A085

Vergleich unterschiedlicher Verfahrensvarianten des kombinierten Lichtbogen-Laserstrahlschweißens

(A085 S 24/04/94)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 1994 – 30. Juni 1996

Untersuchungen zur Kombination des Laserstrahlschweißens mit konventionellen Schweißverfahren hatten das Ziel, den Anwendungsbereich der Laserstrahltechnik in größere Blechdickenbereiche hinein zu erweitern und ihre Vorteile zu nutzen. Als konventionelle Verfahren wurden das WIG-Schweißen als vor- und nachgelagerter Prozeß, das Plasmaschweißen, das UP-Schweißen, das MIG-Schweißen sowie das MAG-Hochleistungsschweißen HIGH-SPEED mit rotierendem Lichtbogen untersucht.

Beim Laserstrahl-Schweißen mit vor- und nachlaufendem WIG-Lichtbogen konnten Effekte vor allem auf die Nahtform nachgewiesen werden. Aus den hohen Anforderungen, die mit Blechdicken oberhalb von 12 mm verbunden sind, ergeben sich jedoch auch die Grenzen der Verfahrensvarianten. Die Erstarrungsrißbildung bei Verbindungsschweißungen konnte noch nicht befriedigend unterdrückt werden. Die Härte in einem Schiffbaustahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,13 % erreichte weiterhin Maximalwerte von 400 HV. Eine Ursache dafür wird in der für eine Blechdicke von 20 mm relativ geringen Wärmeleistung des Lichtbogens gesehen. Die Methode des Vorwärmens ohne Blechanschmelzungen stellt eine Verfahrensvariante dar, um mit einer größeren Brenneranzahl den nachgewiesenen Trend fortzuführen. Die Verfahrensvariante ist genügend prozeßsicher, um eine industrietaugliche Anlage dafür zu entwerfen.

Für den Einsatz eines Plasmabrenners als Vorwärmquelle wurde die Gasversorgung des Brenners, der Elektrodenabstand, der Düsendurchmesser und der Abstand des Brenners von der Blechoberfläche modifiziert, um die Leistungsdichte im Brennfleck der Vorwärmwirkung anzupassen. Durch ein spezielles CNC-Programm der Handhabungsmaschine wurde der Zündvorgang des Hauptlichtbogens sichergestellt. Dadurch wurde beim Schweißen mit Plasmavorwärmung in Verbindung mit der Brennweite von f=380 mm der erste vollständig rißfreie Röntgenbefund einer Schweißung an 12 mm dickem Baustahl
(L-Qualität) bei einer Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min erreicht. Ohne Vorwärmung konnte bisher mit dieser Brennweite das Ziel nicht erreicht werden. Die Verfahrensvariante des Laserstrahlschweißens mit Plasmavorwärmung steigert im Zusammenwirken mit anderen technologischen Maßnahmen, wie der Wahl der Strahlparameter und der Werkstoffzusammensetzung die Sicherheit gegen Heißrißbildung in Schweißnahtmitte.

Die Kombination der Laserstrahltechnik mit einem nachgelagerten UP-Verfahren bietet eine effiziente Möglichkeit, den schweißbaren Blechdickenbereich zu vergrößern. Die Nahtvorbereitung in Form einer Y-Naht mit einer Steilflankennaht als Steg bietet die Möglichkeit, die Wurzel der Naht mittels Lasertechnik zu schweißen. Durch die Steilflankennahtvorbereitung und dem zugeführten zähen Zusatzwerkstoff wird die Erstarrungsrichtung der Schmelze derart beeinflußt, daß Nahtmittenrisse vermieden werden können. Der verbleibende Restquerschnitt kann im selben Augenblick mittels UP-Technik gefüllt werden. Auf diese Weise ist es gelungen, eine Stumpfnaht mit 20 mm Blechdicke in einem Arbeitsgang mit 100 cm/min zu schweißen. Durch Einsatz der UP-Mehrdrahttechnik kann der schweißbare Blechdickenbereich weiter erhöht werden, die entsprechend zu füllenden Nahtvolumina müssen nur der Schweißgeschwindigkeit des Lasers angepaßt werden.

Bei dem MIG-Verfahren, welches in einem Arbeitsfleck mit dem Laserstrahl arbeitete, konnte eine Erhöhung der Einschweißtiefe und eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit bei Einschweißversuchen festgestellt werden. Um der Gefahr von Erstarrungsrissen in der Schweißnaht wirkungsvoll zu begegnen, mußte jedoch durch entsprechende Wahl der Neigung der Nahtflanken die dendritische Erstarrungsfront so gelenkt werden, daß mit einem zähen Zusatzwerkstoff ein aufreißen der Naht während der Erstarrung verhindert

wird. Der während des Schweißprozesses brennende Lichtbogen zwischen Drahtelektrode und Werkstück beeinflußte jedoch das Plasma des Laserstrahles. Bei steigender Drahtvorschubgeschwindigkeit mußten die Strom- und Spannungwerte des MIG-Prozesses erhöht werden, um genügend Energie zum Abschmelzen des Drahtes zur Verfügung zu stellen. Der dadurch resultierende größere Brennfleck absorbierte Leistung des Laserstrahles, was zu einer Reduzierung der Einschweißtiefe und einer größeren Nahtüberhöhung führte. Hauptursache für den instabilen Schweißprozeß war die fehlende Überwachung der Drahtposition. Bei entsprechender Kontrolle des Drahtes durch geeignete Sensorsysteme kann ebenfalls eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit bzw. eine Erhöhung der Einschweißtiefe erwartet werden.

Die Verfügbarkeit von MSG-Hochleistungsschweißverfahren (T.I.M.E., HIGH-SPEED u.a.) eröffnete die Möglichkeit, ähnlich wie beim UP-Verfahren verbleibendes Nahtvolumen in einem Arbeitsgang mit dem Laser zu schweißen. Das breite Einbrandprofil der typischen Schweißnaht eines rotierenden Lichtbogens verhinderte dabei eine ausreichende Einschweißtiefe, um die dieser Geschwindigkeit angepaßte Nahtform zu füllen. Durch die schnelle Abkühlung der Schmelze konnte das aufgewirbelte Schmelzbad nicht genügend entgasen, so daß Poren in der Schweißnaht auftraten. Allerdings bietet sich dieses Hochleistungsverfahren in Kombination mit dem Laserstrahlschweißverfahren dann an, wenn beide Schweißprozesse getrennt ausgeführt werden.

Forschungsstelle 1:
Zentrum für Qualitätssicherung in Werkstoff- und Schweißtechnik e.V. Rostock

Forschungsleiter 1:
Prof. Dr. E.h. Dr. habil P. Seyffarth
(vorgelegt vom Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V. für Forschungszentrum des Deutschen Schiffbaus)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF