große Potential zum Transfer der Ergebnisse in die industrielle Praxis, siehe auch die LOI der Firmen LBBZ (KMU), Evobeam (KMU) und SLV-Rostock (Vorsitzender der DVS-AGV 9.2). Die Ergebnisse können infolge der Erarbeitung eines DVS-Merkblattes und durch die Bereitstellung des Modells auf den Internetseiten der FS umgehend bei allen Anwendern umgesetzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Auf Basis der Untersuchungen können folgende Punkte für zukünftige LaVa-Schweißungen, die zugehörige Prozessentwicklung und die Konzeption entsprechender Anlagen abgeleitet werden:

- Durch die Zuführung eines Gasvolumenstroms lässt sich das Prozessverhalten beim LaVa-Schweißen beeinflussen.

- In der Vakuumkammer stellt sich während des LaVa-Prozesses ein ausgeprägtes Strömungsverhalten ein. Sofern in der Konzeptionsphase einer Vakuumkammer keine gezielte Berücksichtigung der sich einstellenden Prozessströmungen erfolgt, können die Prozessströmungen auch einen negativen Einfluss auf das Prozessergebnis haben.

- Der vorhandene Restsauerstoff-Anteil in der Vakuumkammer hat einen Einfluss auf das resultierende Prozessergebnis und sollte daher zukünftig Berücksichtigung finden.

- Bedingt durch das unterschiedliche Verhalten für die Nahtausformung bei den untersuchten Werkstoffen scheint sich ein werkstoffabhängiger Grenzwert für den Restsauerstoff-Anteil innerhalb der Vakuumkammer zu ergeben, der zu Prozessbeginn unterschritten werden sollte. Dies würde die Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse steigern und weiterhin den Aufwand einer oberflächlichen Nacharbeit reduzieren. Idealerweise sollte der Sauerstoff-Anteil in der Vakuumkammer konstant auf diesem Wert gehalten werden, um eine Änderung der Nahtausformung zu verhindern, welche sich einstellen könnte, wenn ein gewisser Anteil des zu Prozessbeginn vorhandenen Restsauerstoffes mit der Prozesszone interagiert hat und daher für eine weitere Interaktion "verbraucht" ist.

- Auch für das EB-Schweißen ist die Zuführung eines Gasvolumenstroms möglich. Für das EB-Schweißen haben die Untersuchungen gezeigt, dass der Gasvolumenstrom im untersuchten Druckbereich keinen erkennbaren Einfluss auf die Nahtausformung und die Nahtqualität hat. Der Gasvolumenstrom kann allerdings für einen Schutz "messtechnischer" Komponenten genutzt werden, die ansonsten durch die entstehenden metallischen Ablagerungen bedampft würden.