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

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4. Kolloquium Laserstrahlhandbearbeitung, Halle, 24.11.2004; Beitrag der SLV M-V 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-
4. Kolloquium Laserstrahlhandbearbeitung, Halle, 24.11.2004; Beitrag der SLV M-V 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
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