Laser- MSG- Hybridschweißen mit einem ... - SLV Rostock

4. Kolloquium Laserstrahlhandbearbeitung, Halle, 24.11.2004; Beitrag der SLV M-V
Laser- MSG- Hybridschweißen mit einem Schweißtraktor – erste
Erfahrungen und Ergebnisse
Dipl.-Ing. André Sumpf, Dipl.-Ing. Ulf Jasnau, Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Seyffarth; Rostock
1 Einleitung
Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes
„DOCKLASER“ werden dem Festkörperlaser
Anwendungsmöglichkeiten unter den rauen Bedingungen
der Schiffsmontage erschlossen. Die Bearbeitung der
schiffstypischen Blechdicken ist durch die rasch
fortschreitende Entwicklung der Festkörperlaser im
Hochleistungsbereich möglich geworden. Dabei geht es
vor allem darum, die hohe Flexibilität der
Laserstrahlübertragung auszunutzen und den
Laserprozess mit seinen Vorteilen durch die Bereitstellung
mobiler und modularer Arbeitsgeräte in vorhandene
Arbeitsstationen zu integrieren. Um dabei dem Prinzip,
den Prozess zum Werkstück zu bringen, wirklich gerecht
werden zu können, muss eine mobile Basisstation mit
Laserquelle und notwendigen Kühlaggregaten zur
Verfügung stehen, die je nach gewünschtem
Anwendungsfall mit geringstem Aufwand in die jeweilige
Arbeitsstation transportiert werden kann. Die
Anwendungsfälle variieren dabei vom manuell geführten
Laserstrahlschweiß- und -schneidkopf für die
Schiffsausrüstung über ein manuell zu positionierendes
automatisches Laserstrahl-Heftschweißgerät für Stumpf-
und T-Stöße in der Vormontage zum Schweißtraktor für
das Laserstrahl- MSG- Hybridschweißen langer
geradliniger Schweißnähte.
Einerseits soll der Einsatz des Lasers im Bereich der
Schiffsmontage eine Erhöhung der Effektivität der
Produktion, eine gesteigerte Qualität und ein besseres
Erscheinungsbild des Produktes durch reduzierte
Deformationen und Oberflächenbeschädigungen sowie
komfortablere Arbeitsbedingungen für die Bediener durch
Reduzierung der Emission von Rauch, Gasen, Wärme
und UV- Strahlung ermöglichen. Andererseits soll durch
das mobile Konzept eine Reduzierung der Kosten
gegenüber stationären Lasersystemen erreicht werden,
da die Anschaffungskosten für die Laserquellen der
hauptsächliche Hinderungsgrund für den Einzug des
Laserprozesses in die schiffbauliche Produktion ist.
Innerhalb des „DOCKLASER“- Konsortiums, welches sich
aus 12 Mitgliedern aus 5 Ländern der Europäischen
Union und aus Norwegen zusammensetzt, arbeiten zwei
Werften als Endanwender, vier schweißtechnische
Forschungs- und Entwicklungsunternehmen, drei
Gerätehersteller, eine Klassifizierungsgesellschaft und
zwei projektkoordinierende Unternehmen.
Die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt
Mecklenburg-Vorpommern GmbH bearbeitet innerhalb
des Projektes vor allem die Prozessentwicklung des
traktorgeführten Laserstrahl- MSG-
Hybridschweißprozesses von der Laborphase bis zum
zertifizierten Schweißprozess auf der jeweiligen Werft.
2 Aufgabenstellung
In der ersten Phase des Projektes wurden seitens der
Werften die jeweilig zu realisierenden Prozesse mit ihren
Randbedingungen formuliert. Dabei wurden drei
Anwendungen für das Traktorgeführte Laserstrahl- MSG-
Hybridschweißen langer Nähte benannt:
das Schweißen von
• T- Stößen an Versteifungen und zur Produktion
von T- Trägern
• Konventionellen Stumpfstößen in der
Schiffspaneelfertigung
• Stumpfstößen an sogenannten
Sandwichstrukturen
2.1 T- Stöße an Versteifungen und T- Trägern
In Abbildung 1 sind die typischen schiffbaulichen
Anwendungen für das traktorgeführte Schweißen am T-
Stoß dargestellt.
Abbildung 1: Typische Anwendungen von T- Stößen
Die zu schweißenden T- Profile und Decks bestehen
normalerweise aus Schiffbaustahl der Klassifikation A, zu

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10 % auch aus A36. Die Dicke der anzuschließenden
Stege liegt im Bereich 4..15 mm. Die auf dem Gurtblech
(Deck) aufgebrachte Primerschicht wird dabei im
Schweißbereich entweder belassen oder entfernt, der
Steg ist geprimert und plasmageschnitten oder im Falle
der Hollandprofile in Walzzustand und an der
Aufsatzkante sandgestrahlt. Mit dem derzeit
angewendeten konventionellen MSG- Schweißen werden
Schweißgeschwindigkeiten von 0,6..0,8 m/min bei einem
Energieeintrag von 8..15 kJ/cm realisiert.
2.2 Konventionelle Stumpfstöße
Abbildung 2 zeigt einen einseitig UP- geschweißten
Stumpfstoß in der Paneelfertigung. Deutlich sichtbar sind
die durch die eingebrachte Wärme hervorgerufenen
Verformungen.
Abbildung 2: UP- geschweißter Stumpfstoß
Die zu verschweißende Blechdicke beträgt 4..10 mm, zur
Anwendung kommt ausschließlich Schiffbaustahl Grad A.
Die Platten sind geprimert, die Kanten plasmageschnitten.
Derzeit wird das Unterpulverschweißen einseitig und
zweiseitig angewendet. Die Toleranz des plasmaschnittes
liegt bei 1 mm. Je nach angewendetem UP- Verfahren
liegt die Schweißgeschwindigkeit zwischen 0,36..0,6
m/min und die eingebrachte Schweißenergie bei 20..51,5
kJ/cm.
2.3 Stumpfstöße an Sandwichpaneelen
Die als Sandwich- Paneele bezeichneten schiffbaulichen
Strukturen sind in Abbildung 3 dargestellt.
Die Sandwich- Paneele bestehen überwiegend aus dem
Material QStE 380 TM, die als Badstütze und Versteifung
verwendeten Vierkantrohre bestehen aus St 37-0. Die zu
verschweißenden Blechdicken variieren im Bereich 1,5..5
mm, wobei bei 5 mm Blechdicke Schiffbaustahl Grad A
zur Anwendung kommt. Die Rohrwandstärke beträgt 2..5
mm.
Die Sandwich- Paneele haben lasergeschnittenen Kanten
und sind nicht mit einem Primer beschichtet. Der Spalt
zwischen den zu verbindenden Blechen beträgt maximal
2 mm. Die vollständige Anbindung des Vierkantrohres ist
für die Funktionalität und Bewertung der Schweißnaht
nicht notwendig und abhängig von dem zwischen
Oberblech und Vierkantrohr bestehenden Spalt.
Derzeit werden die Sandwich- Paneele untereinander
mittels konventionellem MSG- Schweißprozess
verbunden.
Abbildung 3: Stumpfstöße an Sandwich- Paneelen
3 Erfahrungen und Ergebnisse aus der ersten
Projektphase
3.1 Ausrüstung für das traktorgeführte
Laserstrahl- MSG- Hybridschweißen
Für alle oben aufgeführten Anwendungen wird die gleiche
Ausrüstung verwendet. Lediglich die Laserstrahloptik ist
von T- Stoß zu Stumpfstoß zu wechseln (Abbildungen 5
und 6). Als Laserquelle dient ein Trumpf Nd:YAG- Laser
HL 4006D, welcher zusammen mit den Kühlaggregaten in
einen 40 Fuß Container untergebracht ist (Abbildung 4).
Abbildung 4: Container mit Laserquelle,
Schweißtraktor und Schweißprozesssteuerung,
Eine Standardstromquelle TPS 9000 von Fronius wird für
den MSG- Schweißprozess verwendet. Der eingesetzte
Schweißtraktor ist eine speziell für „DOCKLASER“
entwickelte Konstruktion von Fronius. Ein Drei- Linien-
Lasersensor von META dient der Nahtnachführung bei
horizontaler und vertikaler Abweichung und in der

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Stumpfstoßanwendung zusätzlich der Erfassung von
Spaltbreite und Versatz. Anhand dieser Parameter soll
nach erfolgter Testphase und der Ermittlung der
erforderlichen Parameter auf den Werften die Regelung
der Schweißparameter gemäß der erfassten
Schweißspaltgeometrie erfolgen. Die Prozesssteuerung
erfolgt über einen FPA 2003 Manager von Fronius, dieser
übernimmt sowohl die Ansteuerung des Lasers als auch
der Stromquelle und des Lasersensors. Die
Programmierung des Prozesses und der
Traktorbewegung erfolgt über eine einfach zu bedienende
Fernsteuerung.
Kreuzsupport
Lasersensor
110° Optik
Abbildung 5: Lasersensor mit T-Stoß- Optik
Der Lasersensor ist ausgerüstet mit einer „Look-ahead“
Funktion, es zeigte sich jedoch, dass bei ihrer Aktivierung
die Nahtnachführung wesentlich schlechter ausfiel. Der
Grund hierfür ist in der Traktoranwendung an sich zu
finden. Der Sensor befindet sich in einem bestimmten
Abstand zum Prozess. Dieser beträgt am T- Stoß ca. 55
mm, am Stumpfstoß sogar mehr als 150 mm. Da der
Traktor das zu schweißende Blech als Fahrbahn nutzt,
bewegt er sich auch bei jeder Unebenheit mit und
verursacht dadurch leichte räumliche Verschiebungen,
welches bei Portalanlagen nicht auftreten kann. Diese
Winkelverschiebungen vervielfachen sich mit steigendem
Abstand zwischen Lasersensor und Prozess in ihrer
Größe, d.h. dass die relative Position des Traktors zum
Stoß an der Schweißstelle von der vorher gemessenen
Position um Millimeter abweichen kann. Bei einem
sensiblen Schweißprozess wie dem Laserstrahl- MSG-
Hybridschweißen führt das unweigerlich zu Unregelmäs-
Stumpfnaht
optik
MSG-
Brenner
Lasersensor
Abbildung 6: Traktor mit Stumpfstoß- Optik
sigkeiten, vor allem Bindefehler und Einbrandkerben. Für
die Anwendung des Schweißtraktors ist also eine ebene
und steife Fahrbahn zu gewährleisten, um eine sichere
Nahtnachführung nach Höhe und Seite zu erzielen.
Während der ersten Versuche zeigte sich, dass die
Standzeit des Schutzglases für die Optiken trotz
eingesetzter Querluftstromdüse sehr gering ausfiel. Es
musste eine weitere Querluftstromdüse angebracht
werden.
Insgesamt leistete das System bisher sehr gute Arbeit
und ist auch robust genug, sich im Einsatz auf einer Werft
zu behaupten. Zur Zeit befindet sich die Ausrüstung im
Testeinsatz bei IZAR Construcciones Navales Puerto
Real, Spanien (Abbildung 7).
Abbildung 7: Schweißtraktor im Testeinsatz auf einer
spanischen Werft
3.2 Schweißen von T-Stößen
Gemäß den Vorgaben von Seiten der im Projekt
involvierten Werften wurden erste Tests durchgeführt, um
den Einfluss der Primerbeschichtung auf Schweißprozess
und das -ergebnis festzustellen. Die untersuchten Primer
sollten nach Herstellerangaben ohne Einschränkungen
überschweißbar sein. Aus den Tests ergab sich, dass bei
im Schweißspalt vorhandener Primerschicht große
Probleme mit Poren auftraten. Insbesondere im Falle des
beidseitigen Steganschlusses werden große Teile des bei
der Verbrennung des Primers entstehenden Gases
innerhalb der Naht eingeschlossen und verursachen
große Hohlräume (Abbildung 8). Die Ursache liegt dabei
in der schnellen Erstarrung des Schmelzbades aufgrund
der hohen Schweißgeschwindigkeit und des geringen
Abbildung 8: Gaseinschlüsse an einem T- Stoß,
hervorgerufen durch Primerbeschichtung im
Schweißspalt

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Wärmeeintrages des Laserstrahl- MSG-
Hybridschweißens. Die Porenhäufigkeit ließ sich durch
den Einsatz von Massivdraht verringern, porenfreies
Schweißen war jedoch nur möglich, wenn die
Primerschicht des Gurtbleches im Schweißbereich
entfernt wurde. Demgegenüber zeigte das Vorhandensein
von Primer an den Flanken des Steges keinen negativen
Einfluss auf das Schweißergebnis. Sowohl mit balliger
Stegkante als auch mit Plasmageschnittener Stegkante
konnten gute Schweißresultate erzielt werden. Das beste
Einbrandprofil und die geringste Porenanfälligkeit wurde
mit dem Einsatz von Massivdraht DIN EN 440 G3Si1
erreicht. Profile mit einer Materialdicke von 5 mm wurden
einseitig mit einer Laserleistung von 4 kW, 12 m/min
Drahtfördergeschwindigkeit (Drahtdurchmesser 1,2 mm)
bei einer Schweißgeschwindigkeit von 1,5 m/min voll an
das Gurtblech angeschlossen (Abbildung 9). Die
Streckenenergie betrug 4,7 kJ/cm. Diese
Abbildung 9: Vorderseite (oben) und Rückseite eines
einseitig vollangeschlossenen 5 mm Flachprofils
(Prüfstück)
Parameter stützten sich auf eine statistische
Versuchsplanung und eine mittels eines
Statistikprogramms erfolgte Parameteroptimierung.
Abbildung 10 zeigt einen Makroschliff eines 5 mm
Profilanschlusses.
Abbildung 10: Makroschliff 5 mm Vollanschluss,
einseitig geschweißt
Um einen sicheren Vollanschluss bei der verfügbaren
Laserleistung zu gewährleisten, mussten Stegdicken ab 6
mm zweiseitig verschweißt werden. Nach den erfolgten
statistischen Versuchen und darauf aufbauender
Parameteroptimierung wurden 10 mm dicke Profile mit
nacheinander erfolgten Schweißungen beidseitig
vollständig an die Gurtplatte angeschlossen. Die dabei
verwendeten
aufgeführt.
Schweißparameter sind in Tabelle 1
Tabelle 1: Schweißparameter für beidseitigen
Vollanschluß bei 10 mm Stegdicke
Naht Schweißge- Drahtgesch Laserleis Strecken
schwindigkeit windigkeit tung energie
1 1,5 m/min 12 m/min 4 kW 4,8
kJ/cm
2 1,0 m/min 8 m/min 3,5 kW 5,5
kJ/cm
Abbildung 11 zeigt einen 10 mm Laserstrahl- MSG-
Hybridgeschweißten 10 mm Vollanschluß im Makroschliff.
Abbildung 11: Makroschliff eines vollverschweißten
10 mm Steges
Da mit dem Lasersensor am T- Stoß keine Spalte
gemessen werden können und demzufolge auch keine
Parameteranpassung während des Schweißvorganges
erfolgen kann, muss der Spalt über die gesamte
Nahtlänge im Bereich von 0 bis maximal 0,5 mm
gewährleistet werden. Für den Werfteinsatz bedeutet dies
eine qualitativ einwandfreie Schweißnahtvorbereitung
(Plasmaschnitt) und den Einsatz von Spannvorrichtungen
Abbildung 12: Hydraulische Spannvorrichtung
zum Heften der Profile (Abbildung 12). Diese dürfen nur
mittels Laserstrahl geheftet werden, da der Laserstrahl-

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MSG- Hybridprozess nur diese Heftstellen fehlerlos
aufschmelzen kann. Das Heften kann hierbei ebenfalls mit
dem Traktor erfolgen oder mit einem speziellen
Laserheftschweißgerät (Abbildung 13).
Abbildung 13: Manuell zu positionierendes Laser-
Heftschweißgerät für T- und Stumpfstöße
Für Dauerschwingversuche wurden 1 m lange Prüfstücke
mit traktorgeschweißten 5 und 10 mm T- Stößen
hergestellt. Diese Versuche finden derzeit bei Det Norske
Veritas in Norwegen mit dem Ziel der Zulassung des
Verfahrens für den Werfteinsatz statt.
3.3 Schweißen konventioneller Stumpfstöße
Gemäß den Anforderungen der Werften wurden
Einseiten- Stumpfstoßschweißungen an geprimerten,
plasmageschnittenen Blechen vorgenommen. Dabei
zeigte sich kein negativer Einfluss des an den
Schnittkanten verbleibenden Primers auf das
Schweißergebnis. Die durch den Plasmaschnitt
hervorgerufene V-Fuge ermöglichte einen tiefen Einbrand
des Prozesses, erforderte aber gleichzeitig auch den
Einsatz von Zusatzdraht mit einem Durchmesser von 1,6
mm, um das Fugenvolumen bei den angestrebten
Schweißgeschwindigkeiten zu füllen. Grundsätzlich sollte
der Wurzelspalt 1 mm nicht überschreiten, um ein
gleichmäßiges Nahtaussehen zu gewährleisten und vor
allem den Eintrag an Zusatzwerkstoff und damit
Schweißenergie auf einem niedrigen Niveau zu halten.
Die verschweißten Bleche mit einer maximalen
Schweißnahtlänge von 2 m zeigten dabei kaum
Verformungen, wie man sie beispielsweise vom UP-
Schweißen kennt. Zur Durchführung von
Dauerschwingversuchen bei DNV wurden
plasmageschnittene Bleche mit einer Dicke von 7 mm
stumpf verschweißt (Abbildung 14). Dabei betrug der
Wurzelspalt 0..0,3 mm, die Schweißgeschwindigkeit 1,4
m/min und die Drahtfördergeschwindigkeit 8,5 m/min. Die
erforderliche Laserleistung betrug 3,5 kW. Mit diesen
Parametern betrug die eingebrachte Streckenenergie 6,3
kJ/cm und war somit um das Vierfache geringer als bei
dem derzeit angewendeten UP- Schweißverfahren.
Grundsätzliche Anforderungen für die Erzeugung
fehlerfreier Laserstrahl- hybrid- Nähte an Stumpfstößen
mit plasmageschnittenen Kanten sind fehlerfreie
Plasmaschnitte, eine gute Positionierung der Bleche
zueinander, ein maximaler Wurzelspalt von 1 mm und die
Verwendung lasergeschweißter Heftstellen. Die zu
verschweißenden Bleche sollten keine Beulen und Dellen
aufweisen, da sie als Fahrbahn für den Traktor dienen.
Bei der Stumpfstoßanwendung kann durch den
Lasersensor die Spaltweite und der Kantenversatz erfasst
werden, so dass eine Parameteranpassung während des
Schweißprozesses möglich ist.
Mit der verfügbaren Laserleistung von maximal 4 kW
konnten bei 1,0 m/min Schweißgeschwindigkeit mit der
DOCKLASER- Ausrüstung 9 mm dicke Bleche gut
miteinander verschweißt werden. Die eingebrachte
Streckenenergie lag hierbei bei 6,5 kJ/cm. Als oberer
Grenzwert scheint die Dicke von 10 mm realisierbar.
Abbildung 14: Laserstrahl- MSG- Hybridgeschweißter
Stumpfstoß 7 mm, 1 m Länge, wurzelseitige
Aufnahme
3.4 Schweißen von Stumpfstößen an
Sandwichpaneelen
Aufgrund der Eigenheiten der vorgesehenen Stoßart ist
diese Anwendung besonders für den Schweißtraktor
geeignet, da die Sandwichpaneele eine sehr ebene
Fahrbahn bilden, die lasergeschnittenen Blechkanten eine
hohe Schnittqualität aufweisen und das eingefügte
Rechteckrohr dem Prozess eine gute Badstütze bietet. So
können auch Spalte bis zu 3 mm ohne Probleme
überschweißt werden. Aufgrund des dazu notwendigen
Materialeintrags und der damit verbundenen hohen
Streckenenergie sollten diesen Spaltbreiten jedoch
vermieden werden, zumal auch ein Spalt von 0 mm an
der maximalen Blechdicke von 5 mm ohne Probleme mit
der verfügbaren Laserleistung verschweißt werden kann.
Abbildung 15 zeigt einen Makroschliff einer
Sandwichstruktur mit 3 mm Deckblechdicke, geschweißt
am Nullspalt mit 3 kW Laserleistung, 8 m/min
Drahtgeschwindigkeit (Drahtdurchmesser 1,2 mm) bei
einer Schweißgeschwindigkeit von 2 m/min. Die
Deckblechdicke 5 mm wurde mit 1,5 m/min
Schweißgeschwindigkeit und ansonsten gleichen
Parametern geschweißt. Aufgrund der späteren

4. Kolloquium Laserstrahlhandbearbeitung, Halle, 24.11.2004; Beitrag der SLV M-V
Einsatzbedingungen sind für die Zulassung des
Verfahrens keine Dauerschwingversuche notwendig.
Abbildung 15: Makroschliff an einem Sandwichstoß
mit 3 (oben) bzw. 5 mm Deckblechdicke
4 Zusammenfassung und Ausblick
Das im „DOCKLASER“- Projekt entwickelte Equipment
hat im Laborbetrieb gute Resultate erzielt und muss sich
derzeit im Werfteinsatz bewähren. Dabei konnte den
anfänglich formulierten Werftanforderungen entsprochen
werden, bis auf die Einschränkung, dass die
Primerbeschichtung des Gurtes bei T- Stößen entfernt
werden muss.
Der derzeitige Test unter Werftbedingungen in Spanien
soll die Einsatzfähigkeit des Systems im
Produktionsprozess nachweisen, Daten zur
Implementierung der Schweißparameterregelung für das
Stumpfnahtschweißen erbringen und
Verbesserungsmöglichkeiten zur Bedienbarkeit und
Prozesssicherheit aufzeigen. Nach dem fünfmonatigen
Testbetrieb in Spanien wird die Ausrüstung zum weiteren
Test zur J.L. Meyer Werft Papenburg verbracht. Dort wird
vor allem das Schweißen am Sandwichstoß und die
Erarbeitung der dafür notwendigen
Schweißparameterregelung im Vordergrund stehen.
Das Endziel des Projektes ist ein für die jeweiligen
Anwendungen zugelassenes Verfahren und der dafür
notwendigen Anlagentechnik unter besonderer
Berücksichtigung der Anforderungen an die
Lasersicherheit.