Leseprobe_300320

2017
DVS-BERICHTE
36. Assistentenseminar
Füge- und
Schweißtechnik

36. Assistentenseminar
Füge- und Schweißtechnik
Vorträge der gleichnamigen Veranstaltung
in Reinsehlen vom 5. bis 7. Oktober 2015
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik,
RWTH Aachen
Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb,
Technische Universität Berlin
Institut für Füge- und Montagetechnik,
Technische Universität Chemnitz
Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren,
Technische Universität Clausthal
Institut für Fertigungstechnik,
Technische Universität Dresden
Institut für Werkstoff- und Fügetechnik,
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Füge- und Schweißtechnik,
Technische Universität Braunschweig

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de
abrufbar.
Das Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik findet mit wechselndem Veranstalter statt.
Das 36. Assistentenseminar wurde vom Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU
Braunschweig veranstaltet. Besonderer Dank gilt den folgenden Personen:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Klaus Dilger und
Ann-Christin Hesse, M. Sc.
Ein ganz besonderer Dank gilt auch der Sekretärin des Instituts für Füge- und Schweißtechnik,
Frau Silke Karwehl, für die Unterstützung bei der Organisation.
DVS-Berichte Band 320
ISBN 978-3-945023-57-0
Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung jeglicher
Art dieses Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2017
Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH, Hamm

Vorwort
Zum 36. Mal lud die Wissenschaftliche Gesellschaft Fügetechnik (WGF) im DVS die schweißtechnischen
Institute Deutschlands zum jährlichen Assistentenseminar ein. Die Organisation
wurde in diesem Jahr durch das Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig
durchgeführt. An der Veranstaltung nahmen folgende Institute und Fachbereiche teil:
– Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen,
– Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin,
– Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren der TU Clausthal,
– Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der OvGU Magdeburg,
– Institut für Fertigungstechnik der TU Dresden,
– Institut für Füge- und Montagetechnik der TU Chemnitz,
– Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig.
Ein großer Dank gilt an dieser Stelle der Wissenschaftlichen Gesellschaft Fügetechnik für die
finanzielle Unterstützung der Veranstaltung.
Das Assistentenseminar fand vom 5. bis 7. Oktober 2015 im Camp Reinsehlen bei Schneverdingen
statt und hatte 34 Teilnehmer. Die jährliche Veranstaltung des Assistentenseminars
bietet den jungen Wissenschaftlern der schweiß- und fügetechnischen Institute eine gute
Plattform für den fachlichen Dialog zwischen den Kollegen, Oberassistenten und Professoren.
In den 20 Fachvorträgen aus den verschiedenen Themengebieten des Schutzgasschweißens,
des Reibschweißens, des Widerstandsschweißens, des Fügens mit strahltechnischen
Verfahren, des Leichtbaus, des Schraubens, der Werkstoffprüfung, der Industrialisierung
sowie der Simulation konnten die Teilnehmer ihre aktuellen Forschungsergebnisse vorstellen
und zur Diskussion stellen.
Neben dem fachlich geprägten Teil der Veranstaltung sorgten die Fackelwanderung durch die
Heide, das gemütliche Beisammensein am Lagerfeuer und das gemeinschaftliche Erkunden
des Kletterparks für eine gute Kommunikation zwischen den Teilnehmern.
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger und
Ann-Christin Hesse, M. Sc.

Vortragsabfolge
AUTOR TITEL SEITE
Niklas Holtum Laserstrahlschweißen unter mobilem Vakuum (MoVak) 1
Fabian Teichmann
Juliane Stützer
Cagtay Fabry
Kai Treutler
Kevin Höfer
Martin Christ
Sebastian Neubert
Kevin Abstoß
Nico Hempel
Marcus Körner
Verringerung der Porenbildung beim Laserstrahlschweißen
von Aluminium-Druckgusslegierungen durch reduzierten
Umgebungsdruck und Doppelfokustechnik
Auswirkungen metallurgischer sowie technologischer
Einflussgrößen auf die Porenbildung beim MSG-
Schweißen von Superduplexstählen
Automatisierungs- und Regelkonzepte für das MSG-
Engspaltschweißen
Beeinflussung des MSG-Schweißprozesses und der Eigenschaften
des Schweißgutes durch Zusatzelemente auf der
Drahtoberfläche
Bewertung von Einflussfaktoren auf die Schweißrauchemission
von Fülldrähten
Emissionsminimierung für industriell relevante Metall-
Schutzgas-Schweißprozesse unter Einhaltung einer
geforderten Nahtqualität
Numerische Einflussanalyse der chemischen Entmischung
auf die Ausbildung der Schweißeigenspannungen und des
Schweißverzuges einer nicht gleichartigen Schweißverbindung
Einsatz von thermo-physikalischer Simulation für Untersuchungen
der Wärmeeinflusszone eines experimentellen
9%-Cr-Stahls
Untersuchungen des Eigenspannungszustandes an MAGgeschweißten
Rohr-Rohr-Verbindungen mittels Röntgenbeugung
Anwendungsfälle der Prozesssimulation anhand des
Reibschweißverfahrens
6
13
21
27
33
38
44
53
60
67

Reza Kaboli
Marvin Hecht
Erik Zokoll
Numerische Simulation des Wärmeleitungsschweißens mit
Laser und daraus resultierende Phasenumwandlungen am
Beispiel von C45
Hochleistungsverschleißschutzsysteme zum Strukturleichtbau
für Anwendungen unter feinabrasiv-erosiver
Beanspruchung
Modulare Vorrichtungssysteme und Überwindung von
Industrialisierungsbarrieren
77
82
89
Annika Lamm Fließlochformendes Schrauben von Mischverbindungen 95
Swenja Kamper
Nasim Bakir
Ann-Christin Hesse
Matthias Kuhlmann
Markus Köhler
Hochgeschwindigkeitsprüfungen von Aluminiumknetlegierungen
Untersuchungen der Heißrissanfälligkeit laserstrahlgeschweißter
Verbindungen austenitischer Stähle
Konzept zur Untersuchung des Einflusses von Härteund
Gefügezustand strahlgeschweißter Verbindungen
an Feinkornbaustählen auf deren Versagensverhalten
Methode zur Analyse und Bestimmung des Wasserstoffverhaltens
im höchstfesten Stahl 22MnB5
Qualifizierung eines innovativen Pulverdosierers für die
Herstellung von Nachverzinkungen auf Laserschweißnähten
101
106
112
118
126
Autorenverzeichnis .......................................................................................................... 133

Laserstrahlschweißen unter mobilem Vakuum (MoVak)
N. Holtum, S. Olschok und U. Reisgen, Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik, RWTH Aachen
Das Laserstrahlschweißen ist ein Prozess, der mittlerweile in einer Vielzahl von Ausprägungen in der
industriellen Fertigung angekommen ist. In unterschiedlichen Varianten und auch als hybride Prozesse,
z.B. in Kombination mit Lichtbogenverfahren, wird der Laserstrahl an einem weit gefassten Werkstoffspektrum
von Kunststoffen über den typischen Einsatz an Stählen bis zu speziellen Anwendungen
an Kupfer und Refraktärmetallen eingesetzt. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Strahlquellen
und Optiken kann dabei ein weiter Bereich an Einsatzmöglichkeiten von der Mikrosystemtechnik bis
zum Schwermaschinenbau abgedeckt werden. Bei allen Prozessvarianten des Laserstrahlschweißens
im Dickblechbereich zeigen sich jedoch Defizite in erreichbaren Einschweißtiefen und Nahtqualitäten
gegenüber dem Elektronenstrahlschweißen. Mit dem Laserstrahlschweißen unter Vakuum (LaVa) wurde
eine Prozessvariante entwickelt, mit der sich neue Anwendungsfelder für das Laserstrahlweißen erschließen.
Dies schließt vor allem das Schweißen von Strukturen mit großen Wandstärken aber auch
das energie- und qualitätsoptimierte Fügen bei geringen Einschweißtiefen ein. Um dieses Verfahren
auch für Inudstrie nutzbar zu machen, muss es wieterentwickelt werden sodass es schnell, mobiel und
universell Einsetzbar ist.
1 Einleitung
Durch ihre prozesstypischen Eigenschaften decken
das Laserstrahlschweißen (LBW) und das
Elektronenstrahlschweißen (EBW) eigene Einsatzgebiete
ab. Für beide Verfahren stehen unterschiedliche
Varianten zur Verfügung, die das
Schweißen eines weit gefassten Werkstoffspektrums
in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten,
vom Schwermaschinenbau bis hin zur
Mikrosystemtechnik, ermöglichen. Im Bereich der
Strahlschweißverfahren gibt es seit Jahren
kostante Bestrebungen, die Einsatzmöglichkeiten
zu verändern bzw. zu erweitern. Dazu gehören
unter anderem auch die Weiterentwicklung der
Anlagentechnik sowie die Verbesserung der mathematischen
Modelle zur Prozesssimulation und
der Vorhersage von Schweißergebnissen. Mit
dem Laserstrahlschweißen unter Vakuum (LaVa)
wird eine Prozessvariante untersucht, mit der
sich gegebenenfalls neue Anwendungsfelder
erschließen lassen, insbesondere das Schweißen
von großen Blechdicken. Das benötigte Vakuum
ist in vielen Fällen abschreckend für die
Anwender. Beim Schweißen von Großbauteilen
(längsnahtgeschweißte Rohre) steigen die Kosten
exponentiell mit der Kammergröße. Aus diesem
Grund ist es wünschenswert, lokale Vakua
zu erzeugen, um die Schweißzeiten und die Kosten
in der Produktion weiter zu senken.
2 Stand der Technik
Laserstrahlschweißen an Atmosphäre und
Elektronenstrahlschweißen
Die Strahlschweißverfahren (Laserstrahlschweißen
und Elektronenstrahlschweißen) zeichnen
sich durch eine hohe Energieintensität an der
Werkstückoberfläche aus, wobei sich die Mechanismen
der Strahl-Stoff-Wechselwirkung deutlich
voneinander unterscheiden. Beiden gemein ist
der Tiefschweißeffekt, d.h. die Ausbildung einer
Dampfkapillare. Hierdurch können Schweißnähte
mit einem sehr großen Aspektverhältnis von
Nahttiefe zu Nahtbreite erreicht werden.
Der Elektronenstrahl wird im Strahlerzeuger generiert,
geformt und fokussiert. Die emittierten
Elektronen erreichen dabei bis zu 70 % der
Lichtgeschwindigkeit und Leistungsdichten am
Werkstück von bis zu 10 7 W/cm 2 . Die kinetische
Energie des Strahls wird in Wärmeenergie umgewandelt.
Bei geringen Intensitäten betragen
die Verluste bei der Einkopplung ca. 30 %. Ab
einer Grenzintensität verdampft der Werkstoff
und es bildet sich eine Dampfkapillare und somit
der Tiefschweißeffekt aus, Abbildung 1. Mit
Ausbildung der Kapillare sinken die Verluste
durch gestreute Elektronen auf ca. 10 %. Daneben
wird ca. 1 % der eingebrachten Energie in
Röntgenstrahlung umgewandelt. [1,2,3]
Der Laserstrahl trifft dagegen als Bündel fokussierter
elektromagnetischer Wellen mit definierter
Wellenlänge auf die Werkstückoberfläche. Bei
geringen Intensitäten wird dabei nur ein sehr
kleiner Anteil der Strahlleistung an der Werkstückoberfläche
absorbiert. Je nach Werkstoff
liegt der Verlust durch Reflektion bei 70 (Fe) –
DVS 320 1

95 % (Al). Genau wie beim EB-Schweißen bildet
sich ab einer Grenzintensität eine Dampfkapillare
aus, in der die Laserstrahlung vielfach reflektiert
wird. Durch die wiederholte Reflektion und Absorption
sinken die Verluste mit zunehmender
Tiefe der Dampf-kapillare drastisch auf Werte

Der Hauptgrund der zu beobachtenden Prozessveränderungen
liegt in der Beeinflussung der
Verdampfungstemperaturen der Werkstoffe und
der weitgehenden Druckunabhängigkeit ihrer
Schmelztemperaturen. Am Bespiel der Dampfdruckkurve
der wichtigsten Bestandteile unlegierter
Stähle, Eisen und Mangan, wird dies besonders
deutlich, Abbildung 5.
Die Abbildung 6 zeigt den Vergleich bei 16 kW
Strahlleistung und unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten
unter Atmosphärendruck (jeweils
rechts) und unter 10 -1 hPa (jeweils links). Deutlich
sind die Veränderungen der Einschweißtiefe und
Nahtgeometrie erkennbar. Dabei wird augenscheinlich,
dass der Effekt der Einschweißtiefensteigerung
mit abnehmender Schweißgeschwindigkeit
zunimmt.
3 Laserstrahlschweißen unter
mobilem Vakuum (MoVak)
Abbildung 5: Dampfdruckkurven von Eisen, Mangan
Die Reduzierung des Arbeitsdrucks in der Vakuumkammer
von Atmosphärendruck bis auf
10 -1 hPa führt zu einer signifikanten Verringerung
der Verdampfungstemperatur der Legierungsbestandteile.
Im beschriebenen Fall liegt die Verringerung
der Siedetemperatur von Eisen bei über
1300°K.
Diese Verringerung führt zu mehreren Auswirkungen.
Als erster Effekt wird weniger Energie
benötigt, um den Werkstoff in die Gasphase zu
überführen. Daneben zeigen die Untersuchungen,
dass sich die Grenzintensität zum Übergang
in den Tiefschweißeffekt verringert, Abbildung 3.
Das Gros der bisherigen Untersuchungen zum
Laserstrahlschweißen im Vakuum fand im
Druckbereich von 10 -1 hPa statt. Eigene Untersuchungen
und frühere Forschungsarbeiten deuten
darauf hin, dass eine weitere Verringerung
des Vakuumdrucks nicht zu einer weiteren, deutlichen
Steigerung der erreichbaren Einschweißtiefen
führt. Im Hinblick auf eine mögliche Optimierung
des Verhältnisses zwischen Einschweißtiefe,
Nahtqualität und Aufwand der Vakuumerzeugung
wurden erste Versuchsreihen mit höheren
Drücken von 50, 100 und 200 hPa durchgeführt.
Abbildung 6: Vergleich ATM und 10 -1 hPa bei 16 kW
Der dritte Effekt der Siedepunkt-Verringerung tritt
in Verbindung mit der weitgehenden Druckunabhängigkeit
der Schmelzpunkte in den Vordergrund.
Die geringere Temperatur an der Phasengrenze
zwischen Dampfkapillare und Oberfläche
des Schmelzemantels bewirkt vermutlich in
Kombination mit dem unveränderten Schmelzpunkt
eine Verringerung der Dicke des
Schmelzmantels um die Dampfkapillare. Durch
die Verringerung des Schmelze-Volumens ist die
Dampfkapillare stabiler und die Schweißnaht ist
deutlich schmaler ausgeprägt und weist im Allgemeinen
parallele Nahtflanken auf, Abbildung
6.
Abbildung 7: Druckeinfluss LaVa
Dabei zeigt sich, dass selbst bei diesen geringen
Vakuumanforderungen noch gute Nahtqualitäten
mit deutlichen Einschweißtiefensteigerungen
gegenüber dem Laserstrahlschweißen an Atmosphäre
erzeugt werden können. Als besonders
geeignet erscheint dabei der Druckbereich von
50 bis 100 hPa. Hier werden bei guter Nahtqualität
immer noch 75 – 80 % der Einschweißtiefe
von 10 1 hPa erreicht, Abbildung 7.
DVS 320 3

Aufgrund der erzielten Ergebnisse liegt es nahe,
mobile Vakua zu erzeugen. Abbildung 8 zeigt
den Versuchsaufbau des am ISF entwickelten
mobilen Vakuumsystems, welches in die Arbeitsstation
eines 16 kW Scheibenlasers integriert
wurde.
Mit diesem System wurde bei ca. 50 hPa und
Geschwindigkeiten von 0,2 bis 1,25 m/min geschweißt.
Abbildung 10 zeigt Querschliffe von
Einschweißungen mit 8 und 16 kW Laserstrahlleistung.
Alle Versuche verliefen weitesgehend
spritzerfrei. In keinem der ausgewerteten Querschliffe
oder der Röntgenbilder waren Poren zu
erkennen.
Abbildung 8: Aufbau des mobilen Vakuumsystems
für das Laserstrahlschweißen
Die mobile Vakuumkammer ist hierbei in zwei
Druckstufen unterteilt. Beide druckstufen werden
von einer, das Werkstück berührenden, Dichtung
umgeben. Die Fokussieroptik ist von der Vakuumkammer
entkoppelt um ein Verschieben des
Fokuspunktes wärend des Schweißtrpzesses
auszuschließen. Der Laserstrahl wird durch ein
Schutzglas an der Oberseite der Kammer in das
Vakuum geführt, Abbildung 9.
Abbildung 9: Prinzipieller Aufbau der mobilen Vakuumkammer
Abbildung 10: Querschliffe Einschweißungen
MoVak, 50 hPa
In Abbildung 11 sind die Schliffe zweier Verbindungsschweißungen
am Nullspalt zu sehen. Bei
der linken Schweißung wurde zuvor die Wurzel
mit einem anderen Prozess (z.B. LBW an Atmosphäre
oder WIG, in diesem Fall das LBW) geschlossen
und anschließend der Rest der Naht
mit dem MoVak-Verfahren von der anderen Seite
geschweißt. Bei der rechten Schweißnaht handelt
es sich um eine Schweißung in der Lage-
Gegenlage-Technik wobei an der Rückseite des
Nullspaltes Atmosphärendruck herschte.
Ziel zukünftiger Forschungsarbeiten am ISF ist
es nun, dieses System für anwendungsnahe
Aufgabenstellungen mit dem Laserstrahl aber
auch mit dem Elektronenstrahl zu erproben, zu
optimieren und die Grenzen des Verfahrens heraus
zu finden.
4 DVS 320

erleichtert deutlich das prozesssichere Fügen
von Großbauteilen, die i.A. sehr aufwändig vollständig
zu entmagnetisieren sind.
Die Vorteile gegenüber dem Laserstrahlschweißen
an Atmosphäre sind die signifikant gesteigerte
Einschweißtiefe, geringer Spritzerbildung
und die deutlich verbesserte Schweißnahtqualität.
Insgesammt zeigt das Laserstrahlschweißen
unter Vakuum (vorallem das Laserstrahlschweißen
mit mobilem Vakuum) großes Potential um
Prozesse in der Industrie zu optimieren.
5 Literaturverzeichnis
Abbildung 11: Querschliffe Verbindungsschweißungen
MoVak, 50 hPa
4 Fazit
Die hier vorgestellten Untersuchungen zeigen
das enorme Potential des Laserstrahlschweißens
unter Vakuum. Mit der neuen Verfahrensvariante
ist es möglich bei vergleichbaren Schweißparamtern
die Nahtqualität und Einschweißtiefe von
elektronenstrahlgeschweißten Nähten zu erreichen.
Darüber hinaus besitzt das Laserstrahlschweißen
im Vakuum noch einige prozessbedingte
Vorteile gegenüber dem EB-Schweißen:
Das Verfahren benötigt für den optimalen Einsatz
Vakuumdrücke im Bereich von 10 -1 Pa. Diese
Drücke können technisch einfach von Vakuumpumpen
erzeugt werden, die bei Elektronenstrahlschweißanlagen
als Vorpumpen eingesetzt
werden. Das Druckniveau erlaubt zudem die
deutlich schnellere Evakuierung von großvolumigen
Arbeitskammern.
Wird der Arbeitsdruck des Verfahrens weiter in
Richtung 50 hPa gesteigert, ermöglicht dies die
Realisierung von kleinen, mobilen Vakuumkammern,
die mit dem Schweißprozess über das
Werkstück geführt werden. Diese mobilen Vakuumkammern
können auch das Elektronenstrahlschweißen
optimieren, da die Evakuierungszeten
geringer sind und man bei großen Bauteilen auf
Großraumkammern verzichten kann.
Ein nicht zu unterschätzender Vorteil des Laserstrahlschweißens
im Vakuum gegenüber dem
Elektronenstrahl ist die Unempfindlichkeit des
Strahls gegenüber magnetischen Feldern. Dies
[1] Dobeneck, D., Löwer,T., Adam, V.:
Elektronenstrahlschweißen – Das
Verfahren und seine industrielle
Anwendung für höchste Produktivität; Verla
Moderne Industrie, 2001
[2] Träger, G.: Elektronenstrahlschweißen
pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoffe;
Aachener Berichte Fügetechnik 4, Shaker
Verlag, 2002
[3] Woeste, K.: Elektronenstrahlschweißen
metallischer Werkstoffkobinationen;
aachener Berichte Fügetechnik 4, Shaker
Verlag, 2005
[4] Pletei, H.: Analyse und Modellierung der
Keyhole-Dynamik beim Laserstrahlschweißen
von Aluminiumlegierungen, 2001
[5] Matthes, K.J., Richter, E.: Schweißtechnik
– Schweißen von metallischen Konstruktionenswerkstoffen,
Technica, Rupperswil
51, 2002
[6] Olschok, S.: Laserstrahl-Lichtbogen Hybridschweißen
von Stahl im Dickblechbereich,
Aachener Berichte Fügetechnik 3,
Shaker Verlag, 2008
[7] Chang, C. L.: Berechnung der Schmelzbadgeometrie
beim Laserstrahlschweißen
mit Mehrfokustechnik, Laser in der Baterialbearbeitung
– Forschungsberichte des
IFSW6, Herbert Utz Verlag, 2000
[8] Arata, Y., Abe, N., Oda, T., Tsujii, N.: Fundamental
phenomena during vacuum laser
welding, ICALEO ’85 Materials Processing
Symp., Laser Inst. Of America 44, 1985
[9] Verwaerde, A., Fabbro, R.: Experimental
study of continuous CO2 laser welding at
subatmospheric Pressures, Journal of Applied
Physics 78, 1995
DVS 320 5

Verringerung der Porenbildung beim Laserstrahlschweißen von
Aluminium-Druckgusslegierungen durch reduzierten Umgebungsdruck
und Doppelfokustechnik
F. Teichmann, M. Köhler, H. Pries und K. Dilger, Institut für Füge- und Schweißtechnik,
Technische Universität Braunschweig
Das Schweißen von Aluminium-Druckgusslegierungen stellt aufgrund wasserstoffinduzierter Porenbildung
durch die im Werkstoff vorliegenden gelösten Gase sowie Trennstoff- und Gaseinschlüsse eine
Herausforderung dar. Stand der Technik zum prozesssicheren Schweißen von Aluminium-Druckguss
Legierungen ist das Elektronenstrahlschweißen. Dabei können durch das Schweißen im Hochvakuum
und hochfrequenter Strahloszillation selbst Gussbauteile mit schwankender Qualität prozesssicher gefügt
werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Laserstrahlschweißen unter reduziertem
Druck mit und ohne die simultane Anwendung der Doppelfokustechnik als weitere Möglichkeit zum
Schweißen von Aluminium-Druckgusslegierungen im Hinblick auf die Möglichkeiten zur Verringerung der
Porenbildung untersucht. Dazu wurden Laserstrahlschweißungen mit einem Festköperlaser mit und ohne
Verwendung der Doppelfokustechnik bei verschiedenen Umgebungsdrücken erstellt und mit Hilfe
metallographischer Untersuchungen sowie Computertomographie hinsichtlich ihrer Qualität bewertet.
1 Einleitung
Beim Schweißen von Aluminium-Druckgusslegierungen
stellt Wasserstoffporosität sowie die
durch das Überschweißen von Trennstoff- und
Gaseinschlüssen entstehenden Durchschüsse
eine maßgebliche Herausforderung dar. Derzeit
wird diese Herausforderung hauptsächlich durch
das Elektronenstrahlschweißen mit Hilfe hochfrequenter
Strahloszillation bewältigt. Elektronenstrahlschweißanlagen
sind nur in wenigen
schweißtechnischen Betrieben verfügbar sondern
auch verhältnismäßig kostenintensiv im
Unterhalt und Betrieb. Laserquellen dagegen
sind zum einen weiter verbreitet und ermöglichen
zum anderen eine flexible Strahlführung was den
Einsatz an verschiedenen Orten und für verschiedene
Prozesse ermöglicht. Das prozesssichere
Laserstrahlschweißen ist derzeit aufgrund
der, im Bereich von Gussfehlern auftretenden
Durchschüsse, allerdings nicht möglich. Insbesondere
in Industriezweigen wie dem Druckgehälterbau
aber auch im Automobilbau und der
Luftfahrt ist das Schweißen porenarmer, meist
druckdichter und schmaler Schweißnähte erforderlich.
Daher wird im Rahmen der vorliegenden
Untersuchungen der Einfluss des Umgebungsdrucks
und der Einsatz von Doppelfokustechnik
auf das Laserstrahlschweißen von Aluminium-
Druckgusslegierungen überprüft. Auf diese Weise
soll eine mögliche Erweiterung des Anwendungsspektrums
der Lasertechnik geprüft werden.
2 Stand der Technik
Nach verschiedenen Quellen ist das Schweißen
von Aluminium-Druckguss als gesamtheitliche
Prozesskette bestehend aus Gießen und
Schweißen zu betrachten. Ursächlich dafür ist,
das verschiedene gießtechnische Parameter die
Schweißeignung des Druckguss-Werkstoffs stark
beeinflussen. [1, 2]
Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt,
dass die Schweißeignung von Aluminium-Druckgusslegierungen
maßgeblich von den Legierungsbestandteilen,
der Trennstoffzusammensetzung,
den im Bauteil eingeschlossenen Gasen
sowie den daraus resultierenden Wasserstoff-,
Stickstoff- und Kohlenstoffgehalten resultieren.
Stickstoff liegt dabei meist in der während dem
Druckguss Prozess eingeschlossenen Luft vor
und Kohlenstoff repräsentiert den Anteil der in
die Schmelze eingespülten Trennmittel. [2] Ferner
wurde in diversen Arbeiten nachgewiesen,
dass der Wasserstoffgehalt für die Schweißeignung
entscheidend ist. Wasserstoff kann durch
verschiedenste Quellen entlang der Druckgussprozesskette
in das Druckgussbauteil gelangen.
Entscheidend für die Aufnahme von Wasserstoff
durch Aluminium ist nach [3] die Temperatur des
Aluminiums. Beim Überschreiten der Schmelztemperatur
steigt die Wasserstofflöslichkeit der
Aluminiumschmelze gegenüber festem Aluminium
nahezu um das zwanzigfache an. Aus diesem
Grund ist eine Kontamination der Schmelze
in nahezu jedem Prozessschritt beim Gießen
möglich. [1]
6 DVS 320

Beim Druckgießen werden sogenannte Masseln
eingeschmolzen, dabei können die Masseln bereits
durch Verunreinigen und Wasser kontaminiert
sein. Weiterhin wird, abhängig von der spezifischen
Prozessführung, die entstehende
Schmelze im Warmhalteofen bis zum Vergießen
gelagert. Beim Gießen wird die Schmelze mit
einem Dosierlöffel aus dem Warmhalteofen über
den Gießlauf in die Gießkammer befördert. Der
Gießkolben presst die Schmelze im weiteren
Verlauf in die Form, in der das Bauteil dann erstarrt.
Wasserstoff kann somit während der gesamten
Prozesskette an allen beschriebenen
Stellen der Prozesskette in das Bauteil aufgenommen.
[1]
Bedingt durch den Herstellungsprozess liegen im
fertiggestellten Bauteil Hydride, gelöste Gase,
Poren und Lunker sowie Trennstoffreste vor. Das
Überschweißen im Druckguss vorliegender
Rückstände und Gussfehler führt meist zu
Durchschüssen und der Entstehung von
Schweißnahtporosität. Nach [4] werden Poren
hinsichtlich ihres Ursprungs in mechanisch und
metallurgisch gebildete Poren unterteilt.
Schweißnahtimperfektionen entstehen beim
Schweißen von Druckguss zum einen metallurgisch
durch den Zerfall von Hydriden zu Wasserstoff
und Aluminium und zum anderen mechanisch
durch das Überschweißen von Gasporositäten
und Lunkern durch rapide Expansion der
eingeschlossenen Gase [2, 5]. Die mechanische
Porenbildung wird zusätzlich durch die poröse
Gusshaut von Aluminium-Druckguss begünstigt,
da diese das Einlagern von Schmutz und Feuchtigkeit
begünstigt. [1]
Zum prozesssicheren Schweißen von Aluminium
Druckgussbauteilen mit dem Elektronenstrahl
existieren verschiedene Veröffentlichungen. In [6]
werden verschiedene Strahlschweißverfahren
zum Schweißen von Aluminium-Druckguss vergleichen.
Dabei wird das Elektronenstrahlschweißen
als für das Schweißen von Aluminium-Druckguss
zu präferierendes Verfahren bewertet,
das Laserstrahlschweißen hingegen als
weniger geeignet. Ursächlich für die Bewertung
war das erhöhte Auftreten von Porosität und
Durchschüssen beim Laserstrahlschweißen. Neben
dem konventionellen Laserstrahlschweißen
etabliert sich seit einigen Jahren das Laserstrahlschweißen
mit Festkörperlaser unter reduziertem
Druck. In verschiedenen Veröffentlichungen wurden
diverse Einflüsse des Umgebungsdrucks auf
Schweißprozess und –ergebnis nachgewiesen.
Katayama et al. haben in [7] nachgewiesen, dass
sich das Schmelzbad unter reduziertem Druck im
allgemeinen ruhiger verhält als an Atmosphäre.
Ferner haben Amara et al. zeigen können, dass
die Geschwindigkeit des aus der Dampfkapillare
ausströmenden Metalldampfs unter reduziertem
deutlich ansteigt [8]. Eine Reduktion der
Schweißspritzerbildung konnten Börner et. al in
[9] nachweisen. Außerdem wird in weitere Veröffentlichungen
wie beispielsweise [10] von einer
Steigerung der Einschweißtiefe unter reduziertem
Druck berichtet.
a) Glaskeil b) Doppelkeil c) Strahladdition
Abbildung 1: Prinzipskizze Doppelfokus, (1) Laserlichtkabel,
(2) Kollimator, (3) Objektiv, (4) Quarzglaskeil,
(5) Doppelkeil [11]
Ein weiterer Ansatz zur Reduktion von Prozessporen
durch eine Begünstigung der Strömungsverhältnisse
im Schmelzbad stellt die
Doppelfokustechnik dar. Dabei wird der Laserstrahl
geteilt und aufgeweitet. Dies kann entweder
durch Strahlteilung (siehe Abbildung 1 a), b))
eines Strahls oder Strahladdition mehrerer Fasern
(siehe Abbildung 1 c)) erfolgen. Bei der
Strahlteilung wird zwischen Kollimator und Fokussierlinse
ein Strahlteilerkeil eingebracht.
Winkler konnte in [5] unter anderem zeigen, dass
das Laserstrahlschweißen von Aluminium-
Druckguss mit Doppelfokustechnik an Atmosphäre
insbesondere die Entstehung von Poren
>500 µm verringert und das Schweißen bei höheren
Geschwindigkeiten und hoher Nahtqualität
ermöglicht.
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die Kombination
aus Doppelfokus und reduziertem Umgebungsdruck
als Maßnahmen zur Qualitätssteigerung
im Hinblick auf die Porosität beim
Schweißen von Aluminium-Druckguss zu Untersuchen.
Die Ergebnisse der Doppelfokusschweißungen
sollen dabei mit vergleichbaren Schweißungen
mit Einzelfokus im Unterdruck verglichen
werden.
DVS 320 7

3 Experimentelle Arbeit
Tabelle 1: Überblick Parametervariation
Parameter
Wertebereich
Druck
100 / 10 / 0,1 mbar
Fokuslage -2
Fokusanzahl 1 / 2
Fokusanordnung
tandem
Schweißgeschwindigkeit 2 / 4 / 6 m/min
Leistung
1,5 / 1,8 / 2,5 kW
Legierung
EN-AC-AlSi10MgMn /
AC-AlSi10MgMn(Fe)
Mit dem Ziel den Einfluss von Umgebungsdruck
und Doppelfokustechnik auf das Schweißergebnis
beim Schweißen von Aluminium-Druckguss
zu untersuchen wurden verschiedene Versuchsreihen
durchgeführt. An erster Stelle wurden Einstellversuche
mit Doppel- und Einzelfokus durchgeführt.
Dabei wurde der Streckenenergiebedarf
für eine 3 mm Einschweißung in eine 4 mm starke
Aluminium-Druckgussplatte bei Schweißgeschwindigkeiten
von v s = 2/4/6 m/min ermittelt.
Der Umgebungsdruck wurde dabei konstant bei
10 mbar gehalten und die Leistung variiert. Die
ermittelte Leistung wurde dann für die Schweißversuche
der folgenden Versuchsreihen übernommen.
Diese umfassten die Variation von
Umgebungsdruck, Schweißgeschwindigkeit Fokusanzahl,
Fokuslage und Druckgusslegierung,
wie in Tabelle 1 dargestellt.
Zur Durchführung der Schweißversuche wurde
eine Laserstrahlquelle der Firma Trumpf vom Typ
TruDisk6002D mit einer Wellenlänge von
l = 1030 nm und einem Strahlparameterprodukt
von SPP = 8,0 mm*mrad verwendet. Weiter wurde
eine Bearbeitungsoptik vom Typ BEO D70 der
Firma Trumpf genutzt mit einer Kollimation von
200 mm, einer Brennweite von 280 mm, einem
Abbildungsverhältnis von 1:1,4 sowie einer Rayleighlänge
von 2,810 mm. Ferner wurde mit
einem Lichtleiterdurchmesser von 200 µm gearbeitet.
Versuche mit Doppelfokus wurden mit
Hilfe eines Glaskeils zwischen Kollimation und
Fokussierlinse (siehe Abbildung 1 a)) durchgeführt.
Der verwendete Strahlteiler erzeugt zwei
Foki mit gleicher Intensität und einem konstanten
Abstand von 0,58 mm. Alle Versuche wurden an
der Laservakuumschweißanlage (siehe Abbildung
2: Laservakuumschweißanlage am ifs) des
ifs durchgeführt. Die Anlage verfügt über einen x-
y Manipulator sowie eine Drehvorrichtung. Für
die vorliegenden Untersuchungen wurde ein Laborhubtisch
auf dem x-y Manipulator montiert
und mit einem Schraubstock zur Aufnahme der
Schweißproben versehen.
Abbildung 2: Laservakuumschweißanlage am ifs
Alle Versuchswerkstoffe wurden auf der Druckgussmaschine
(Bühler Evolution B53D) des
Leichtmetallzentrums in Soltau (LMZS) vergossen.
Werkstoffseitig wurden zwei verschiedene
Druckgusslegierungen verwendet (siehe Tabelle
2). Zum einen wurde eine EN-AC-AlSi10MgMn
(trimal®-05) mit einem Dichteindex von 6,6 %
und zum anderen eine AC-AlSi10MgMn(Fe) Sekundärlegierung
mit einem Dichteindex von
0,8 % vergossen. Der Dichteindex, auch als Unterdruck-Dichteprobe
bezeichnet wurde hier als
Qualitätskriterium für die Druckgussqualität herangezogen.
Nach [2] korreliert der Dichteindex
mit dem Wasserstoffgehalt der Aluminiumschmelze
und hat somit einen direkten Einfluss
auf die Schweißeignung des Druckgusswerkstoffs.
Beide Legierungen wurden mit einem
wachsfreien, stark verdünnten Trennstoff und
vakuumunterstützt in Platten der Größe
260x150x4 mm vergossen. Die Geometrie der
verwendeten Druckgussplatten mit Anguss- und
Vakuumsystem ist in Abbildung 3 dargestellt.
Dabei sind in Abbildung 3 a) die Einströmrichtung
der Schmelze angedeutet sowie in 3 b) die daraus
resultierenden Qualitätsbereiche markiert.
Der grün markierte Bereich wurde für die
Schweißversuche mechanisch herausausgearbeitet
um den Einfluss der Gussqualität innerhalb
der Platte zu minimieren.
Tabelle 2: Unterschiede der verwendeten Druckgusswerkstoffe
Bez. Legierung DI Si Fe Mg Mn
[-] [-] [%] [%] [%] [%] [%]
A AlSi10MgMn(Fe) 0,8 10,5 0,61 0,37 0,25
B AlSi10MgMn 6,6 10,9 0,09 0,28 0,57
Auf den herausgearbeiteten Blechen wurden
jeweils drei Schweißungen von 100 mm Länge
mit je 5 mm Ein- und Ausslopebereich durchgeführt.
Bei ca. 80 mm der Schweißnahtlänge wurde
ein Querschliff entnommen. Am Querschliff
wurde die Schweißnahtgeometrie vermessen
und die Porenverlustfläche bestimmt. Der verbleibende
Teil der Schweißnaht wurde im An-
8 DVS 320