SB_19228NLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Verbesserung der Nahteigenschaften
von
Laserschweißverbindungen
an dickwandigen
Strukturen mittels
laseraufgetragenen
Pufferschichten

Verbesserung der
Nahteigenschaften von
Laserschweißverbindungen an
dickwandigen Strukturen
mittels laseraufgetragenen
Pufferschichten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.228 N
DVS-Nr.: 06.106
Bundesanstalt für Materialforschung,
und -prüfung (BAM)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.228 N / DVS-Nr.: 06.106 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 422
Bestell-Nr.: 170531
ISBN: 978-3-96870-421-0
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19228 N
Inhaltsverzeichnis
Thema ................................................................................................................................... 1
Berichtszeitraum .................................................................................................................... 1
Forschungsvereinigung ......................................................................................................... 1
Forschungseinrichtung(en) .................................................................................................... 1
Kurzzusammenfassung ......................................................................................................... 2
1 Wissenschaftliche und Wirtschaftliche Rahmenbedingungen ......................................... 6
1.1 Förderhinweis .......................................................................................................... 6
1.2 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für KMU ................. 6
1.3 Veröffentlichungen im Rahmen des Forschungsvorhabens ..................................... 8
1.4 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ............................................................................ 8
1.4.1 Spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit des Vorhabens .......... 8
1.4.2 Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach der Laufzeit des Vorhabens 11
1.4.3 Einschätzung über die Realisierbarkeit ...........................................................12
1.5 Mittelverwendung ...................................................................................................12
1.6 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ................................12
1.7 Schutzrechte ..........................................................................................................12
2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung .................................13
2.1 Anlass für das Forschungsprojekt ..........................................................................13
2.2 Stand der Technik ..................................................................................................14
2.2.1 Laserstrahlschweißen .....................................................................................14
2.2.2 Laser-Pulver-Auftragschweißen ......................................................................15
2.2.3 Durchmischung ...............................................................................................17
2.3 Projektziele und Arbeitshypothese: ........................................................................21
3 Versuchskonzept und verwendete Anlagentechnik ........................................................23
3.1 Anlagentechnik .......................................................................................................23
3.2 Werkstoffe ..............................................................................................................25
3.2.1 Duplexwerkstoffe .............................................................................................25
3.2.2 Feinkornbaustähle ...........................................................................................28
3.2.3 Baustähle ........................................................................................................30

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19228 N
3.2.4 Mischverbindungen .........................................................................................31
3.3 Versuchsaufbau .....................................................................................................31
3.3.1 Kantenbeschichtung ........................................................................................32
3.3.2 Laserstrahlschweißen .....................................................................................33
3.3.3 Laserstrahlschweißen mit elektromagnetischer Schmelzbad-kontrolle ............33
4 Schweißversuche an Duplexwerkstoffen .......................................................................35
4.1 Vorversuche ...........................................................................................................35
4.1.1 Versuche zur geometrischen Gestaltung der Spuren und Schichten ...............35
4.1.2 Versuche zur metallurgischen Gefügeeinstellung ............................................48
4.2 Hauptversuche .......................................................................................................59
4.2.1 Geometrische Betrachtung der Schweißversuche ...........................................60
4.2.2 Untersuchung von LPA-Heftspuren .................................................................68
4.2.3 Metallurgische Betrachtung der Schweißversuche ..........................................68
4.2.4 Mechanische und korrosive Betrachtung der Schweißungen ..........................71
4.3 Demonstratorschweißung.......................................................................................73
4.3.1 Alternative Beschichtungsverfahren ................................................................74
4.3.2 Wirtschaftlichkeitsvergleich .............................................................................76
4.3.3 Kantenbeschichtung ........................................................................................77
4.3.4 Schweißversuche ............................................................................................78
5 Schweißversuche an Feinkornbaustählen .....................................................................84
5.1 Vorversuche ...........................................................................................................84
5.1.1 Versuche zur geometrischen Gestaltung der Spuren und Schichten ...............84
5.1.2 Versuche zur metallurgischen Gefügeeinstellung ............................................85
5.2 Hauptversuche .......................................................................................................87
5.2.1 Geometrische Betrachtung der Schweißversuch .............................................88
5.2.2 Mechanische Betrachtung der Schweißversuche ............................................89
6 Schweißversuche an Baustählen ..................................................................................93
6.1 Vorversuche ...........................................................................................................93
6.2 Hauptversuche .......................................................................................................93
6.2.1 Einlagenschweißungen ...................................................................................93

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19228 N
6.2.2 Lage-Gegenlage-Schweißungen .....................................................................94
7 Schweißversuche an Mischverbindungen......................................................................96
7.1 Vorversuche ...........................................................................................................96
7.2 Hauptversuche .......................................................................................................98
8 Zusammenfassung ...................................................................................................... 101
Literaturverzeichnis ............................................................................................................ 103
Danksagung ....................................................................................................................... 111

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19228 N
1 Wissenschaftliche und Wirtschaftliche
Rahmenbedingungen
1.1 Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Verbesserung der Nahteigenschaften von Laserschweißverbindungen an
dickwandigen Strukturen mittels lauseraufgetragenen Pufferschichten“, IGF-Projekt Nr.
19228 N, der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS
Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der
industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
gefördert.
1.2 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des
Forschungsthemas für KMU
Die Lasermaterialbearbeitung hat seit Jahrzehnten einen sicheren Platz in der industriellen
Fertigung und konkurriert erfolgreich mit traditionellen Technologien aufgrund der zahlreichen
wirtschaftlichen und technologischen Vorteile, die einen Beitrag zu Verbesserung der
Funktionalität und der Qualität der gefertigten Produkte leisten. Nach letzten Einschätzungen
beträgt der Anteil von global verkauften Lasersystemen im Bereich Materialbearbeitung im
Jahr 2019 16,2 Milliarden Euro [1], was einen Rückgang um 9 % gegenüber dem Vorjahr, aber
noch immer einen Zuwachs von 41 % gegenüber dem Jahr 2016 kennzeichnet.
Der Laser als Fügewerkzeug hat sich in verschiedenen Bereichen der schweißtechnischen
Anwendungen etabliert. Insbesondere bei einer automatisierten Fertigung von Komponenten,
wie z.B. in der Autoindustrie oder im Schiffbau, aber auch in vielen produzierenden Job-shop
Betrieben in Deutschland (fast ausschließlich KMUs) ist diese Technologie auf dem
Vormarsch.
Auf der anderen Seite ist das Laser-Pulver-Auftragsschweißen (LPA) ein etabliertes
Beschichtungsverfahren, das insbesondere im KMU-Bereich für viele industrielle
Anwendungen eingesetzt wird.
Die angestrebte Verfahrenskombination in einem Fertigungsprozess wird auf Interesse seitens
der KMU stoßen, die sich in dem Bereich Laserlohnfertigung spezialisieren, da sie mit der
Gewinnung von neuen Kompetenzen in der Lage sein werden ein viel breiteres Spektrum an
Produkten und Dienstleistungen anbieten zu können.
Viele KMUs in Deutschland, die Dienstleistungen zur Lasermaterialbearbeitung anbieten,
haben bereits beide Technologiepakete in Ihrem Portfolio. Dabei liegt die Anwendungsnische

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19228 N
beim Laserstrahlschweißen im Bereich Verarbeitung von Dünnblechmaterialien. Im
internationalen Vergleich gibt es im Ausland und vor allem in solchen Ländern wie Japan und
Finnland zahlreiche Unternehmen, die Laserschweißtechnologien für Dickblechanwendungen
vor allem im Schiffbau und im Energiesektor, inklusive erneuerbaren Energien, erfolgreich
anwenden. Aufgrund der durch die Bundesregierung beschlossenen Energiewende ist zu
erwarten, dass eine solche Tendenz auch in Deutschland einsetzt. In diesen Branchen gelten
wesentlich höhere Sicherheitsstandards bezüglich der Qualität und Eigenschaften der
geschweißten Verbindungen, was in Kombination mit großen Bauteilmaterialdicken hohe
Ansprüche an die Schweißtechnologie stellt. Der Schlüssel für einen erfolgreichen Eintritt in
diese Technologiefelder für das Laserschweißverfahren liegt in der Anwendung der
innovativen Lösungen, die die Sicherstellung der gesetzlich vorgeschriebenen Anforderungen
an die Festigkeit, Zähigkeit und Risssicherheit für zu qualifizierende Schweißnähte
ermöglichen werden. Gerade unter diesem Aspekt kann ein technologischer Vorsprung für
viele KMUs durch die Anwendung des kombinierten Fertigungsprozesses geschaffen werden.
Durch die Verwendung der gleichen Laserquelle für Beschichtung und Schweißen werden
keine großen Investitionen in die Anlagentechnik notwendig.
Der Entfall von Zusatzwerkstoff beim Schweißprozess ermöglicht eine höhere Flexibilität des
Schweißverfahrens sowie ggf. eine Remote-Anwendung des Laserschweißprozesses.
System- und Komponentenhersteller im Bereich der Lasertechnik und der optischen
Technologien werden durch die Lösung der technischen Aufgaben und deren Umsetzung in
den neuen Produkten ebenfalls partizipieren. Gerade dieses globale Marktsegment ist durch
eine Dominanz von deutschen KMUs traditionell geprägt. Durch die Entstehung von neuen
maßgeschneiderten Produkten für solche kombiniere Laserfertigungsverfahren, die ihr
Leistungsspektrum erweitern werden, wird deren Stellung im internationalen Wettbewerb
weiter gesichert und ausgebaut.
Neue Anwendungen der Laserstrahlschweißverfahren insbesondere im Blechdickenbereich
größer 15 mm werden folgen. Viele interessante branchenübergreifenden Anwendungen sind
möglich:
• Pipelinebau
• Schiffbau (Containerschiffe)
• Herstellung von Offshore-Windenergieanlagen
• Apparatebau (z.B. Ventil-Flansch Verbindungen)
• Anlagen für Transport und Lagerung von LNG
• Landmaschinenbau / Erdbewegungsmaschinen
• Kranbau

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19228 N
1.3 Veröffentlichungen im Rahmen des Forschungsvorhabens
A. Straße; A. Gumenyuk; M. Rethmeier: “Quality improvement of laser welds on thick duplex
plates by laser cladded buttering“, 10 th International WLT-Conference on Lasers in
Manufacturing 2019, Munich, June 2019
A. Straße; A. Gumenyuk; M. Rethmeier: „Investigation of cladded buffering on thick duplex
plates for laser welding“, 72 nd IIW Annual Assembly 2019, Bratislava, July 2019
A. Straße; A. Gumenyuk; M. Rethmeier: „Nahteigenschaftsverbesserung von dickwandigen
laserstrahlgeschweißten Duplexblechen mittels pulveraufgetragenen Pufferschichten“,
WerkstoffWoche 2019 des DGM, Dresden, September 2019
A. Straße; A. Gumenyuk; M. Rethmeier: „Nahteigenschaftsverbesserung von dickwandigen
laserstrahlgeschweißten Duplexblechen mittels pulveraufgetragenen Pufferschichten“, 40.
Assistentenseminar der WGF e.V., Braunlage, September 2019
1.4 Ergebnistransfer in die Wirtschaft
1.4.1 Spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit des
Vorhabens
Maßnahme Ziel Rahmen
A: Information über
Information über
das Projekt im
A1: Internetauftritt
laufende
Internetauftritt der
Forschungsstelle
Forschungsarbeiten
Forschungsstelle
B: Transfer in die
Information
Industrie durch
B1: Vortrag beim Berliner
industrieller
Laserverbund Berlin-
„Laserstammtisch“
Anwender
Brandenburg
Datum/
Zeitraum
August 2017 -
erledigt
Januar 2018 -
erledigt