DVS Berichte 306 Leseprobe

DVS Congress 2014GroßeSchweißtechnischeTagungDVS-StudentenkongressVorträge der Veranstaltungen in Berlinam 15. und 16. September 2014Veranstalter:DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandteVerfahren e. V., Düsseldorf

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.DVS-Berichte Band 306ISBN 978-3-945023-03-7Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung diesesBandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf. DVS Media GmbH, Düsseldorf 2014Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH & Co. KG, Hamm

VorwortIn diesem Jahr lädt Berlin die Fachwelt der Füge-, Trenn- und Beschichtungstechnik ein, sich innerhalb derRahmenveranstaltung DVS Congress am 15. und 16. September 2014 anwendungsorientiert zu aktuellenThemen zu informieren.Die Große Schweißtechnische Tagung bietet hierzu Vorträge in folgenden Themenbereichen an:Im Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungsbau geht es um die Qualitäts- und Produktivitätssteigerung angepassterLichtbogen- und Strahlprozesse sowie das Verarbeiten von hochwarmfesten Stählen durch manuelleund mechanisierte Fügeverfahren. Wesentliche Produktivitätssteigerungen werden durch den Einsatz vonHochleistungsverfahren, insbesondere durch kombinierte Strahl-/Lichtbogenverfahren, erreicht.Beim Stahlbau steht die schweißtechnische Verarbeitung moderner Feinkornbaustähle, aber auch die Ausführungvon Tragwerken, insbesondere die Herstellerqualifikation nach DIN EN 1090, im Mittelpunkt desProgramms. Das Bewerten von Schäden oder fehlerhaften Ausführungen sowie die Aufklärung technischerSchadensfälle inklusive dem Festlegen von Restnutzungsdauern sind wesentliche Schwerpunkte.Für den Windenergieanlagenbau werden aktueller fügetechnischer Bedarf beim Verarbeiten von dickwandigenStahlblechen, auch durch modifizierte MSG-Laserhybridschweißprozesse, sowie Anforderungen andie mechanische Fügetechnik aufgezeigt. Diese Inhalte werden durch den Schwerpunkt „Offshore“ ergänzt, indem von der Planung bis zur Produktion Schweißdetails von Offshore-Stahlbauten diskutiert werden. Unteranderem werden aktuelle Ergebnisse zum Verarbeiten von hochfesten Feinkornbaustählen sowie der Einsatzvon Tiefschweißverfahren vorgestellt.Darüber hinaus stehen auch zahlreiche weitere verfahrensspezifische Inhalte, angefangen vom Widerstandsüberdas Lichtbogen- bis zum Strahlschweißen und Sonderfügeverfahren, aber auch Inhalte zum KorrosionsundVerschleißschutz auf der Agenda dieser Veranstaltung.Im DVS-Studentenkongress wird zu den Themenbereichen „Trends und Anwendungen in der Fügetechnik“und „Forschung und Entwicklung“ vom universitären Nachwuchs über eigene aktuelle Projekte sehr praxisnahinformiert. Höhepunkt wird wieder die Verleihung des DVS-Nachwuchs-Awards sein. Eine Studentenkommissionbewertet hierfür die Aktualität der Vorträge, den wissenschaftlichen Gehalt sowie die Darstellungim Vortragsband.Alle Teilnehmer sind eingeladen, ihre Erfahrungen mit Fachkollegen auszutauschen und sich über denneuesten Stand der Technologien zu informieren. Dazu geben anwendungsbezogene Inhalte zu aktuellenund individuellen Fachthemen aus Industrie, Handwerk und Wissenschaft die Möglichkeit, den DVS Congressals Informations- und Wissensnetzwerk für sich zu nutzen.An dieser Stelle geht auch ein Dank an die Programmkommissionen für die geleistete Arbeit und ganzbesonders an die Vortragenden für die Bereitstellung der vorliegenden Manuskripte.Düsseldorf, im August 2014DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V.HauptgeschäftsführerLeiter Forschung und TechnikDr.-Ing. Roland BoeckingDipl.-Ing. Jens Jerzembeck

Qualitäts- und Produktivitätssteigerung durch den Einsatz moderner WIG-Prozesse mitreversibler mechanischer ZusatzwerkstoffförderungB. Ivanov, O. Brandstädter und V. Thiessen, MündersbachDas manuelle WIG-Schweißen ist immer noch sehr verbreitet in vielen Bereichen der Produktion. Gründe dafürsind die Flexibilität des Schweißprozesses und die damit erreichbare Qualität der Schweißverbindung. Die Produktivitätbeim WIG-Schweißen steht in direktem Zusammenhang mit der Handfertigkeit des Schweißers. Eine MöglichkeitSchweißgeschwindigkeit und Output zu erhöhen, ist die mechanische Zugabe des Zusatzwerkstoffes. Dabeikönnte man zwischen einer Kaltdraht- oder Heißdraht-Variante wählen. Eine kontinuierliche Förderung desZusatzwerkstoffes erfordert vom Schweißer ein sehr hohes Maß an Konzentration und Genauigkeit der Brennerführung.Kurze Schweißnähte lassen sich so sicher und mit hoher Qualität herstellen. Sobald aber längere Nähtegeschweißt werden müssen, oder in einer Zwangsposition geschweißt werden muss, wird die Handhabung für denSchweißer deutlich verschlechtert. Damit in so einem Fall die geforderte Qualität garantiert werden kann, mussleider die Schweißgeschwindigkeit und somit entsprechend die Produktivität gesenkt werden.Eine Möglichkeit hier den Schweißer zu entlasten und gleichzeitig Qualität und Produktivität zu erhöhen, stellt diereversible Förderung des Zusatzwerkstoffes dar. Durch eine niedrig- oder hochfrequente Oszillation des Drahtes inRichtung zu und entgegen des Lichtbogens wird die natürliche Zusatzwerkstoffzugabe des manuellen Schweißensumgesetzt. Das verbessert deutlich die Handhabung für den Schweißer, erhöht die maximal mögliche Schweißgeschwindigkeitund verbessert das Aussehen der Schweißnaht.1 Grundlagen des WIG-Kaltdraht- und HeißdrahtschweißensDas WIG-Schweißverfahren – die volle Bezeichnungfür dieses Verfahren lautet nach DIN 1910 – Teil 4Wolfram- Inertgasschweißen – stammt aus den USAund wurde dort 1936 unter dem Namen Argonarc-Schweißen bekannt. Erst nach dem 2. Weltkrieg wurdees in Deutschland eingeführt. (EWM, 2014)WIG-Schweißen wird nach DIN ISO 857-1 derSchweißprozess als teilmechanisch bezeichnet oderauch WIG-t.Ein besonderer Vorteil des WIG-Schweißens ist, dasshier gegenüber anderen Verfahren, die mit abschmelzenderElektrode arbeiten, die Zugabe von Schweißzusatzund die Stromstärke entkoppelt sind. DerSchweißer kann deshalb seinen Strom optimal auf dieSchweißaufgabe abstimmen und nur so viel Schweißzusatzzugeben, wie gerade erforderlich ist. Diesmacht das Verfahren besonders geeignet zumSchweißen von Wurzellagen und zum Schweißen inZwangslagen. Die genannten Vorteile haben dazugeführt, dass das WIG-Verfahren heute in vielen Bereichender Industrie und des Handwerks mit Erfolgeingesetzt wird. (EWM, 2014)Mit dem Ziel die Abschmelzleistung und dadurchSchweißgeschwindigkeit und Produktivität zu erhöhen,wurde das WIG-Schweißen mit mechanisch zugeführtemSchweißzusatzwerkstoff entwickelt. DasPrinzip ist in Bild 1 dargestellt.Aus Gründen der Arbeitssicherheit erfolgt der Aufbauder Drahtvorschubeinheit vollkommen isoliert vomSchweißkreis. Sie wird direkt nach der Drahtspuleangeordnet, die Förderlänge zum Lichtbogen wird sokurz wie möglich gehalten. Am Ende der Drahtführungund in direkter Nähe des Lichtbogens befindet sich dieDrahtaustrittsdüse, die den Eintauchwinkel des Drahtesbestimmt. Aufgrund dieser Art der Zuführung beimBild 1. Schematische Darstellung WIG Schweißen mit mechanischerZusatzzuführungWird der Schweißzusatz ohne zusätzliche Erwärmungzugeführt, spricht man vom sogenannten WIG – Kaltdrahtschweißen.Die Abschmelzleistung bei dieserVariante des WIG Schweißens ist direkt von derLichtbogenleistung und der daraus resultierendenWärmebilanz des Lichtbogens abhängig. Dies führt zueiner Begrenzung der maximal erreichbaren Abschmelzleistungund somit zu einer Begrenzung derProduktivität.Eine Weiterentwicklung des WIG-Kaltdrahtschweißensist das WIG-Heißdrahtschweißen (Matthes &DVS 306 1

Schneider). Dabei wird ein Bereich des ZusatzwerkstoffesAufgeheizt, mit dem Ziel dem LichtbogenwenigerEnergie für das Aufschmelzen des Drahtes zuentziehen. Das Aufheizen geschieht nach dem Prinzipder Widerstandserwärmung unter Verwendung einerzusätzlichen sogenannten Heißdrahtstromquelle. Eshandelt sich dabei um eine Wechselstromquelle, dieden erforderlichen Strom liefert. Die Temperatur desDrahtes wird durch den eingestellten Strom und denspezifischen elektrischen Widerstand des Zusatzwerkstoffesbestimmt. Bild 2 stellt den prinzipiellenAufbau dar und die Formel zur Berechnung der imDraht erzeugten elektrischen Leistung.Durch die kontinuierliche Vor- und Rückbewegungdes Drahtes wird die manuelle Zugabe des Zusatzwerkstoffessehr genau nachempfunden. Das verbessertdeutlich die Handhabung, eine einstellbare Frequenzder Vor- und Rückwärtsbewegung gibt dieMöglichkeit den Prozess auf die eigene Brennerführunganzupassen.Bild 2. Möglichkeiten der DrahtvorwärmungDiese Art der Zusatzwerkstoffzugabe unter Vorwärmungdes Zusatzdrahtes ermöglicht eine deutlicheProduktivitätssteigerung. (Wossog, 2008)2 Schweißen mit reversibler ZusatzwerkstoffförderungEine kontinuierliche mechanische Drahtförderung isteine gute Möglichkeit die Produktivität zu steigern,insbesondere wenn sie mit einer Vorwärmung desZusatzdrahtes in Form einer Heißdrahtes kombiniertwird. Daraus ergibt sich entsprechend auch eine deutlicheSteigerung der Schweißgeschwindigkeit, die abeinem bestimmten Wert und in Abhängigkeit von derSchweißposition zu Handhabungsschwierigkeiten fürden Schweißer führen könnte. Bei einer manuellenZusatzzugabe kann der Schweißer durch die gezielteZugabe aber vor allem dadurch, dass der Draht nichtständig Kontakt zu Schmelzbad oder Werkstück hat,eine Große Freiheit bei der Brennerführung. Gleichzeitighat er bessere Kontrolle über die Schweißnahtund kann sie gut gestalten. Im Falle einer konstantenmechanischen Zuführung muss der Draht währenddes gesamten Schweißvorganges immer in einer bestimmtenPosition gehalten werden, was den Schweißersehr oft beim Schweißen hindert. Besonders kritischist es beim Schweißen in den sogenanntenZwangspositionen (PC, PE usw.) aber auch beimSchweißen längerer Nähte ist so eine fixe Positionschwer auf Dauer vom Schweißer umzusetzen.Als Lösung auf diese Problemstellung wurde die reversibleZusatzwerkstoffförderung entwickelt. Dabeiwird die kontinuierliche Drahtförderung durch dieDrahtvorschubrollen mit einer oszillierenden Bewegungder kompletten Drahtvorschubeinheit überlagert.In Bild 3 ist das Prinzip dieser Kombination dargestellt.Bild 3. Funktionsprinzip der Überlagerung von Drahtvorschubund Vor- und Rückwärtsbewegung des Drahtes3 Parameter, Streckenenergie und Wärmeeinbringungbeim SchweißenDie einzustellenden Schweißparameter werden beiden WIG Kaltdraht bzw. WIG Heißdrahtprozessen umdie Drahtvorschubgeschwindigkeit, Frequenz der VorundRückwärtsbewegung des Drahtes und Heißdrahtstromerweitert. Damit der Anwender beim Einstellendes Prozesses entlastet wird, werden mit den Gerätenauch Tabellen mit empfohlenen Einstellwerten mitgeliefert.Der Umgang mit den Geräten wird vereinfachtdurch die Möglichkeit alle Parameterkombinationen zuSpeichern und später bei Bedarf wieder aufzurufen.Somit wird auch die Wiederholbarkeit der Ergebnisseund eine gleichbleibende Qualität gewährleistet.Beim Schweißen wärmeempfindlicher Grundwerkstoffewie z.B. Duplex oder warmfeste Werkstoffe spieltdie Streckenenergie und Wärmeeinbringung einewesentliche Rolle. Im Fall des WIG Kaltdrahtschweißensändert sich die Berechnung von Streckenenergieund Wärmeeinbringung im Vergleich zum manuellenSchweißen nicht. Beim WIG Heißdrahtschweißensollte die über den vorgewärmten Draht zusätzlicheingebrachte Leistung (Bild 2) berücksichtigt werden.4 Anwendung in der PraxisDas WIG Heißdrahtschweißen kann sehr vielseitigeingesetzt werden. Das Verfahren ist sowohl für dasVerbindungs- als auch für das Auftragsschweißensehr gut geeignet. Beim Auftragsschweißen bietet dasWIG Heißdrahtschweißen hohe Abschmelzleistungund Produktivität bei gleichzeitig niedrigen Aufmischungen.2 DVS 306

Beim Verbindungschweißen wird die hohe Abschmelzleistungin höhere Schweißgeschwindigkeitund Produktivität umgesetzt. Insbesondere beimhandgeführten Brenner ergeben sich deutliche Vorteilefür Schweißer und Betrieb. Bild 3 Zeigt einen Vergleichder erreichbaren Schweißgeschwindigkeitenbei einer Kehlnaht am T-Stoß in Position PB. Es wurdedabei die gleiche Kehlnahtdicke (a-Maß) geschweißtund die Schweißgeschwindigkeit ermittelt.Der Unterschied zwischen dem Kaltdraht- und Heißdrahtschweißenist hier deutlich zu erkennen. Auffällighier ist der sehr kleine Unterschied zwischen manuellemund WIG Kaltdrahtschweißen. Es zeigt sich, dassein gut ausgebildeter Schweißer mit guter Handfertigkeiteine fast gleiche Produktivität erreicht, wie beimWIG Kaltdrahtschweißen.Vergleich der Schweißgeschwindigkeiten in cm/min:Position PB; WIG manuell mit 3,2 mm Zusatz; WIG KD und HDmit 1,0 mm Zusatz35302520151050WIG manuell WIG KD WIG HDBild 4. Vergleich der Schweißgeschwindigkeiten in PositionPBDas Verhältnis der Geschwindigkeiten ändert sich,wenn die Schweißposition geändert wird (Bild 5). DerselbeVergleich in Position PF zeigt das Potential derVor- und Rückwärtsbewegung des Zusatzdrahtessehr deutlich. Durch die bessere Handhabung undBeherrschbarkeit des Schmelzbades ergeben sichhier Möglichkeiten für Produktivitäts- und Qualitätssteigerung.Der Schweißer schweißt schneller, mitbesserer Nahtqualität und mir reduzierten Anlauffarben.Ein wesentlicher Faktor beim Einsatz des Verfahrensist der Schweißbrenneraufbau. Er sollte vielfältigeMöglichkeiten der Bestückung und der Einstellung derDrahtzuführung bieten. Eine entsprechende Ausstattungfür das Arbeiten in beengten Räumen sowohleine sichere Schutzgasabdeckung beim Schweißennichtrostender Stähle sollte verfügbar sein.2520151050Bild 5. Vergleich der Schweißgeschwindigkeiten in PositionPF5 Zusammenfassung und AusblickDas WIG Heißdrahtverfahren bietet Möglichkeiten zurSteigerung der Qualität und Produktivität in der Produktionsowohl beim manuellen Schweißen als auchbeim vollmechanischen bzw. automatischen Schweißen.Die über das Vorwärmen des Zusatzdrahteszusätzlich eingebrachte Energie erhöht die Abschmelzleistungund damit die maximal erreichbarenSchweißgeschwindigkeiten.Die Überlagerung von Drahtförderung und gleichzeitigerVor- und Rückwärtsbewegung des Zusatzdrahtesbietet zusätzliche Vorteile für die Praxis. Der Schweißerwird in der allgemeinen Handhabung und Beherrschbarkeitentlastet. Dies macht sich insbesonderebeim Schweißen in Zwangspositionen oder beimSchweißen längerer Schweißnähte bemerkbar.Eine mögliche Weiterentwicklung des Verfahrens mitpositiven Effekten beim Auftragsschweißen könntehier die Verwendung von Wechselstrom als Heißdrahtstromsein.6 LiteraturVergleich der Schweißgeschwindigkeiten in cm/min:Position PF; WIG manuell mit 3,2 mm Zusatz; WIGKD+Pendeln und HD+Pendeln mit 1,0 mm ZusatzWIG manuellWIGKD+DrahtbewegungWIGHD+Drahtbewegung[1] EWM. (2014). EWM - Schweißlexikon.Mündersbach.[2] Matthes, K.-J., & Schneider, W. SchweißtechnikSchweißen von metallischenKonstrktionswerkstoffen. Carl Hanser VerlagGmbH Co KG.[3] Wossog, G. (2008). Handbuch RohrleitungsbauBand I: Planung Herstellung Errichtung. Essen:Vulkan-Verlag GmbH.DVS 306 3

abgerechnet nach Bauvolumen, zugestellt. Obwohlerste Anbieter generierte Komponenten aus metallischenWerkstoffen anbieten, weisen diese Teilebezüglich ihrer Festigkeit nicht die dem Vollmaterialvergleichbaren Eigenschaften auf. Aus diesem Grundkönnen die im „Internet-bestellten“ Bauteile häufignicht für technische Anwendungen eingesetzt werden(Disclaimer: „Please note that the materials we use formanufacturing the products make the productssuitable for decorative purposes and they are notsuited for any other purpose.” [6]).3 LaserstrahlschmelzenMitte der 1990er Jahre gelang es erstmals, Bauteileaus metallischen Pulverwerkstoffen lasergenerativ zufertigen. In den vergangenen zehn Jahren wurden imBereich der lasergenerierten Metallbauteile maßgeblicheFortschritte erzielt, so dass es heutzutagemöglich ist, durch vollständiges Aufschmelzen desMetallpulvers im lasergenerativen Herstellungsprozesseine Dichte von nahezu 100% des vergleichbarenVollmaterials zu erzeugen [7, 8]. Entscheidenddafür war der Übergang vom Strahlsintern zumStrahlschmelzen (auch selective laser melting, SLM)[9] um die Jahrtausendwende.Bild 2: StrahlschmelzprozessMittels Laserstrahlschmelzen (Bild 2) besteht dieMöglichkeit, ebenso wie beim Gießen, metallischeBauteile endkonturnah zu fertigen. Dabei werden dieBauteile Schicht für Schicht aus einem metallischenPulverwerkstoff aufgebaut. Zu diesem Zweck wirdzunächst der pulverförmige Ausgangswerkstoff aufeine Bauplattform aufgetragen. Die aufgebrachtePulverschicht wird durch das thermische Einwirkendes Laserstrahls selektiv aufgeschmolzen („Belichten“).Infolge des Abkühlens verfestigt sich deraufgeschmolzene Werkstoff wieder. Anschließendwird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt,neues Metallpulver aufgetragen und mit demLaser belichtet. In einem zyklischen, automatisiertenProzess können auf diese Weise hochkomplexeBauteile gefertigt werden, die mit den beschriebenenkonventionellen Verfahren nicht oder nur mit sehrhohem Aufwand herzustellen sind. Aufgrund derReaktivität des verwendeten Metallpulvers erfolgt derbeschriebene Prozess in einer inertisierten, d.h. mitSchutzgas gefüllten Baukammer. Neben demzyklischen Prozessablauf, bestehend aus Pulverauftrag,Belichtung und dem Absenken der Bauplattform,vervollständigen Daten- und Prozessvorbereitung,Nachbehandlung sowie der eingesetzte metallischePulverwerkstoff die lasergenerative Prozesskette.Das Strahlschmelzen von Metallen als sogenanntes„net-shape-Verfahren“ für die endkonturnaheBauteilfertigung ermöglicht eine Maximierung derWertschöpfung mit minimalem Ressourceneinsatz[10]. Die Metall-SLM-Technologie hat daher in denvergangenen Jahren zunehmend an Bedeutunggewonnen und konnte gegenüber etabliertenFertigungsverfahren wie der Fräsbearbeitung oderdem Druckguss ihre Konkurrenzfähigkeit hinsichtlichder mechanischen Belastbarkeit der generiertenBauteile nachweisen. Heute stellt das Laserstrahlschmelzenbei bestimmten Anforderungen, wie derGestaltungsfreiheit des Bauteils und niedrigenProduktionskosten bei geringen Stückzahlen einereale Fertigungsalternative dar.4 Gasdüsen für Schneid- und SchweißanwendungenDie Anwendung von Gasdüsen im Bereich derSchneid- und Schweißtechnik ist von großerBedeutung für das Prozessergebnis. Das Bearbeitungsergebniskann durch das spezifische, zurAnwendung kommende Schutzgas in Bezug auf dieMachbarkeit, die Prozesssicherheit und die Wirtschaftlichkeitbeeinflusst werden. In [11] und [12] wirddie Bedeutung der Schutzgase für optimale Prozessergebnisseund deren Zuführung zum Schweißen undSchneiden hervorgehoben. [13] weist auf dieBedeutung der Schutzgase beim Laserstrahlbohrenund der damit erzielten Ergebnisse am Beispiel vonAluminium hin. So konnten durch die Anwendung desSchutzgases Argon der Bohrungsdurchmessersignifikant minimiert und die Bohrungsqualitätgesteigert werden. Jedoch ist dabei auf die Gasführungzu achten.Für aktuelle Standardanwendungen, wie derLasermaterialbearbeitung von ebenen Blechen,stehen eine Vielzahl von standardisierten Gasdüsenzur Verfügung [14], mit denen sehr gute Ergebnisseerzielt werden können. Sobald aber von denstandardisierten Parametern bzw. Geometrienabgewichen wird, beispielsweise aufgrund einersteigenden Komplexität der Bauteile oder derProzesse, stoßen kommerziell verfügbare Gasdüsenoftmals an ihre Grenzen. Um dennoch ein positivesErgebnis erzielen zu können, werden die Düsenaufwändig abgeändert und in einer Vielzahl iterativerSchritte angepasst. Hierbei werden durch dieStandardfertigungsverfahren konstruktive häufigLimitierungen gesetzt, welche keine weitere spezifischeAnpassung ermöglichen.Eine Auswahl von Schleppgasdüsen für das Lichtbogenschweißenist in Bild 3 enthalten. Die Variantenumfassen z. B. Düsen ohne zweite Gaszufuhr (a), dieKombination von Rohren mit getrennter GaszufuhrDVS 306 5

(b), Gasboxen (c) und geometrisch an die Bauteileangepasste Formen (d). Die Herausforderungenbestehen einerseits in der Auslegung dieser Düsenund zum anderen aber auch in der fertigungsgerechtenGestaltung. Bei konventionellen Fertigungsverfahrenbestehen häufig signifikante Einschränkungen inderen Folge die Gasdüsen aus einer Vielzahl vonEinzelteilen aufzubauen sind.Bild 3: Schleppdüsen für Lichtbogenschweißprozesse [15]5 Laserstrahlschmelzen von GasdüsenDas „Selektive Laserstrahlschmelzen“ (SLM) stellt fürdie Herstellung von Gasdüsen zur Materialbearbeitungein optimales Fertigungsverfahren dar. Dabeiwerden die Düsen nicht wie bisher aus mehrerenEinzelteilen zusammengesetzt, sondern als monolithischesBauteil generiert. Um mit dem SLM-Verfahrenfertigen zu können, müssen die Besonderheiten desVerfahrens bereits während der Konstruktionberücksichtigt werden. Die für den SLM-Prozesstypische Oberflächenrauheit stellt aber in den meistenFällen kein Problem dar. Ausnahmen sind Flächen,die Schnittstellen zu benachbarten Bauteilen bilden,beispielsweise Passflächen in einer Aufnahme. DieseFlächen sind ggf. spanend zu bearbeiten.Oftmals ist es ausreichend, von einer bereitsausgelegten Standardgasdüse auszugehen und diesean die Gegebenheiten (z. B. Bauteilgeometrie)konstruktiv anzupassen, um eine bessere Funktionalitätzu erreichen. Trifft dies zu, bleibt das Wirkprinzipunverändert. Jedoch wird bei dieser Vorgehensweisenicht das volle Potential, beispielsweise einergleichzeitigen Funktionsintegration, der additivenFertigung genutzt. So kann bei mehrteiligen Gasdüsendie Zahl der zu fügenden Teile auf eine einzigeKomponente reduziert werden.Bei Neukonstruktion, d. h. soll eine Gasdüse mitneuen Eigenschaften entstehen, dann sollten dieVorteile des SLM-Verfahrens direkt in die Konstruktioneinfließen. Der schichtweise Aufbau der Teile erlaubteine bisher nie dagewesene gestalterische Freiheit.Die Düsen können mit nahezu beliebigen Innen- undAußenstrukturen gefertigt werden. Damit lassen sichz. B. Gasberuhigungszonen, Gas- und Kühlkanäle imInneren der Düse und Kühlrippen an der Außenseiteerzeugen. Zudem lässt sich die Gasdüse optimal anden späteren Einsatzzweck anpassen. Die Fertigungskostenbleiben auch bei zunehmenderKomplexität nahezu konstant. Die Höhe der Fertigungskostenwird von Stückzahl, Bauprozesslänge,Materialkosten und Nachbearbeitungskostenbestimmt. Um den Fertigungsablauf effektiver zugestalten ist es z. B. möglich, die Bauplattform selbstals Schnittstelle für die Nachbearbeitung zu nutzen.Die Düsen, die sich auf der Bauplattform befinden,haben eine definierte Position zueinander und zurPlattform. Befindet sich die Plattform noch auf einemNullpunktspannsystem sind alle Positionen derEinzeldüsen bekannt. Dies kann gezielt für die CNC-Nachbearbeitung genutzt werden. Das Spannsystemmit der Bauplatte und den Gasdüsen wird an dienachfolgende Fertigungsstufe übergeben, in dieWerkzeugmaschine (z. B. Fräs- oder Erodiermaschine)eingesetzt und nachbearbeitet. Die Bauplattformdient bei dieser Anordnung als Halter zwischenSpannsystem und den Gasdüsen. Je nach Anordnungder Gasdüsen kann der Hauptteil der Nachbearbeitungauf der Bauplattform stattfinden. Fertigungstoleranzen,die durch ein erneutes Einspannen bei derEinzelnachbearbeitung entstehen, können auf dieseWeise vermieden werden. In einem letzten Arbeitsschrittwerden die Gasdüsen z. B. mittels Drahterodierenvon der Bauplattform getrennt. In Einzelfällenkönnen noch weitere Nachbearbeitungsschritte derEinzeldüsen notwendig sein.Der Werkstoff für Gasdüsen ist von dem SLM-Prozessund den Umgebungs- bzw. Einsatzbedingungen derDüse abhängig. Der SLM-Prozess erfordert einenWerkstoff mit einer guten Schweißeignung und einemguten Absorptionsgrad der Laserstrahlung. Düsenkönnen z. B. aus dem hochlegierten Cr-Ni-Stahl1.4404 (X2CrNiMo17-12-2), aber auch aus denWerkzeugstählen 1.2709 (X3NiCoMoTi18-9-5) und1.2344 (X40CrMoV5-1) sowie Titan (Ti-Al6-V4) undAluminium (AlMg10Si) generiert werden. Denkbarsind weiterhin Nickelbasislegierungen für hochtemperaturbelasteteGasdüsen.Am ifw entstand eine Reihe von Gasdüsen, die inzahlreichen Projekten mit Bezug zur Lasermaterialbearbeitungerfolgreich eingesetzt wurden und werden.Beispiele werden im Folgenden, auch hinsichtlichihrer Konstruktion, beschrieben. Des Weiteren werdenin [16] auch laserstrahlgeschmolzene Schweißdüsenvorgestellt.5.1 Bohr- und SchneiddüsenBeim Schmelzschneiden ist es notwendig, denGasstrahl so auf die Schmelze zu richten, dass dieseeffektiv aus der Trennstelle heraus gefördert wird.Daneben sind oftmals weitere Randbedingungen zubeachten wie beispielsweise die geometrischeZugänglichkeit oder die Kühlung der Düse aufgrundeiner hohen thermischen Belastung.6 DVS 306

Für das Laserstrahlschmelzschneiden bzw. –bohrenin tiefliegenden Konturen wurde eine angepassteGasdüse entwickelt.Mittels Laserstrahlung kann eine Bearbeitunginnerhalb tiefer Kavitäten erfolgen. Dabei wird dieStrahlführung und -kaustig mit Hilfe optischerElemente gezielt an die Bearbeitungsaufgabeangepasst. Zusätzlich ist es notwendig, die Gasdüseso zu gestalten, dass die Schmelze effektiv aus derWirkstelle befördert wird. Mit der SLM-generierten undan den Prozess angepassten Gasdüse konnte diegeforderte Qualität erzielt werden.Bild 5: Anpassung der Düse an die gegebenen RandbedingungenBild 4: Lasergenerierte Schneiddüse (links) im Vergleichzur Standarddüse sowie erzielte Mikrobohrung mit 60 µmDurchmesser (oben)Dazu war es jedoch erforderlich, das Gesamtsysteminsgesamt anzupassen (Bild 5). Zuerst erfolgte eineAnpassung der Außengeometrie der Düse, um diespätere Einsatzstelle erreichen zu können. Im zweitenSchritt wurde die Innenkontur der Düse zum einenströmungstechnisch und zum anderen mit Bezug zurStrahlform optimiert.Mit der optimierten Düse ist es nun möglich, in bis zu80 mm tiefen Kavitäten Mikrobohrungen mit einemAustrittsdurchmesser von 60 µm prozesssicherherzustellen.Eine weitere Gasdüse wurde für das Schneiden mithohen Laserleistungen ausgelegt. Derartige Düsensind infolge der verwendeten Laserleistungen einererheblichen thermischen Belastung ausgesetzt, waseine geringe Standzeit bei Standarddüsen zur Folgehat. Mittels Integration einer internen Kühlung konntedie Standzeit signifikant erhöht werden. Das folgendeBild beinhaltet einen Ausschnitt aus dem CT-Scan dergefertigten Düse. Zum einen ist die Anpassung derInnenkontur an die Strahlform und zum anderen derVerlauf der Kühlkanäle im Düseninneren zu erkennen.Bild 6: Gekühlte Schneiddüse: Ausschnitt aus einem CT-Scan der gefertigten Düse (oben), Düse im Schneideinsatz(unten)5.2 SchweißdüsenNeben Bohr- bzw. Schneiddüsen wurden auchSchleppgasdüsen für Schweißprozesse konstruiertDVS 306 7

und gefertigt. Eine Beispieldüse zum Laserstrahlschweißenvon hochlegierten Cr-Ni-Stählen undNickelbasislegierungen enthält Bild 7. Die Düseermöglicht es, auf engstem Raum verschiedene Gaseparallel an die Wirkstelle zu führen. Nach demBauprozess wurde die generierte Düse nur von derBauplattform getrennt, die Stützstrukturen unter denÜberhängen der Gasanschlüssen entfernt sowieverbliebene Pulverpartikel auszublasen. Eine weitereBearbeitung war nicht notwendig, die drei integriertenAufnahmen wurden ausreichend genau gefertigt.Gasdrücken unabhängig voneinander betriebenwerden. Jeder einzelne Gasstrang ist aus mindestenszwei getrennten Bereichen aufgebaut. Der ersteBereich umfasst die Homogenisierung der Gasströmung,an den sich Elemente zur gerichteten Führungdes Gases zur Wirkstelle anschließen.Im Ergebnis der Optimierung konnten die Anforderungenin Bezug auf die Schweißnahtqualität und diedamit verbundene Korrosionsbeständigkeit auch nachdem Schweißen des hochlegierten Cr-Ni-Stahls erfülltwerden. Die Optimierung der Schutzgasabdeckungführt des Weiteren zu einer Einsparung der notwendigenSchutzgasmenge und ermöglichte eine Vergrößerungdes Arbeitsabstandes zur Blechoberfläche.Bild 7: In das Bearbeitungssystem integrierte SchutzgasdüseDie Gasführung wurde dabei so gestaltet, dass eineoptimale Schutzgasabdeckung an der Nahtoberflächeerzielt wird (Bild 8).Bild 9: Vergleich von Schweißnahtoberflächen nach demSchweißprozessNeben den Düsen für Laserschweißprozesse wurdenauch Düsen für Lichtbogenschweißprozesse,insbesondere das WIG-Stichlochschweißen,konstruiert und aufgebaut. Im Folgenden werden zweiBeispiele unterschiedlicher Komplexität vorgestellt. Imersten Beispiel, einer optimierten wassergekühlteSchutzgasdüse mit geringem Bauraum, wurden dieKühlkanäle vollständig in die Wandung der Düseeingebettet, lediglich die Anschlussbereiche tretenhervor (Bild 10).Bild 10: Modell (links) sowie gefertigte Schutzgasdüse aufBauplattform (rechts) für das WIG-Stichloch-schweißenBild 8: Prinzipieller Aufbau der Schutzgasdüse (oben) undaufgeschnittene Demonstrationsdüse mit Innenstruktur(unten)Im dargestellten Beispiel sind drei verschiedeneGasstränge integriert. Diese können sowohl mitverschiedenen Gasen als auch verschiedenenDas zweite Beispiel ist wesentlich komplexeraufgebaut. Es enthält zusätzlich zu der Wasserkühlungder Düse vier unabhängige Gaskanäle für denVorlauf-, die Prozesskammer-, den Nachlauf- sowieden Bereich seitlich des Nachlaufs (Bild 11). Eine zurDemonstrationszwecken schräg aufgeschnitteneDüse zeigt die Vielzahl der integrierten Einzelkanäle.8 DVS 306

Bild 11: Modell (links) und Aufsicht auf eine zur Demonstrationschräg aufgeschnittene Schutzgasdüse (rechts)6 ZusammenfassungMit zunehmender Komplexität der Bauteilgeometrienund erhöhten Anforderungen an die Prozessführunginfolge des Einsatzes schwer verarbeitbarer Werkstoffekommt auch der Gasführung bei Schmelzprozessenzum Trennen und Fügen eine bedeutende Rollezu. Wo konventionelle Fertigungsverfahren bei derUmsetzung komplexer Gasdüsen an ihre Grenzenstoßen, bieten die additiven Techniken nicht nur eineAlternative. Das Strahlschmelzen erlaubt völlig neueDüsenkonzepte. Die Vorteile reichen von einerverbesserten Funktionalität bis hin zu völlig neuenFunktionalitäten (z.B. Möglichkeiten zur internenKühlung oder Heizung), einer verbesserten Strömungscharakteristikdes Gases/ der Gase bis hin zueiner neuen monolithischen Bauweise. Dabei bietetdas Verfahren eine hohe Flexibilität in der Konstruktion.Funktionale Konstruktionsvarianten könneninnerhalb kürzester Zeit gefertigt und getestet werden.Es ist zu erwarten, dass in Zukunft mehr Gasdüsenmittels Laserstrahlschmelzen hergestellt undeingesetzt werden, und sowohl Herstellern als auchAnwendern die Möglichkeit geben, sich am Markt zudifferenzieren.[4] http://www.spiegel.de/thema/3d_drucker10.06.2014[5] http://i.materialise.com, 10.06.2014[6] http://www.shapeways.com, 10.06.2014[7] Kruth, J.-P.; Badrossamay, M.; Yasa, E.;Deckers, J.; Thijs, L. und Van Humbeeck, J.: Partand material properties in selective laser meltingof metals, in: Proceedings of the 16th InternationalSymposium on Electromachining 2010[8] Thijs, L., et al.; A study of the microstructuralevolution during selective laser melting, of Ti–6Al–4V, Acta Materialia 58 (2010) 3303–3312[9] Over, C.; Generative Fertigung von Bauteilen ausWerkzeugstahl X38CrMoV5-1 und Titan Ti-Al6-V4 mit „Selective Laser Melting“, ShakerVerlag, Dissertation, RWTH Aachen, 2003[10] Sehrt J, Witt, G; Auswirkung des anisotropenGefüges strahlgeschmolzener Bauteil auf mechanischeEigenschaftswerte, Institut für ProduktEngineering, Universität Duisburg Essen, 2009[11] Herrmann, J.; Prozessgase beim LaserschweißenKostenfaktor oder Garant für wirtschaftliche,stabile und hochwertige Schweißverbindungen;Lasertagung Jena; 2006[12] Riveiro, A.; Quintero, F.; Lusquinos, F.;Comesana, R.; del Val, J.; Pou, J.; The Role ofthe Assit Gas nature in Laser Cutting of AlumininumAlloys[13] Reg, Y.; Leitz, K.-H. Schmidt, M.; Influence ofProcessing Gas on the Ablation Quality at ns-Laser Beam Ablation; Physics Procedia 12(2011), 182-187[14] Patschger, A. et al.: Process Optimizationthrough Adaption of shielding Gas Selection andfeeding during Laser Beam Welding, PhysicsProceedings 12 (2011), 46-55[15] www.dvs-ev.de/fv/neu/getfile.cfm?PID=1594&file=ZB_18.021B_14-1.pdf, 10.06.2014[16] http://www.jell-werkzeugelemente.de, 10.06.2014Schrifttum[1] Spierings, A. B.; Generative Verfahren bietenneue Chancen; Sonderdruck aus TechnischeRundschau Nr. 12/2009[2] Martin, S.; Transition from Prototyping toManufacturing, Rapid.Tech 2011, Erfurt[3] Kuhn, T.; Druck dir deine Welt, Wirtschaftswoche51/2011DVS 306 9

Optimierung der Spaltüberbrückung beim Laserstrahlschweißen von dünnen Blechendurch eine zweite WärmequelleF. Nagel, B. Kümmel, J. P. Bergmann, Ilmenau, F. Simon und J. Hildebrand, WeimarDer hohe Wärmeausdehnungskoeffizient und die niedrige Wärmeleitfähigkeit austenitischer Stähle bewirken währenddes Schweißprozesses eine große Ausdehnung der Bleche unmittelbar in der Nähe der Schweißstelle undsomit treten vor der Wärmequelle lokal Verschiebungen der Fügepartner zueinander auf. Diese führen zu einemVersatz der Bleche und somit bei Überschreitung von verfahrensabhängigen Grenzwerten zu Prozessunstetigkeitenbzw. Nahtunregelmäßigkeiten. In der Praxis werden vorwiegend massive Spannsysteme verwendet, die dieVerschiebungen unterbinden. Diese Systeme sind jedoch unflexibel und mit hohen Kosten verbunden. Eine weitereMöglichkeit bietet der Einsatz zusätzlicher Wärmequellen. Dem liegt die Annahme zu Grunde, dass ein lokalerWärmeeintrag und die daraus resultierende Wärmeausdehnung zu einer Kompensation der prozessbedingtenVerschiebung der Fügepartner führt und eine Stabilisierung des Prozesses erreicht wird.Für die Versuche wurden kaltgewalzte Bleche (1.4301) mit einer Dicke von 1 mm mittels eines CO 2 -Lasers geschweißt.Als zusätzliche Wärmequelle diente ein Diodenlaser. Die relative Fokusposition des Diodenlasers zurFokusposition des Primärlasers wurde variiert. Das Spaltmaß wurde zwischen 0,05 mm und 0,2 mm verändert. DerProzess wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch abgebildet. Diese beinhaltet die transiente Berechnungdes Temperatur- und Verschiebungsfeldes während des Schweißprozesses mit der Software simufact.welding3.1.2. Der Einfluss der zweiten Wärmequelle auf die Verschiebung der Fügepartner im Schweißprozesswird beschrieben. Die optimale Position der sekundären Wärmequelle auf das Schweißergebnis wurde numerischund experimentell bestimmt. Die Ergebnisse der Simulation zeigen eine hohe Übereinstimmung mit denenaus den Versuchen.1 EinleitungNichtrostende austenitische Stähle zeichnen sichdurch eine hohe Umformbarkeit aus. So können durchUmform- und Fügeprozesse große und komplexe 3D-Baugruppen hergestellt werden, die sich durch GasundFlüssigkeitsdichtheit auszeichnen und deshalbzahlreiche Anwendungen, wie zum Beispiel in derHerstellung von Behältern, Rohrleitungen, Armaturenetc., finden. Zum stoffschlüssigen Fügen von Bauteilenaus nichtrostenden Stählen eignet sich das Laserstrahlschweißen,welches ein in der Industrie verbreitetesVerfahren ist. Es zeichnet sich durch eine hoheLeistungsdichte aus, die im Vergleich zum MSG- oderWIG-Schweißen zu einem reduzierten Wärmeeintragin das Bauteil führt. Somit kommt es zu einer verkleinertenAusbildung der wärmebeeinflussten Zone unddie Verzugsausbildung kann reduziert werden. Diegeringe thermische Leitfähigkeit und hohe Wärmeausdehnungvon austenitischen Stählen führt beimSchweißen zu Herausforderungen. Diese Verformungenkönnen bei Blechen zu einer Ab- oder Zunahmedes Spaltes zwischen den Fügepartnern führen. BeiÜberschreitung von Prozessgrenzen kann es zu Instabilitäten,gar zum Prozessabbruch kommen. Umreproduzierbare und gleichmäßige Bedingungen fürden Schweißprozess zu gewährleisten, können Heftstellenoder Heftpunkte im Abstand von 20 mm –40 mm entlang der zu fügenden Bleche realisiert werden[1]. Diese unterbinden die Verschiebung der Blecheim Prozess, führen aber zu einem erhöhtem Vorbereitungsaufwand.Beim Laserstrahlschweißen werdendaher bevorzugt massive Schweißvorrichtungeneingesetzt, die die auftretenden Kräfte aufnehmenund die Fügepartner in Position halten. Gleichwohlsollen Spannvorrichtungen zu keiner Verformung oderUmformung beispielweise in Dickenrichtung führen,da somit gerade bei hochwertigen Bauteilen ein verändertesoptisches Aussehen erzeugt wird. Da häufigdiese Stähle im polierten Zustand, d.h. faktisch spiegelnd,zum Einsatz kommen, ist jede Unregelmäßigkeitzu erkennen und wird als qualitätsmindernd betrachtet.Somit können diese Vorrichtungen in derRegel nicht universell ausgelegt werden, sondern eswerden für jede Schweißaufgabe separate Vorrichtungenrealisiert und eingesetzt, was wiederrum zuhohen Investitionskosten führt.Zum Beschreibung der Prozesse beim Schweißenund zur Vorhersage von Verzug bietet sich der Einsatzder numerischen Simulation an. So zeigen beispielsweisedie Ergebnisse in [2], dass durch einegezielte Auswahl der Lasereinstellgrößen die Verzugsausbildungreduziert werden kann. Die Ergebnisseaus der Simulation stimmen hierbei gut mit denenaus den Experimenten überein, zeigen jedoch dasVerhalten nach dem Schweißen und gehen nicht aufdie Prozessstabilisierung beim Schweißen ein.Eine weitere Möglichkeit, den Verzug beim Schweißenzu kompensieren und damit die Prozesssicherheitzu erhöhen, stellt der Einsatz von zusätzlichen Wärmequellendar. Dem liegt die Annahme zu Grunde,dass ein lokaler Wärmeeintrag und die daraus resultierendeWärmeausdehnung zu einer Kompensationder prozessbedingten Verschiebung der Fügepartnerführt. Dadurch kann eine Stabilisierung des Fügeverfahrensrealisiert und die Kosten für Spannsystemeeingespart werden. Als Wärmequelle bietet sich hierbeider Einsatz eines zusätzlichen Lasers an.10 DVS 306