SB_18.748NLP

2018
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchung zur
Erhöhung der
Prozesssicherheit und
Wirtschaftlichkeit beim
MSG-Schweißen durch
Laserstabilisierung

INHALTSVERZEICHNIS
1 SYMBOLVERZEICHNIS ................................................................................................................. 2
2 STAND DER TECHNIK UND FORSCHUNG ................................................................................. 3
3 ZIELSTELLUNG UND METHODISCHER ANSATZ ....................................................................... 6
4 LÖSUNGSWEG .............................................................................................................................. 7
5 ARBEITSPAKETE UND ERZIELTE ERGEBNISSE ...................................................................... 8
5.1 AP1 AUFBAU (ISF/LZH) ............................................................................................................ 9
5.2 AP2 REFERENZVERSUCHE (ISF/LZH) ...................................................................................... 20
5.3 AP3 DURCHFÜHRUNG VON SCHWEIßVERSUCHEN MIT VERSCHIEDENEN MSG-SCHWEIßVERFAHREN
MIT LASERSTABILISIERUNG (ISF) .......................................................................................................... 21
5.4 AP 4 ÜBERTRAGUNG AUF DIODENLASER (LZH)......................................................................... 34
5.5 AP5 UNTERSUCHUNGEN BEZÜGLICH DER PROZESSSTABILITÄT UND PRÄZISION DURCH DIE
LASERSTABILISIERUNG (ISF/LZH) ........................................................................................................ 43
5.6 AP 6 INTEGRATION DES LASERSCANNERS (LZH/ISF) ................................................................ 85
5.7 AP 7 BESTIMMUNG DER FÜHRUNGSMÖGLICHKEIT (ISF/LZH) ..................................................... 85
5.8 AP 8 SCHMELZBADBEEINFLUSSUNG (LZH/ISF) ......................................................................... 98
5.9 AP 9 ZUSAMMENFASSENDE BEWERTUNG (LZH/ISF) ............................................................... 107
5.10 AP 10 WIRTSCHAFTLICHKEIT (LZH/ISF) ................................................................................. 109
6 GEGENÜBERSTELLUNG VON ERGEBNISSEN UND ZIELSETZUNG ................................... 112
7 VORAUSSICHTLICHER NUTZEN DER ERGEBNISSE FÜR KMU .......................................... 114
8 ERLÄUTERUNG DER KOSTENAUFTEILUNG ......................................................................... 114
9 VERÖFFENTLICHUNGEN UND TRANSFERMAßNAHMEN .................................................... 115
10 EINSCHÄTZUNG ZUR REALISIERBARKEIT DES VORGESCHLAGENEN UND
AKTUALISIERTEN TRANSFERKONZEPTS ..................................................................................... 117
11 LITERATURVERZEICHNIS .................................................................................................... 117
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2 Stand der Technik und Forschung
Das MSG-Schweißverfahren hat sich seit der ersten Anwendung Ende der vierziger Jahre des
letzten Jahrhunderts zu dem am häufigsten eingesetzten Verfahren bei industriellen
Anwendungen entwickelt. Im Laufe der Zeit wurden das Verfahren und der Lichtbogen als
technologisches Werkzeug immer weiterentwickelt, so dass für viele Anwendungsfälle ein
passender Prozess zur Verfügung steht. In Abbildung 1 sind die heute zur Verfügung
stehenden verschiedenen Arbeitsbereiche der Lichtbögen im Strom-Spannungsdiagramm
abgebildet, wobei sich der Arbeitsbereich des Impulslichtbogens vom Kurzlichtbogen bis zum
Sprühlichtbogen erstreckt. In Abhängigkeit von den Strom-Spannungswerten ergibt sich der
Energieeintrag sowie die Abschmelzleistung und dementsprechend der Einsatzbereich.
Abbildung 1: Lage der Lichtbogenbereiche im Strom-Spannungsdiagramm[34]
Ein wesentlicher Meilenstein bezüglich der verbesserten Einsatzmöglichkeiten des MSG-
Prozesses war die Entwicklung der transistorgesteuerten Schweißstromquelle Anfang der
siebziger Jahre [7]. Hierdurch ergaben sich erweiterte Einsatzmöglichkeiten für den Einsatz
des Lichtbogenschweißprozesses aufgrund der verbesserten Reaktionsgeschwindigkeit bei
dynamischen Beanspruchungen, wie z.B. bei äußeren Störeinwirkungen oder in der
Zündphase. Gleichzeitig bot sich zum ersten Mal die Möglichkeit über die Schweißstromquelle
den Prozessablauf dynamisch zu beeinflussen, was langfristig die Basis für die Entwicklung
der Impulslichtbogentechnik bildete. Weitergehende Entwicklungen befassten sich mit der
Verbesserung der kritischen Zünd- und Endphasen, bei denen durch gezielte
phasenabhängige Steuerung der Energie und der Drahtbewegung eine werkstoffgerechte,
spritzerarme Schweißnaht sichergestellt werden kann [8].
Standen zunächst verfahrenstechnische Probleme im Focus der Entwicklungen, rückten
anschließend immer mehr werkstoffabhängige Aufgabenstellungen in den Vordergrund der
Verfahrensentwicklung. Viele daraufhin entwickelte Lösungsansätze hatten die
Prozessüberwachung des Kurzlichtbogens zum Thema. Mit der Detektion der
Kurzschlussphase und der dadurch entstandenen Möglichkeit einer bedingten Steuerung der
Energieeinbringung konnte die Spritzerbildung reduziert werden [9-11]. Mit der Entwicklung
der leistungselektronisch geregelten, digital gesteuerten Schweißstromquelle Ende der
neunziger Jahre gab es im letzten Jahrzehnt eine sprunghafte Entwicklung von innovativen
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Schweißprozessen, durch die sich neue Anwendungsfelder für das MSG-Schweißverfahren
eröffneten [12-14].
Als eine Alternative zum Lichtbogenschweißen etablierte sich das Laserstrahlschweißen bei
diversen Anwendungen, wie z.B. in der Automobilfertigung. Der Vorteil des
Laserstrahlschweißens liegt in den hohen Einschweißtiefen, den hohen
Schweißgeschwindigkeiten und den daraus resultierenden geringen Wärmeeinflusszonen.
Außerdem weist dieses Schweißverfahren, aufgrund des geringen Bereichs der
Wärmeeinbringung eine hohe Präzision und Prozessstabilität auf. In Abhängigkeit von der
Leistungsintensität der Laserstrahlung am Prozessort kann dieses Verfahren, entsprechend
den Anforderungen der jeweiligen Applikation, entweder zum Wärmeleitungs- oder
Tiefschweißen genutzt werden [15]. Neben den hohen Anforderungen an die
Nahtvorbereitung beim Laserstrahlschweißen sind die hohen Investitionskosten für die
leistungsstarken Strahlquellen und Sicherheitseinrichtungen wesentliche Nachteile.
Durch die Kopplung des Laserstrahlschweißens und des Lichtbogenschweißens zum Laser-
Lichtbogen-Hybridschweißen werden erhebliche Synergieeffekte erzielt. Hierbei werden große
Einschweißtiefen und Prozessgeschwindigkeiten durch den Laserstrahlschweißprozess und
das Ausgleichen von Fügespalten durch den Lichtbogenprozess erreicht. Somit werden die
Nachteile der jeweiligen Verfahren kompensiert, so dass für viele Anwendungsfälle technische
und wirtschaftliche Vorteile erschlossen werden können [16-18]. Weitere Vorteile aus der
Synergie von Laserstrahl- und Lichtbogenschweißen sind hohe Prozessstabilität, geringer
Aufwand für die Nahtvorbereitung, kurze Fertigungszeiten, reduzierte Nacharbeit und damit
geringere Fertigungskosten. Die Nachteile sind die Richtungsabhängigkeit des Prozesses, ein
komplexer Bearbeitungskopf und im Wesentlichen die hohen Investitionskosten für die
leistungsstarken Laserstrahlquellen sowie Sicherheitseinrichtungen verbunden mit den
steigenden Energiekosten [19].
Eine Alternative zum Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen bietet das neue lasergeführte und
stabilisierte Lichtbogenschweißen [4]. Hierzu wurde schon frühzeitig beobachtet, dass der
Laserstrahl, auch bei geringer Strahlleistung, stabilisierend auf den elektrischen Lichtbogen
sowohl beim WIG- als auch MSG-Schweißen wirkt und die Energieeinkopplung des
Lichtbogens in das Werkstück verbessert [20-23]. Bei Untersuchungen mit dem WIG-
Schweißprozesses (Stromstärke 70 A) unter Einsatz eines fokussierten CO 2-Laserstrahls (P Las
= 300 W) wurde nachgewiesen, dass eine unregelmäßige Wanderung des
Lichtbogenfußpunktes nicht mehr auftritt. Ferner konnte die Schweißgeschwindigkeit,
aufgrund des Stabilisierungseffektes, um das 4-fache gesteigert werden. Der
Stabilisierungseffekt zeigt sich weiterhin in der Einschnürung des Lichtbogens durch eine
Reduzierung des Lichtbogendurchmessers, die durch eine Stromdichteverteilung bestimmt
wurde [24]. Als Resultat dieser Messungen konnte eine Verringerung des Querschnitts im
Stromkanal, im Vergleich zu einem einfachen Lichtbogen, um den Faktor 4 ermittelt werden,
was folglich beim laserunterstützen Lichtbogen zu einer Erhöhung der Stromdichte führt. Als
Ursache für die Stabilisierung des elektrischen Lichtbogens durch Laserstrahlung werden in
der Literatur verschiedene Wechselwirkungsmechanismen genannt, wie z.B. ionisierende
Wirkung der Laserstrahlung, thermische Aktivierung und damit Freisetzen von Elektroden aus
der Werkstückoberfläche, die Induzierung von Metalldampf durch die Laserstrahlung oder die
Steigerung der Leitfähigkeit im Lichtbogen durch Absorption der Laserstrahlung
(optogalvanischer Effekt) [4]. Der Einfluss und das Auftreten dieser Mechanismen sind von
einer Vielzahl von Parametern abhängig, von denen aber die Laserleistung, die
Laserwellenlänge und Schutzgasart eine signifikante Bedeutung haben [25-28].
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Im Rahmen des BMBF-Projektes FÜLAS wurde vom LZH in Kooperation mit Industriepartnern,
unter Nutzung des Stabilisierungseffektes, ein neues Schweißverfahren entwickelt, bei dem
ein Laser mit geringer Leistung in Kombination mit dem Metallschutzgasschweißverfahren
zum Einsatz kommt [29]. Die Entwicklung des Lasergeführten und –stabilisierten MSG-
Schweißens (LGS-MSG) zielt auf eine Verringerung von Nachteilen des reinen
Lichtbogenprozesses. Dazu gehören ein großer Bauteilverzug, geringe
Schweißgeschwindigkeit und Prozessstabilität durch das Wandern des Lichtbogenfußpunktes.
Um diesen Problematiken zu begegnen wird Laserstrahlung mit einer Wellenlänge eingesetzt,
welche auf das Argon im Schutzgas abgestimmt ist. Diese wird von einem Diodenlaser
mittlerer Leistung (400 W) emittiert. Die Strahlung tritt in Wechselwirkung mit dem
Lichtbogenplasma und erzeugt aufgrund des optogalvanischen Effekts eine Erhöhung der
Leitfähigkeit im Plasma [30]. Aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit wird der Lichtbogen entlang
der Strahlachse stabilisiert. Dieser Effekt ist so ausgeprägt, dass durch eine seitliche
Auslenkung der Laserstrahlung sogar der Lichtbogen der Strahlung folgt und ebenfalls
ausgelenkt wird (Abbildung 2) [31].
Abbildung 2: Auswirkung der Auslenkung der Laserstrahlung auf den Einbrand [4]
Eine technische Nutzung ist in zweierlei Hinsicht möglich. Die Stabilisierung erlaubt es die
Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen, wodurch schneller und damit mit weniger Verzug und
höherer Produktivität geschweißt werden kann. Außerdem toleriert der Lichtbogen ein höheres
Maß an Störungen. Beispielsweise können Nähte fehlerfrei überschweißt werden, was zu
einer Verringerung von kostspieligen Nacharbeiten führt. Neben der Stabilisierung ist auch die
Auslenkbarkeit und damit die Positionierbarkeit des Lichtbogens ein großer Vorteil. So kann
der Lichtbogen bei Kehlnähten in die Kehle gezwungen werden, was ebenfalls Schweißfehler
verringert [32]. Diese technischen Vorteile konnten beim Schweißen von “Crash-Boxen” in
ihrem Zusammenspiel beobachtet werden. Die Schweißgeschwindigkeit konnte von 0,8 m/min
auf 1,6 m/min verdoppelt werden. Der Verzug wurde deutlich reduziert und die Nähte wiesen
keine Fehler auf [6].
Aufgrund der geringen Laserstrahlleistung um den Faktor 10 bis 100 sind beim LGS-MSG-
Schweißverfahren gegenüber dem Lichtbogen-Laserstrahlhybridschweißverfahren die
Investitionskosten wesentlich geringer. Ferner basiert die Wärmeeinbringung in das Werkstück
im Wesentlichen auf den MSG-Prozess. Die Laserstrahlung trägt somit nicht energiemäßig
zum Schweißprozess bei, sondern dient lediglich zur Stabilisierung des Lichtbogenprozesses
[4].
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