Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserung der Nahteigenschaften von Laserschweißverbindungen an dickwandigen Strukturen mittels laseraufgetragenen Pufferschichten

Der Laser als Fügewerkzeug hat sich in verschiedenen Bereichen der schweißtechnischen Anwendungen bereits etabliert. Insbesondere bei einer automatisierten Fertigung von Komponenten, wie z.B. in der Autoindustrie oder im Schiffbau und in vielen produzierenden Job-shop Betrieben. Der Einsatz begrenzt sich bisher auf Zielblechdickenbereich von max. 15 mm. Eine der wichtigsten Gründe ist, dass für viele Werkstoffgruppen, die eine Anwendung von Zusatzwerkstoffe erfordern, der Transport des Zusatzwerkstoffes in den Wurzelbereich einer Laserschweißnaht mit einem hohen Tiefe-zu-Breite Verhältnis stark eingeschränkt ist. Über die Variation der chemischen Zusammensetzung von aufgetragenen Pufferschichten beim Laserpulverauftragschweißen kann die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Schweißnahtgefüges für verschiedene Grundwerkstoffen signifikant beeinflusst werden. Durch eine Kombination von diesen zwei bereits in der industriellen Praxis breit eingesetzten Verfahren in einem zweistufigen Fertigungsprozess kann eine homogene Verteilung des Zusatzwerkstoffes über die Blechdicke erreicht werden und damit die Verfahrensgrenze für die Anwendung des Laserstrahlschweißverfahrens für Dickblechschweißen deutlich erweitert werden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll anhand von Beispielen aus der Praxis untersucht werden, wie werkstoffabhängig verschiedene metallurgische Ansätze verfolgt werden können, um die notwendige Zusammensetzung des Schweißgutes zu erreichen. Des Weiteren sollen die Vorteile des neuen Verfahrens in technisch realisierbaren und wirtschaftlich interessanten Lösungen umgesetzt werden und einer Verbesserung der Nahtqualität der Schweißverbindungen beitragen. Die angestrebte Verfahrenskombination wird auf Interesse seitens KMUs aus dem Bereich Laserlohnfertigung stoßen, da sie mit der Gewinnung von neuen Kompetenzen ein viel breiteres Spektrum an Produkten und Dienstleistungen anbieten können.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination der beiden Verfahren des Laser Pulver Auftragschweißens und des Laserstrahlschweißens Vorteile gegenüber dem Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff bringt. Sie ermöglicht es, schwierig zu schweißende Legierungen bzw. Werkstoffkombinationen einlagig mittels Laserstrahl zu verschweißen. Die beschichteten Kanten erfüllen die Anforderungen an die Kantenvorbereitung für das Laserstrahlschweißen und im Falle einer Nichterfüllung dieser Kriterien kann auf Hilfsmaßnahmen wie einer durchgehenden Heftnaht bzw. einer keramischen oder elektromagnetischen Badstütze gegriffen werden.

Für die Duplex-Stähle konnte gezeigt werden, dass das Zulegieren von Nickel in den Beschichtungswerkstoff sowie eine gezielte Einstellung der Beschichtungs- und Schweißparameter die Erzeugung von defektfreien Schweißnähten ermöglicht, die ein homogenes Duplexgefüge entlang der gesamten Nahttiefe aufweisen. Die Übertragbarkeit auf andere Stoßkonfigurationen wurde anhand des Eckstoßes sowohl für kurze 300 mm lange Bleche als auch für höhere Blechlängen gezeigt. Anhand von einlagigen Laserstrahlschweißungen an 30 mm starken Blechen wurde die Machbarkeit des Verfahrens auf andere Blechstärken übertragen. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung konnten auch diese Schweißungen erfolgreich abgeschlossen werden.

Um möglichst günstige Bedingungen für eine wirtschaftliche Übertragbarkeit in die Industrie zu schaffen, wurden zudem auch Untersuchungen durchgeführt, die eine schnellere und damit auch kostengünstigere Beschichtung ermöglichen. Neben dem thermischen Spritzen mit HVOF, wurde das Hochgeschwindigkeitslaserbeschichten untersucht, welches sich im Besonderen für die gestellte Aufgabe eignet. Mit diesem Verfahren können vor allem bei hohen Blechlängen, schnell sehr ebene Beschichtungen erzeugt werden, die eine gute Basis für den nachfolgenden Schweißprozess darstellen.