DVS Berichte 306 Leseprobe

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