Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Laserstrahlschweißen von Gusseisen mit induktiver Temperaturführung sowie oszillierender Strahlführung

Gusseisen mit Kugelgraphit ist ein Werkstoff, der aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften und im Vergleich zu Stahl günstigen Herstellungskosten in fast allen Bereichen des Maschinenbaus eingesetzt wird. Ein Problem bei der Nutzung des Werkstoffs ist jedoch die stoffschlüssige Verbindung zu anderen, besonders artgleichen, Bauteilen. Der hohe Kohlen-stoffgehalt des Werkstoffs führt bei der Anwendung von Schmelzschweißverfahren zu sehr hohen Aufhärtungen in der Schweißnaht, die wiederum Härterisse nach sich ziehen. Um dem entgegenzuwirken, werden die zu fügenden Bauteile in der Regel zeitaufwendig und energie-intensiv vor- und nacherwärmt oder es wird teurer und ökologisch bedenklicher nickelhaltiger Zusatzwerkstoff verwendet. Aus diesen Gründen hat sich das Konstruktionsschweißen bei Bauteilen aus Gusseisen bis jetzt noch nicht durchsetzen können. Die Möglichkeit Guss/Guss-Verbindungen fügen zu können, würde die Angebotsvielfalt insbesondere im Bereich der KMU deutlich erhöhen. Aufgrund der vergleichsweise günstigen zusätzlichen Anlagentechnik ergeben sich viele konstruktive und prozesstechnische Vorteile für KMU aus dem Bereich des Lohnschweißens.

Das angestrebte Forschungsvorhaben untersucht daher einen Laserstrahlschweißprozess für Guss/Guss-Verbindungen, der auf einen Zusatzwerkstoff verzichten kann und dennoch kurze Taktzeiten vorweist. Ermöglicht werden soll dies durch eine zusätzliche induktive Erwärmung der Schweißnaht während des Schweißprozesses, die die Gefügebildung in der Schweißnaht derart beeinflusst, dass die Aufhärtung reduziert und möglichst unterbunden werden kann. Die Anordnung der Induktoren hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf das Schweißergebnis. So senkt eine Vorwärmung des Schweißnahtbereiches die Rissanfälligkeit und eine Nachwärmung mindert die Abkühlgeschwindigkeit und somit die Martensitbildung. Neben der induktiven Erwärmung wird der Prozess mit einer oszillierenden Strahlführung durchgeführt, durch die Grobkornbildung im Schweißnahtgefüge vermieden werden soll.

Ergebniszusammenfassung:

Der Einfluss einer prozessintegrierten induktiven Erwärmung sowie oszillierender Strahlführung auf das Schweißergebnis beim Laserstrahlschweißen von ferritischem und perlitischem Gusseisen mit Kugelgraphit wurde untersucht. Anhand der Ergebnisse kann demonstriert werden, dass die Nutzung einer prozessintegrierten induktiven Erwärmung zu einer substantiellen Verminderung der Rissdichte führt. Weiterhin kann durch Nutzung von induktiver Wärmeführung der Anteil von nickelhaltigem Zusatzwerkstoff reduziert werden, der notwendig ist um eine rissfreie Schweißnaht zu erzeugen. Darüber hinaus führt die Anwendung von induktiver Wärmeführung zu einer ausgeprägten Reduktion der Aufhärtung in Schweißnaht und Wärmeeinflusszone, da die vorliegenden ledeburitsch-martensitischen Strukturen infolge der Wärmeeinwirkung vergröbert werden. Durch Einsatz von oszillierender Strahlführung quer und längs zur Vorschubrichtung wird darüber hinaus demonstriert, dass durch Manipulation der Schmelzbadströmung eine direkte Einflussnahme auf die Erstarrungsmorphologie des ledeburitisch-martensitischen Schweißnahtgefüges vorgenommen werden kann und die oszillierende Strahlführung zu einer weiteren Reduktion der Rissdichte führt. Hierbei zeigte sich, dass die verstärkte Wärmeeinwirkung einer Strahloszillation quer zur Vorschubrichtung im Vergleich zur Strahloszillation längs zur Vorschubrichtung die Vergröberung des Gefüges begünstigt und somit eine weitere Reduktion der Schweißnahthärte ermöglicht. Gleichsam ist jedoch zu erwähnen, dass die oszillierende Strahlführung nicht das vollständige Entgasen der Schmelze ermöglicht, wodurch residualer, in Gasphase vorliegender Kohlenstoff im Schmelzbad eingeschlossen wird Die Ergebnisse belegen derart, dass das Laser-Induktionsschweißen mit oszillierender Strahlführung einen erheblichen Beitrag zum prozesssicheren Strahlschweißen von Gusseisenwerkstoffen leistet.