Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verfahren zur Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften laser-hybridgeschweißter dickwandiger Feinkornbaustähle mittels oszillierender Magnetfelder

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die mechanisch-technologischen Eigenschaften von laserhybridgeschweißten dickwandigen hochfesten Stählen durch gezielte Verringerung der Abkühlgeschwindigkeit aufgrund niedriger Schweißgeschwindigkeiten und durch eine homogene Durchmischung des Zusatzwerkstoffes zu verbessern. Eine Verringerung der Schweißgeschwindigkeit führt in der Regel zur Bildung von gravitationsbedingten Austropfen, insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position. Dies kann durch die Verwendung elektromagnetischer Kräfte vermieden werden. Darüber hinaus wird bei Wandstärken über 15 mm eine inhomogene Verteilung der Legierungselemente über die Materialdicke beobachtet, die im Wurzelteil zu verschlechterten mechanischen Eigenschaften führt. Durch die Erzeugung einer rotatorischen Komponente der Lorentzkraft soll die Dynamik der Schmelze beeinflusst und ein elektromagnetischer Rühreffekt erzeugt werden, um eine homogene Verteilung über die gesamte Materialstärke zu erhalten. Dies würde den industriellen Einsatz des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens erheblich erweitern. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung können dickwandige Strukturen einlagig verschweißt werden. Durch die Nutzung des Verfahrenspotenzials, wie die hohe Einschweißtiefe, geringere Wärmebelastung des Grundwerkstoffs und den hohen Automatisierungsgrad, kann die Wettbewerbsfähigkeit von KMU gesteigert werden. Darüber hinaus gibt es für KMUs Einstiegsmöglichkeiten in die neuen Anwendungen mit Blechdicken >15 mm, indem bereits bekannte Probleme beim Laser-Hybrid-Schweißen von dickwandigen Stählen mit oszillierenden Magnetfeldern gelöst werden. Die beabsichtigten Anwendungsbereiche sind branchenübergreifend, wie z. B. Pipeline-, Apparate- und Kranbau. Die System- und Komponentenhersteller im Bereich der Lasertechnologie werden ebenfalls mitwirken, indem sie die technischen Aufgaben lösen und in die neuen Produkte implementieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der Einfluss einer kontaktlosen elektromagnetischen Schmelzbadstütze auf die Schweißnahtqualität und -eigenschaften von laserhybridgeschweißten dickwandigen Stählen untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadstütze die gravitationsbedingte Tropfenbildung an der Schweißnahtwurzel vermieden werden kann. So konnten erstmals bis zu 30 mm dicke Bleche einlagig in PA-Position mit einem 20-kW Faserlaser gefügt werden. Die Nutzung der elektromagnetischen Schmelzbadstütze ermöglicht das Prozessparameterfenster für das einlagige Laserhybridschweißen von Dickblechen deutlich zu erweitern und die Spaltüberbrückbarkeit zu steigern. Zudem konnten die mechanischen Eigenschaften der Laserhybridschweißnaht deutlich verbessert werden, indem gewünschte Abkühlzeiten eingestellt werden konnten. Die Durchmischung des Zusatzwerkstoffes wurde durch die Anwendung von AC-Magnetfeldern eindeutig verbessert, was ebenfalls zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften insbesondere im Wurzelbereich der Schweißnaht führte.

Die möglichen Anwendungsgebiete sind vor allem der Schiffbau, Pipelinebau bzw. Turmbau für Windkraftanlagen. Im Vergleich zu herkömmlichen lichtbogenbasierten Schweißverfahren kann mit dem Einsatz des Laserhybridschweißverfahrens mit elektromagnetischer Schmelzbadstütze die Produktivität durch die Reduzierung der Lagenanzahl beim Fügen von Dickblechen deutlich gesteigert werden, indem die Schweißzeit deutlich reduziert wird. Außerdem können Produktionskosten durch den niedrigeren Verbrauch von Zusatzwerkstoff und Energie sowie durch Verzicht auf zeit- und kostenintensive Nahtvorbereitungen bzw. Spannvorrichtungen reduziert werden. Somit kann die Ressourceneffizienz in der Produktion gesteigert werden.