Anforderungen an Drahtvorschub- Systeme für das ... - Laser Magazin

PRAXIS APPLICATION
Anforderungen an Drahtvorschub-
Systeme für das Laserstrahl-Schweißen
Der zivile Flugzeugbau muss seine Produkte ständig weiter entwickeln, um
den wachsenden Forderungen der Airlines nach Leistungssteigerungen auf
der einen und Kostensenkung auf der anderen Seite gerecht zu werden [1].
Besondere Bedeutung kommt der Gewichtsreduzierung durch Verwendung
von Leichtmetallen zu. Neben neuen Konstruktionsprinzipien sind entsprechende
Fertigungsverfahren zu entwickeln, die adäquate Fügetechniken einschließen
[2].
Hierbei stellt der Laserstrahl ein prädestiniertes
Schweißwerkzeug dar, das
sich durch eine hohe Energiedichte
bei hohen Prozessgeschwindigkeiten
auszeichnet. Die Energieeinbringung
erfolgt konzentriert und örtlich präzise,
so dass ein stoffschlüssiges Verbinden
der Nahtfl anken bei sehr geringem Verzug
ohne Kaltstartprobleme möglich
ist [2, 3]. Derartig geschweißte integrale
Strukturen weisen zudem in Bezug
auf Korrosionsbeständigkeit Vorteile
ge genüber der Nietbauweise auf, da
keine Spalten entstehen [1].
Hinsichtlich der schweißtechnischen
Verarbeitung von Aluminiumlegierungen
treten jedoch spezifi sche Probleme
auf, denen ausreichend Rechnung
zu tragen ist. In erster Linie sind
hierbei die hohe Wärmeleitfähigkeit,
der hohe Wärmeausdehnungskoeffi -
zient und die niedrige Viskosität der
Schmelze zu nennen. Der Schweißprozess
neigt in hohem Maße zu Instabilitäten
und führt zu Nahtimperfektionen.
Aus technologischer Sicht kommen die
Heißrissempfi ndlichkeit einiger Legierungen,
die Neigung zur Porenbildung
und natürlich die Oxidschicht hinzu [2,
3]. Daher müssen beim Laserschweißen
Modifi kationen und Parametervariationen
vorgenommen werden.
Eine Möglichkeit bildet das Laserstrahl-
Schweißen mit externer Drahtzufuhr.
Es setzt eine exakte Positionierung
sowohl des Laserstrahls als auch des
Zusatzdrahtes voraus. Defi niert wird
sie über den Schnittpunkt der jeweiligen
Mittelachse mit der Grundwerk-
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stoffoberfl äche. Zusätzlich hat der
Drahtzuführwinkel einen erheblichen
Einfl uss auf das Schweißergebnis [4].
Diese extrem hohen Genauigkeiten
müssen selbstverständlich auch bei
hohen Schweißgeschwindigkeiten und
hohen Drahtvorschubgeschwindigkeiten
gewährleistet sein.
Integriert im Laserbearbeitungskopf
sind ein kompaktes und schlankes
Design der Drahtvorschubeinheit so -
wie eine geringe Eigenmasse, Basis für
eine unkomplizierte Einbindung in ein
Gesamtkonzept. Der Aufbau des Drahtvorschub-Systems
ist modular, so dass
� Vergleich von Nietbauweise und Laserstrahl-Schweißen [1]
der Zusatzdraht in Abhängigkeit von
der Anwendung mit einer oder mit
mehreren Antriebseinheiten gefördert
werden kann. Im Regelfall werden
Zusatzdrähte der Durchmesser 0,8 –
1,6 mm von den Anbietern auf Spulen
mit einem Durchmesser von 300 mm
angeboten, aber auch größere Durchmesser
oder Faßgebinde sind durchaus
gängig. Da eine direkte Anbindung
des Zusatzwerkstoffspeichers in der
unmittelbaren Umgebung der Laseroptik
aus Größen- und Gewichtsgründen
nur selten möglich ist, muss der Zusatzdraht
über längere Distanzen zur Fügestelle
transportiert werden. Daher wird
meistens ein System mit zwei Antriebseinheiten
gewählt.
Bei diesem Drahtvorschub-System
regelt der vordere, der Laseroptik zugeordnete
Antrieb die eingestellte Drahtvorschubgeschwindigkeit
und der hintere
Antrieb am Zusatzwerkstoff-Speicher
versorgt diesen ausreichend mit
Zusatzdraht. Diese regelungstechnisch
komplett entkoppelte Arbeitsweise bei
den Antrieben wird als PUSH-PUSH-
Betrieb bezeichnet.
Vorteil dieses Systems: Dem vorderen
Antrieb steht der Zusatzdraht kraftneutral
zur Verfügung, so dass er ausschließlich
die Drahtvorschubgeschwindigkeit
für den Schweißprozess

egelt. Während dessen hat der hintere,
momentgeregelte Antrieb die Aufgabe,
den Zusatzdraht in ausreichender
Menge nach vorne zu schieben. Das
maximale Drehmoment ist in Abhängigkeit
vom verwendeten Drahtwerkstoff,
Drahtdurchmesser und der zu
überwindenden Distanz einstellbar.
Mit der Begrenzung des vom
Motor abgegebenen Drehmoments
wird so über die Antriebsrollen
die Vorschubkraft limitiert.
Der vordere, drehzahlgeregelte
Antrieb entnimmt
dem verbindenden Drahtförderschlauch
exakt die Menge
Zusatzdraht, die für den Prozess
benötigt wird. Es stellt sich eine
konstante Drahtförderung ein,
die unabhängig von Torsion und
Biegung der Garnitur zwischen
den beiden Antriebsmodulen
jederzeit reproduzierbar ist.
Sehr geringe Reibungskräfte sorgen
dafür, dass nur kleine Vorschubkräfte
aufgewendet werden
müssen. Außerdem kann
man die Anpresskräfte der
Antriebseinheiten auf den Zu -
satzdraht so klein halten, dass
er keiner Deformation unter liegt.
Daher kann der vordere Antrieb
klein und leicht ausgelegt werden.
So wird die Zugänglichkeit
zum Bauteil nicht beeinträchtigt.
Besonders bei dünnen und weichen
Drähten, wie sie im Luft- und
Raumfahrzeugbau verwendet werden,
ist die Baugröße des vorderen Antriebs
signifi kant, da der Abstand vom Antrieb
zur Fügestelle so gering wie möglich zu
wählen ist, um die stabile Drahtförderung
nicht zu beeinfl ussen. Komplettiert
wird das Drahtvorschub-System
durch speicherprogrammierbare Steuerungsmodule,
die optimal auf Bedienung
und Prozessüberwachung des
Laserstrahl-Schweißens abgestimmt
sind.
Laser-Kaltdraht- und Laser-
Heißdraht-Technologie
Es gibt mehrere Varianten, den Zusatzdraht
dem Schmelzbad zuzuführen.
Die häufi gste Anwendung fi ndet heute
in Form von Kaltdraht statt.
Bei bestimmten Alumniumwerkstoffen
kann es zur Bildung von Heißrissen in
der Abkühlphase kommen. Verantwortlich
hierfür ist die mit fallender Temperatur
auftretende Schrumpfung der
Schmelze. Durch den Zusatzwerkstoff
Foto: Dinse G.m.b.H.
� Dinse Drahtvorschub-System komplett mit zwei An -
triebseinheiten (PUSH-PUSH-Betrieb)
wird die Legierungszusammensetzung
im Schweißnahtgefüge gezielt verändert
und somit dieser Effekt kompensiert
[5, 6, 7]. Der Pistolenkopf zum
Laser-Kaltdraht-Schweißen lässt sich
über seine standardisierte Schnittstelle
einfach und schnell an den vorderen
Antrieb koppeln. Trotz der schlanken
Bauweise ist eine Flüssigkühlung integriert.
Das Schutzgas wird koaxial
geführt und tritt konzentrisch um die
Drahtführungsspitze aus. Zusätzliche
Zuführungen sind verzichtbar. Eine
Einstelllehre erlaubt jederzeit die Überprüfung
des Pistolenkopfes auf die
Zustellgenauigkeit des Zusatzdrahtes
zum Fokus des Laserstrahls.
Aufbauend auf den Erfahrungen der
PRAXIS APPLICATION
Laser-Kaltdraht-Technologie hat sich
eine Verfahrensvariante entwickelt, bei
der über den Zusatzwerkstoff Strom
vor der Dampfkapillare in den Grundwerkstoff
geleitet wird [2]. Ziel ist eine
weitere Erhöhung der Prozessstabilität
und die Beeinfl ussung der Nahtformung
durch die Wirkung elektromagnetischer
Volumenkräfte. Die
Magnetfelder entstehen in Selbstinduktion
durch den im Schmelzbad
fl ießenden Strom [2].
Vorteil dieser Methode: Es tritt
keine thermische Belastung durch
eine zusätzliche Energiequelle auf.
Es ergibt sich eine Stromdichteverteilung,
die mit dem selbstinduzierten
Magnetfeld zu einer
resultierenden Kraftwirkung von
links oben nach rechts unten
führt. Die Schmelze wird in die
Tiefe gelenkt und es entsteht eine
sehr viel tiefere und schlankere
Naht. Außerdem lässt sich der
Prozess mit Abstandsvariationen
der Stromeinleitung steuern. Je
geringer der Abstand, desto höher
sind die Stromdichte und das
wirkende Magnetfeld, d. h. um so
weniger Stromstärke wird benötigt,
um das Durchschweißen zu
realisieren. Die Nutzung eigenmagnetischer
Kräfte ist somit eine
effi ziente Methode zur Nahtformgestaltung
[2].
Der direkte Einfl uss der elektromagnetischen
Kräfte auf die Schmelzbaddynamik
und die sich daraus
ergebenen Veränderungen bei Porenbildung
und Nahtqualität konnten
dokumentiert werden. Externer Stromfl
uss und Magnetfeldorientierung wurden
so gewählt, dass die resultierenden
Volumenkräfte ein Mal in und das
andere Mal entgegen der Schweißrichtung
wirkten.
Während die nach vorn weisenden
Kräfte die nach hinten laufenden
Wellen des Schmelzbades dämpften
und so sehr glatte Nahtoberfl ächen
erzeugten, förderten sie jedoch auch
ein »Zuschwappen« der Kapillare,
dass sich in großer Prozessporenzahl
äußerte.
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PRAXIS APPLICATION
Foto: Dinse G.m.b.H.
� Laserbearbeitungskopf mit adaptierter Antriebseinheit für die Laser-Kaltdraht-
Technologie
Wirkten die resultierenden Kräfte in die
entgegengesetzte Richtung, so verhinderten
sie ein Abschnüren des Dampfkanals
und es entstanden durch die
offen gehaltene Kapillare kaum Poren.
Andererseits erfolgte eine Anfachung
der Wellenbewegung, die sich in Form
erhöhter Rauigkeit der Nahtoberfl äche
manifestierte [2].
Diese Ergebnisse zeigen, dass die
Laser-Heißdraht-Technologie in Zukunft
dazu beitragen kann, das Prozessfenster
des Laserstrahl-Schweißens zu
erweitern.
Die Kommunikation zwischen Zusatzdraht
und Spezialstromquelle wird vollständig
über das Drahtvorschub-System
abgewickelt. Es ist so ausgelegt,
dass neben der Drahtförderung auch
die Steuerung des Stromes übernommen
werden kann. Der erforderliche
Heißdraht-Pistolenkopf lässt sich an
den selben Antrieb koppeln.
Systemintegration der Drahtvorschub-Systeme
zum Laserstrahl–Schweißen
Die Leistungsfähigkeit des Drahtvorschub-Systems
wird neben dem mecha-
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nischen Aufbau vor allem von der zur
Verfügung stehenden Steuerungstechnik
bestimmt. Interne speicherprogrammierbare
Steuerungen [SPS] übernehmen
dabei die Prozesskontrolle.
Foto: Dinse G.m.b.H.
a
Eine spezielle Drehzahlregelung des
vorderen Antriebs sorgt für die Konstanz
der eingestellten Drahtvorschubgeschwindigkeit.
Die Menge des geförderten Drahtes
erfasst ein Sensor, der prozessnah hinter
dem vorderen Antrieb montiert ist.
Er führt den am Schweißnahtende
erforderlichen Drahtrückzug, der ein
Verschmelzen des Drahtendes nach
dem Schweißen mit dem Schmelzbad
verhindert, weggesteuert durch. Unumgänglich
ist eine derartige Funktion
zwischen aufeinander folgenden Heftschweißungen,
da sie den Draht vor
jedem erneuten Startbefehl reproduzierbar
auf Position bringt.
Rückzugsstrecke und Drahtvorschub
sind frei programmierbar. Vor jedem
Start muss der Abstand zum Werkstück
so eingestellt werden, dass die
Drahtvorschubgeschwindigkeit ihren
Sollwert sicher bis zum Erstkontakt der
Drahtspitze erreicht hat. Nur so steht
die erforderliche Menge Zusatzwerkstoff
für den Prozess zur Verfügung.
Bedienungs- und Überwachungsfunktionen
können entweder über ein Display
direkt im Drahtvorschub oder
extern ausgeführt werden. Die System-
� Dinse Antrieb zum Laserstrahl-Schweißen mit Pistolenkopf für Kaltdraht (a) und
Heißdraht (b)
b

integration zu übergeordneten Steuerungen
kann sowohl analog als auch
digital erfolgen. Dabei sind Industriebus-Systeme
Stand der Technik. Optional
ist neben der kontinuierlichen auch
eine gepulste Drahtförderung einstellbar.
Prozessüberwachung und
Qualitätssicherungskonzept
Natürlich sind bei der Serieneinführung
des Laserstrahl-Schweißens, be -
sonders im Luft- und Raumfahrzeugbau,
die Maßnahmen zur Qualitätssicherung
ein wichtiges Entscheidungskriterium.
Deshalb ist ein
Konzept gefragt, das einen guten Überblick
über das realen Prozessgeschehen
gibt.
Der für die Qualität der Zusatzwerkstoffförderung
aussagefähige Prozessparameter
ist die Drahtvorschubgeschwindigkeit.
Durch den inkrementalen
Sensor lässt sie sich mit hoher
Aufl ösung messen und als digitales
Signal zur SPS liefern. Diese errechnet
daraus den jeweils aktuellen Wert
der Drahtvorschubgeschwindigkeit. Er
wird im Display des Drahtvorschub-
Systems angezeigt und als analoges
Messsignal, dass der Drahtvorschubgeschwindigkeit
direkt proportional
ist, auf einen Ausgang zur weiteren
externen Signalverarbeitung geführt.
Mit Hilfe der zugehörigen Messsoftware
ist die Protokollierung der Daten
implementiert. Für die automatisierte
Online-Überwachung legt der Anwender
eine maximal zulässige Abweichung
vom Sollwert fest. Jede Über-
oder Unterschreitung führt sofort zu
einer optischen und elektronischen
Meldung, auf die das System nach Vorgabe
reagiert.
Der Vorteil dieser systemintegrierten
Überwachung liegt in ihrer sehr hohen
Dynamik, die es erlaubt, den gesamten
Drahtlauf nahezu in Echtzeit zu beobachten.
Vervollständigt wird das Qualitätssicherungskonzept
durch programmierbare
Sollwertabfragen und verschiedene
Statusmeldungen, die den
korrekten Ablauf der Zusatzdrahtförderung
dokumentieren.
Praktische Erfahrungen und
Perspektiven
Aktuell wird das Laserstrahl-Schweißen
mit Zusatzwerkstoff im Flugzeugbau
zur Herstellung von Haut-Stringer-
Verbindungen bei Airbus eingesetzt.
Im Serieneinsatz werden ein Hautfeld
des A 318 und acht Hautfelder des
A 380 geschweißt [6].
Perspektivisch wird die Weiterentwicklung
des Laserstrahl-Schweißens mit
Zusatzwerkstoff neue Potenziale be -
sonders im Luft- und Raumfahrzeugbau
erschließen. Weitere Untersuchungen
konzentrieren sich auf eine
Erweiterung der heutigen Anwendungen
in Richtung Seiten- und Oberschalen
des Flugzeugrumpfes, um die
wirtschaftlichen Vorteile gegenüber
der etablierten Nietverbindung ausnutzen
zu können [5].
Auch das Fügen der Haut-Haut-Verbindungen
und von Misch verbindungen
ist möglich [5, 8]. Damit zukünftige
Drahtvorschub-Systeme mit diesen
Entwicklungen Schritt halten können
und somit vollwertiger Systempartner
bleiben, werden Eigenschaftsprofi le
gefragt sein, wie sie echte CNC-Achsen
kennzeichnen.
Autor:
Dirk Dzelnitzki
Technischer Leiter
Dinse G.m.b.H.
Tarpen 36
22419 Hamburg
Tel.: 040/65 87 50
Fax: 040/65 87 52 00
E-Mail: info@dinse-gmbh.com
www.dinse-gmbh.com
PRAXIS APPLICATION
� Laserstrahlgeschweißte Haut-Stringer-Verbindung (Querschliff) [8]
Literatur:
[1] Schneider, K., und Schumacher, J.: Lasertechnologie
– Ein Schlüssel im Wettbewerb
der modernen Strukturtechnologien im
zivilen Flugzeugbau
Laserstrahlfügen, Stahltechnik Band 19, BIAS
Verlag, Bremen, 2002, S. 5, 9
[2] Hügel, H., und Dausinger, F.: Laserstrahlschweißen
von Aluminiumwerkstoffen –
Probleme, Lösungsansätze und Anwendungspotenziale
Laserstrahlfügen, Stahltechnik Band 19, BIAS
Verlag, Bremen, 2002, S. 201, 211, 212
[3] Neubert, J., Keitel, S., und Plotetzki, C.:
Industrieroboteranlage zur Materialbearbeitung
mit einem diodengepumten Festkörperlaser
neuester Generation
Roboter – Wege zur automatisierten schweißtechnischen
Fertigung
DVS-Berichte Band 217, Verlag für Schweißen
und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH,
Düsseldorf, 2002, S. 105
[4] Posch, T., und Christiansen, T.: Untersuchungen
der Einflussparameter beim Laserlöten
von Karosserieblechen
Laserstrahlfügen, Stahltechnik Band 19, BIAS
Verlag, Bremen, 2002, S. 337
[5] Schumacher, J.: Erfahrungen bei der
Serieneinführung für Laserstrahlschweißen
im Flugzeugbau
Laserstrahlfügen, Strahltechnik Band 19,
BIAS Verlag, Bremen, 2002, S. 249, 252, 255
[6] Neye, G., und Schumacher, J.: Schweißen
in der Luft- und Raumfahrt – vom Elektronenstahl
zum Laserstrahlschweißen
Schweißen und Schneiden 2003, DVS-Berichte
Band 225, Verlag für Schweißen und verwandte
Verfahren DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf,
2003, S. 386, 387, 394
[7] Harlfinger, N.: Teilprojekt Bombardier
Transportation: Laserstrahl geschweißte
Leichtbaustrukturen im Schienenfahrzeugbau
Optische Technologien, Band 2, Lasersysteme
für den innovativen Leichtbau, VDI-
Technologiezentrum, Düsseldorf, 2003, S. 64
[8] Seefeld, T., Kreimeyer, M., Wagner, F., und
Sepold, G.: Laserstrahlfügen von Mischverbindungen
Laserstrahlfügen, Stahltechnik Band 19, BIAS
Verlag, Bremen, 2002, S. 222
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