A139

Pilotstudie zum Einsatz des Laser-Hybridprozesses zum Hochleistungsschweißen von Stahl

(A139 VP 426 SG S 24/01/1999)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 1999 – 30. Juni 2000

Durch die Kombination von Laserstrahlschweißen und Lichtbogenschweißen kann ein Fügeverfahren mit beachtlichen Einsatzmöglichkeiten realisiert werden. Eine sinnvolle Verfahrensvariante ist das CO2-Laser-MSG-Hybridschweißverfahren, dessen Einsetzbarkeit zum Hochleistungsschweißen von unterschiedlichen Stahlsorten ermittelt wurde. Dabei wurden Untersuchungen an einem typischen höherfesten Schiffbaustahl GL-A 36 (AH36, 1.0583), an einem nichtrostenden Stahl X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) und an zwei hochfesten Stählen S700MC (1.8974) und L450MB (X65, 1.8975) vorgenommen.

Um die Systemanforderungen für eine Anwendung in der industriellen Praxis möglichst gering zu halten, wurde die Anzahl der veränderlichen Parameter minimiert. Die Anpassung der Laserleistung erwies sich als unabdingbar, da ohne sie schon bei geringen Spaltbreiten ein Durchfallen der Schmelze auftrat. Um einen konstanten Füllgrad bei veränderlichen Fugengeometrien zu erzeugen, müssen entweder Draht- oder Schweißgeschwindigkeit oder beide angepaßt werden. Im Rahmen dieses Projektes wurde jeweils eine dieser Geschwindigkeiten konstant gehalten. Eine konstante Drahtgeschwindgkeit erwies sich als vorteilhaft hinsichtlich der Spaltenüberbrückbarkeit, weshalb ihr aus prozesstechnischer Sicht der Vorzug gegeben werden sollte. Ebenfalls kann auf diese Weise eine möglichst geringe Wärmeeinbringung ins Werkstück erreicht werden.

Ein Ziel der Untersuchungen war es, die maximal überbrückbare Spaltbreite amax im Stumpfstoß für verschiedene Blechdickenbereiche zu ermitteln. Bei Blechen mit t = 5mm konnte ein Spalt von amax = 2mm überbrückt werden, bei t = 8mm wurde amax = 1,35 mm erreicht und bei t = 12mm wurde amax = 0,7 mm erzielt. Die Schweißungen wurden in Wannenlage (Position PA) ohne Badabstützung vorgenommen.
Ebenfalls wurden Schweißungen in Querlage (Position PC) bei der Blechdicke 20 mm durchgeführt, da bei dieser Blechdicke in Wannenlage auf Grund des relativ großen Schmelzbades mit einem sofortigen Durchsacken der Schmelzen zu rechnen war. Bei diesen Schweißungen konnte ein Spaltmaß amax = 0,7 mm ohne prozesstechnische Probleme überbrückt werden. Dennoch können die Schweißergebnisse bislang noch nicht direkt in die Praxis umgesetzt werden, da die vom Laserstrahlschweißen her bekannten Mittelrippendefekte auch hier lokal gefunden werden.

Im Rahmen dieses Projektes wurden weitere grundlegende Erkenntnisse zum Einsatz des Hybridverfahrens gewonnen. Bis zu einer Blechdicke von 8 mm kann mit einem 6 kW-Laser geschweißt werden. Durch Einsatz der Hybridtechnologie wird der Aufwand zur Fugenvorbereitung sehr gering gehalten, weil ohne ein vorheriges Abtragen der Primer- oder Zunderschicht und ohne eine gesonderte Kantenvorbereitung, wie beispielsweise Über
fräsen der Blechkanten, geschweißt werden kann.

Neben den Untersuchungen im Labor wurde die Anwendbarkeit des Hybridschweißverfahrens unter industriellen Bedingungen an einer realen Fügeaufgabe geprüft und demonstriert.  Auf der Meyer Werft konnten mehrere 10 m lange Bleche mit Dicken von 7,5 mm bis 12 mm mit einer Geschwindigkeit von 2 m/min erfolgreich verschweißt werden.

Das Hauptaugenmerk des Projektes lag  wie erwähnt  beim Hybridschweißverfahren, bei dem der Lasterstrahl mit einem MSG-Lichtbogen gekoppelt wird. Die verfahrenstypischen Vorteile wie Streckenenergieminimierung, hohe Schweißgeschwindigkeit und Spaltüberbrückbarkeit lassen sich durch die Kopplung mit einem weiteren Lichtbogen zum sogenannten Hydra-Schweißverfahren noch verbessern. An dem Schiffbaustahl wurde das Potential dieser Verfahrensvariante aufgezeigt.

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen, welche Möglichkeiten das CO2-Laser-MSG-Hybridschweißen am Stumpfstoß für die industrielle Fertigung von Stahlbauteilen bietet. Die Einführung des Verfahrens in der industriellen Anwendung wird dadurch deutlich vereinfacht.

Forschungsstelle 1:
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen
www.isf-aachen.de
 
Forschungsleiter 1:
-
(vorgelegt vom Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V. (VSM)

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