SB_20.069NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Optimierung des Strahlschweißens
im Vakuum zur
Vermeidung von Bauteilverschmutzung
und Oxidation
beim Schweißen von
korrosionsbeständigen
Stählen und Refraktärmetallen

Optimierung des
Strahlschweißens im Vakuum
zur Vermeidung von
Bauteilverschmutzung und
Oxidation beim Schweißen von
korrosionsbeständigen Stählen
und Refraktärmetallen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.069 N
DVS-Nr.: 06.117
RWTH Aachen
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik
(ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.069 N / DVS-Nr.: 06.117 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 Klimaschutz
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 551
Bestell-Nr.: 170661
ISBN: 978-3-96870-551-4
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 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.069N
Inhaltsverzeichnis
Thema ........................................................................................................................................ 1
Berichtszeitraum......................................................................................................................... 1
Forschungsvereinigung .............................................................................................................. 1
Forschungseinrichtung(en) ......................................................................................................... 1
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................ 4
Förderhinweis ......................................................................................................................... 6
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ..................................................... 7
Angaben zu den aus Zuwendungen finanzierten Ausgaben.................................................... 7
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ........................................... 8
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU ...................... 11
Stand der Forschung und Entwicklung .................................................................................. 12
Laserstrahlschweißen im Vakuum ..................................................................................... 12
Arbeitshypothesen ................................................................................................................ 14
Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Projektzielen16
Verwendete Schweißanlagen ............................................................................................ 19
Bearbeitungsschritte und Ergebnisse .................................................................................... 22
AP 1: Anlagenumbau, Bereitstellung der Werkstoffe ......................................................... 22
AP 2: Vorbereitende Versuchsreihen mit bestehender Anlage – IST-Analyse mittels DOE 23
AP 3: Modellerstellung der Strömungs- und Druckverhältnisse ......................................... 41
AP 4: Abbildung der bestehenden Anlage im Strömungs- und Druckmodell ...................... 44
AP 5: Optimierung des Anlagenmodells, Umsetzung auf Versuchsanlage ........................ 50
AP 6: Validierung der Schweißnähte ................................................................................. 61
AP 7: Anpassung und Anwendung des Modells auf eine EB-Anlage ................................. 67
AP 8: Projektabschluss und Dokumentation ...................................................................... 72
Zusammenfassung ............................................................................................................... 73
Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrages und ihrer industriellen
Anwendungsmöglichkeiten ................................................................................................... 75
Bisherige Veröffentlichungen im Rahmen des Forschungsvorhabens ................................... 76
Geplante Veröffentlichungen ................................................................................................. 76
Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft .......................................................................... 77
Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten Transferkonzepts
............................................................................................................................................. 79
Literaturverzeichnis ............................................................................................................... 80
Anhang 1: Chemische Zusammensetzung Versuchswerkstoffe ............................................ 83

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.069N
Anhang 2: Spektrometer-Messungen .................................................................................... 84
Anhang 3: Morphologischer Kasten – Visualisierungen ........................................................ 85

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.069N
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Die stetig wachsende internationale Konkurrenz in der Produktionstechnik führt zu sich
kontinuierlich ändernden Marktsituationen. Um in diesem verschärften Wettbewerb bestehen zu
können, sind Unternehmen gezwungen, auf Änderungen des Marktes und somit auch auf
geänderte Anforderungen an ihre Produkte zeit- und kosteneffizient zu reagieren. Kleine und
insbesondere mittlere Unternehmen (kmU), die verstärkt Zulieferer für die Großindustrie wie
beispielsweise den Maschinenbau, Fahrzeugbau und der Luft- und Raumfahrt sind, unterliegen
diesen Herausforderungen im Besonderen.
Deshalb sind die Unternehmen ständig bestrebt, durch Innovationen ihre Produkte
kostengünstiger bei steigenden Qualitätsanforderungen zu fertigen. Eine dieser Innovationen im
Bereich Schweißtechnik, welche eine Kerndisziplin in den Wirtschaftszweigen
Maschinenbau, Fahrzeugbau und Luft- und Raumfahrt ist, ist das Laserstrahlschweißen im
Vakuum (LaVa).
Dieses Verfahren besitzt signifikante Vorteile gegenüber dem herkömmlichen
Laserstrahlschweißen (an Atmosphäre). Dies gilt im Besonderen für das erreichbare Verhältnis
von Einschweißtiefe pro Laserstrahlleistung. So sind beim Laserstrahlschweißen mit einem
Multimode-Laser an Atmosphäre im Schnitt 1 bis 1,5 mm Einschweißtiefe bei einer typischen
Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min pro kW Strahlleistung erreichbar. Vergleichbare Parameter
erzeugen im Vakuum

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.069N
Die unterschiedlichen Druckbereiche wirken sich neben den positiven Einflüssen auf
Einschweißtiefe, Nahtqualität und Prozessstabilität auch auf die prozessimmanenten Emissionen
aus. Dem zwangsläufig aus der Kapillare austretendem Metalldampf stehen beim EB-Schweißen
im Druckbereich von 10 -2 bis 10 -5 mbar derart wenige Interaktionspartner in der
Arbeitsatmosphäre (Stichwort freie Weglänge) zur Verfügung, dass der Metalldampf nicht
abkühlen kann und erst bei Kontakt mit Werkstück, Kammerwand oder Kammeranbauten als
metallischer Niederschlag kondensiert. Entsprechend weisen EB-geschweißte Bauteile i.d.R. nur
eine geringe Bauteilverschmutzung nach dem Schweißen auf.
Beim LaVa entsteht unmittelbar nach Prozessstart eine Belegung der Bauteiloberseite.
Abbildung 1 zeigt einen Versuch am Werkstoff 1.4301 mit 1,6 kW Laserstrahlleistung, 0,5 m/min
Schweißgeschwindigkeit bei 0,1 mbar. Deutlich ist eine oberflächliche Belegung des Bauteils mit,
durch Kondensation und Erstarrung entstandenen, metallischen Agglomeraten zu erkennen.
Durch Rest-Sauerstoff in der Arbeitsatmosphäre und beim Belüften der Kammer können diese
Agglomerate teilweise oxidieren. Diese Belegungen sind i.d.R. mechanisch abwischbar oder
abbürstbar.
Abbildung 1: Typische Bauteilverschmutzung beim Laserstrahlschweißen im Vakuum, Werkstoff 1.4301,
1,6 kW Laserstrahlleistung, 0,5 m/min Schweißgeschwindigkeit bei 0,1 mbar Druck, Verschmutzung im
Allgemeinen abwischbar
Neben diesen Oberflächenbelegungen können beim LaVa-Schweißen von
korrosionsbeständigen Stählen wie beim Schweißen an Atmosphäre Oxidschichten
(Anlauffarben) entstehen, wenn die Vakuumatmosphäre einen zu großen Rest-Sauerstoffgehalt
enthält, Abbildung 2. Bei korrosionsbeständigen Stählen stellen die Oxide/Anlauffarben
Korrosionsherde dar, die i.d.R. durch Beizen entfernt werden müssen. Deshalb besteht generell
das Bestreben, ihre Entstehung während des Schweißvorgangs zu vermeiden. Die
Voruntersuchungen haben gezeigt, dass der gezielte Einsatz von inerten Gasen im
Optikschutzsystem einen positiven Einfluss auf die Oxidbildung an korrosionsbeständigen
Stählen hat.

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.069N
Abbildung 2: Typische Oberflächenbelegung und Anlauffarben beim Laserstrahlschweißen im Vakuum,
Werkstoff 1.4307, 250 W Laserstrahlleistung, 1 m/min Schweißgeschwindigkeit bei 1 mbar Druck
Beim Schweißen von Refraktärmetallen wie beispielsweise Titan oder Niob nebst ihren
Legierungen kommt der Vermeidung sowohl von Sauerstoff- als auch Stickstoffzutritt beim
Schweiß- und Abkühlvorgang eine noch wichtigere Bedeutung zu. Andernfalls erfolgt neben der
Bildung von Anlauffarben eine Versprödung des Schweißgutes. Aus diesem Grund werden diese
Werkstoffe konventionell entweder unter einer hochreinen Inertgasatmosphäre (hoher
Schutzgasverbrauch) oder im Hochvakuum (teure Pumptechnik sowie lange Evakuierzeiten, s.o.)
verarbeitet, wie beispielsweise beim Elektronenstrahlschweißen.
Das Laserstrahlschweißen im Vakuum trifft gerade bei Herstellern von hochwertigen Bauteilen
aus nichtrostendem Stahl und Refraktärmetallen auf großes Interesse. Es ist allerdings im
Allgemeinen eine Reinigung, d.h. eine Entfernung der Oberflächenbeläge, nach dem
Fügeprozess entweder aus Kostengründen unerwünscht und/oder einfach technisch nicht
möglich. Beim Schweißen von Refraktärmetallen muss die Versprödung aufgrund von
Atmosphärengasen wie Sauerstoff und Stickstoff grundsätzlich vermieden werden.

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.069N
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten
Forschungsergebnisse für KMU
Durch die angestrebten Forschungsergebnisse steht den Anwendern ein neuartiges, robustes
Verfahren zum hochqualitativen Schweißen von nichtrostenden Stählen und Refraktärmetallen
zur Verfügung, welches eine extrem hohe Produktivität aufweist. Dadurch können
insbesondere Unternehmen des Mittelstandes durch Produktionskostensenkung ihre
Wettbewerbsfähigkeit gegenüber ausländischen Konkurrenten unmittelbar steigern. Aufgrund
des zu erwartenden großen Prozessfensters dieser Technologie können die Unternehmen auf
neue Anforderungen reagieren, Prozessentwicklungen in kürzester Zeit durchführen, und mit
einem geringeren Ausschuss produzieren, was ebenfalls die Wettbewerbsfähigkeit
unmittelbar steigert. Zusätzlich können Kostensenkungen erzielt werden, da bei
Neubeschaffung weniger Strahlleistung (Leistungsausnutzung im Vakuum im Vergleich zur
Atmosphäre, siehe oben) bzw. weniger Schutzgas beim Prozess benötigt wird.
Die avisierten Forschungsergebnisse schaffen darüber hinaus das Basiswissen
insbesondere für potentielle Neueinsteiger in die LaVa-Technik, sodass diese bei Investition in
entsprechende Maschinen schneller in den Produktionsstatus gelangen. Erstmals erfolgen dabei
auch gezielt breitere Untersuchungen mit einem 2 kW Single-Mode Laser mit höchster
Strahlqualität und Intensität im Fokuspunkt. Gerade dieser Strahlquellentyp ist prädestiniert für
den Einsatz an hochwertigen, filigranen Bauteilen mit höchsten Anforderungen an die
entstehende Schweißnaht.
Des Weiteren können Anlagenhersteller aufgrund der geringeren Pumpleistung im Vergleich zum
EB-Schweißen die Investitionskosten für interessierte kmU reduzieren.
Generell ermöglichen die angestrebten Forschungsergebnisse die Erweiterung des Marktes für
Zulieferer und Job-Shopper durch ein vergrößertes Bauteil- und Werkstoffspektrum,
insbesondere Bauteile mit spezifischen Eigenschaften hinsichtlich Nahtgeometrie und
Nahtqualität. Der potentielle Nutzerkreis erstreckt sich von den Herstellern für
Strahlschweißanlagen bis zu den Anwendern der Technologie wie Laser-Jobshops und
Produzenten von Sensoren oder ähnlichen Bauteilen, bei denen höchste Ansprüche an die
Nahtqualität bestehen, wie beispielsweise in der Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt und
Energietechnik. Die Anwender der mit diesem Strahlverfahren erzeugten Produkte sind vor allem
den Wirtschaftszweigen Maschinenbau (28), Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen
(29) und Luftfahrt (51) zuzuordnen. In keinem der o.g. Bereiche wird das LaVa-Verfahren bei
nichtrostenden Stählen und Refraktärmetallen eingesetzt. Das projektbedingte
Innovationspotential ist dementsprechend hoch.