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2024<br />

<strong>DVS</strong>-BERICHTE<br />

Innovationstag 2024<br />

Transfertage der Fügetechnik<br />

für die Energiewende


Innovationstag 2024<br />

Transfertage der Fügetechnik<br />

für die Energiewende<br />

Langfassung der Vorträge<br />

in Düsseldorf am 10. und 11. April 2024<br />

Kooperation:<br />

FOSTA – Forschungsvereinigung<br />

Stahlanwendung e. V. und<br />

<strong>DVS</strong> – Forschungsvereinigung Schweißen<br />

und verwandte Verfahren e. V.


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;<br />

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de<br />

abrufbar.<br />

<strong>DVS</strong>-<strong>Bericht</strong>e Band 391<br />

ISBN 978-3-96144-253-9 (Print)<br />

ISBN 978-3-96144-254-6 (E-Book)<br />

Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.<br />

Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses<br />

Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der <strong>DVS</strong> Media GmbH, Düsseldorf.<br />

© <strong>DVS</strong> Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2024<br />

Herstellung: Print Media Group GmbH, Hamm


Vorwort<br />

INNOVATIONSTAG 2024 – Transfertage der Fügetechnik für die Energiewende<br />

Die Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des <strong>DVS</strong> und die FOSTA - Forschungsvereinigung<br />

Stahlanwendung e. V. kooperieren für einen erfolgreichen Ergebnistransfer und laden zum ersten<br />

gemeinsamen INNOVATIONSTAG mit dem Schwerpunkt „Fügetechnik für die Energiewende“ ein.<br />

Im Fokus der Veranstaltung steht die Vorstellung aktueller Forschungsergebnisse aus Projekten der Industriellen<br />

Gemeinschaftsforschung (IGF). Unternehmen in den Forschungsvereinigungen hatten frühzeitig damit begonnen,<br />

gemeinsamen Forschungsbedarf zu Energiewendethemen zu definieren. In den Forschungsvereinigungen entstand so<br />

z.B. die Forschungsinitiative: "Erfolgreiche Energiewende durch zukunftsweisende fügetechnische Innovationen für die<br />

Windenergie“. Ebenfalls wurden die Studien „Fügetechnik für die Windenergie“ und „Fügetechnik für die neue<br />

Wasserstoffökonomie – Werkstoffe, Schweißtechnologien, Perspektiven“ zur Darstellung von Forschungsbedarf<br />

veröffentlicht. Damit war der Grundstein dafür gelegt, im Rahmen der IGF zu den neuen fügetechnischen<br />

Herausforderungen Lösungen zu erarbeiten.<br />

Die Umsetzung der Energiewende erfordert eine Vielzahl von technologischen Innovationen und Anpassungen in<br />

verschiedenen Industriezweigen, um nachhaltige Energiequellen zu fördern und die Umweltauswirkungen zu minimieren.<br />

Die Fügetechnik spielt dabei eine entscheidende Rolle, insbesondere in Bezug auf die Herstellung und Wartung von<br />

Anlagen für erneuerbare Energien wie Windkraftanlagen, Solarkollektoren und Wasserstofftechnologien. Um die<br />

Energiewende erfolgreich umzusetzen, müssen bestimmte Anforderungen an die Fügetechnik erfüllt werden.<br />

Um den unterschiedlichen Anforderungen der erneuerbaren Energietechnologien gerecht zu werden, ist die Nutzung<br />

einer breiten Palette von Materialien und neuer Werkstoffkonzepte einschließlich spezieller Legierungen erforderlich.<br />

Windkraftanlagen bestehen u.a. aus verschiedenen Stahl-, Aluminium- oder Bronzelegierungen, die speziellen<br />

Belastungen standhalten müssen. Die Fügetechnik muss daher in der Lage sein, neue Werkstoffanforderungen z.B. in<br />

den Bereichen des Stahl- und Maschinenbaus oder auch der Leistungselektronik zu erfüllen und eine Vielzahl von<br />

Materialien effizient zu verbinden, ohne ihre strukturelle Integrität und Funktionen zu beeinträchtigen. Leichtbauthemen<br />

erlangen in diesem Zusammenhang stetig an Bedeutung.<br />

Dabei sind auch die Anforderungen an den Korrosionsschutz zu berücksichtigen. Um eine lange Lebensdauer und<br />

Zuverlässigkeit sicherzustellen, müssen die Schweißverbindungen korrosionsbeständig sein. Dies erfordert nicht nur die<br />

Auswahl geeigneter Materialien, sondern auch spezialisierte Schweißtechniken, die eine qualitativ hochwertige<br />

Versiegelung gegen äußere Einflüsse gewährleisten.<br />

Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle in der Energiewende, insbesondere als sauberer Energieträger. Die<br />

Schweißtechnik muss den speziellen Anforderungen gerecht werden, die mit der Herstellung von Wasserstofftanks und<br />

-leitungen verbunden sind. Hierbei sind hohe Drücke und Wasserstoffversprödung zu berücksichtigen, wodurch<br />

spezialisierte Schweißverfahren und Materialien erforderlich sind.<br />

Ergänzend sind auch noch zu nennen: neue Wartungs- und Reparaturkonzepte, die Energieeffizienz der<br />

Schweißprozesse selbst sowie die Qualifikation und Schulung des Personals.<br />

Insgesamt ist die Schweißtechnik ein entscheidender Baustein für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende. Die<br />

Fähigkeit, eine Vielzahl von Materialien zu verbinden, korrosionsbeständige Verbindungen zu gewährleisten, leichte<br />

Strukturen herzustellen und effiziente Schweißprozesse zu implementieren, trägt maßgeblich dazu bei, nachhaltige<br />

Energiequellen zu fördern und die Umweltauswirkungen zu minimieren. Durch kontinuierliche Innovation und Schulung<br />

kann die Schweißtechnik eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung der Herausforderungen im Rahmen der Energiewende<br />

spielen.<br />

Die Bereitstellung und Anwendung von aktuellen Forschungsergebnissen öffentlich geförderter Projekte der IGF ist ein<br />

wesentliches Asset für die Unternehmen und den Wirtschaftsstandort Deutschland. Der INNOVATIONSTAG 2024 bietet<br />

daher einen umfassenden Überblick über aktuelle Forschungsergebnisse zu vielfältigen Themenstellungen der<br />

Energiewende.<br />

Der vorliegende Tagungsband enthält die Vorträge für Ihre weitere Verwendung. Für individuelle Fragen können Sie sich<br />

gerne direkt an die Referenten oder Forschungseinrichtungen wenden.<br />

Wir wünschen Ihnen eine erfolgreiche Veranstaltung, gute Gespräche.<br />

Reiner Salomon<br />

Forschungsvereinigung<br />

Stahlanwendung e. V<br />

Jens Jerzembeck<br />

Forschungsvereinigung Schweißen<br />

und verwandte Verfahren e.V.


Inhaltsverzeichnis<br />

Vorwort<br />

KEYNOTE<br />

P. Langenberg, Aachen<br />

Qualifizierung von Werkstoffen und Schweißverfahren für die Energiewende –<br />

Status und Ausblick ………………………………………………………………………….. 1<br />

Energieumwandlung<br />

M. Schmitz, A. Breitbarth, Jena; M. Azizi, Dresden<br />

Fügen von mehrdimensionalen und strukturierten Folien aus artgleichen<br />

und artfremden Werkstoffkombinationen …………………………………………………. 3<br />

S. Jahn, M. Schmitz, R. Prowaznik, J. Lange, Jena<br />

Gefährdungen beim handgeführten Laserstrahlschweißen ……………………….……… 15<br />

E. Stammen, D. Weiser, K. Dilger, Braunschweig; F. Bergenthun, M. Kuypers, S. Brokamp, Duisburg;<br />

D. Lukowsky, Braunschweig<br />

Darf’s ein bisschen mehr sein? – Nachhaltige Rohstoffe und ihr Potential<br />

für Anwender ……...………………………………………………..………………………..… 19<br />

M. Zinke, S. Jüttner, Magdeburg<br />

Steigerung der Korrosionsbeständigkeit von Schweißplattierungen durch Einsatz<br />

von MSG-Zweidrahtprozessen mit nicht artgleichen Drahtelektroden ………………..… 28<br />

Additive Fertigung<br />

E. Bethke, T. Rieneckert, S. Jüttner, Magdeburg<br />

Generatives MSG-Schweißen zur geometrischen Modifikation von Aluminium-<br />

Druckgussbauteilen ………………………………………………………………………….. 39<br />

M. Köhler, S. Jüttner, Magdeburg<br />

Wire-Arc-Additive-Manufacturing und schweißtechnische Verarbeitung von<br />

Aluminiumschäumen ….…………………………………………………….………………… 49<br />

M. Gierth, J. Hildebrandt, J. P. Bergmann, Ilmenau;<br />

S. Manzke, T. Ungethüm, U. Füsseld, H. C. Schmale, Dresden<br />

Entwicklung einer Strategie zur Steuerung der Bauteileigenschaften<br />

bei der lichtbogenbasierten additiven Fertigung hochlegierter Stähle<br />

durch aktive Gaskühlung ……………………………………………………………………. 58


Großstrukturen<br />

T. Werner, T. Nitzschke-Pagel, K. Dilger, Braunschweig<br />

Einfluss der Kaltverformung mit anschließendem Schweißen auf die Zähigkeit<br />

hochfester Feinkornbaustähle …………………………………………………..……………. 64<br />

F. Begemann, J. Unglaub, K. Thiele, Braunschweig; K. Höfer, J. Hensel, Chemnitz<br />

Reparaturschweißen an ermüdungsbeanspruchten Details im Betrieb …...………..…… 72<br />

C. Häffner, F. Eyben, D. Lenz, H. Bartsch, M. Feldmann, S. Münstermann, Aachen<br />

Innovative Tragfähigkeitsanalyse geschweißter Stahlbauteile mit Hilfe der<br />

Schädigungsmechanik ……………………………………….……………………………..… 79<br />

J. Hildebrand, S. Eichler, J. P. Bergmann, Ilmenau; M. v. Arnim, U. Kuhlmann, Stuttgart;<br />

O. Brätz, A. Gericke, K.-M. Henkel, Rostock<br />

Effiziente Nachweiskonzepte für Mischverbindungen im Stahlbau ……..………..……… 87<br />

Qualität und Nachweise<br />

K. Wandtke, L. Engelking, D. Schröpfer, A. Hälsig, A. Kromm, T. Kannengießer, Berlin;<br />

R. Scharf-Wildenhain, J. Hensel, Chemnitz<br />

Fertigungsbedingte Beanspruchungen und Kaltrisssicherheit in generativ gefertigten<br />

Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen …………………………………..………… 96<br />

J. Beverförden, M. Köhler, K. Dilger, Braunschweig<br />

Absicherung des Reinigungsstrahlens von Stahlkonstruktionen als<br />

schwingfestigkeitssteigernde Maßnahme …………………………………………… 105<br />

U. Reisgen R. Sharma, B. Ebert, Aachen<br />

Schweißprozessabhängige Steuerung der Absaugleistung unter<br />

Berücksichtigung von Nahtqualität und Prozessstabilität bei Anwendung<br />

von Absaugbrennern für das MSG-Schweißen ………………………………………… 113<br />

D. Schröpfer, L. Reichel, T. Kannengießer, Berlin<br />

Beanspruchungsgerechte Reparatur von Schweißverbindungen bei der Fertigung<br />

von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen ..………………………………….… 120<br />

Wasserstofftechnologien<br />

M. Hayduk, Stralsund<br />

Integriertes Planungstool für die Kosten- und 3D Strukturplanung für Offshore-<br />

Windparks zur Erzeugung von H2 ………………………………………..…….…………… 127<br />

M. Hauer, S. Schmidt, A. Gericke, Rostock<br />

Erhöhung der Speicher- und Transporteffizienz für Flüssigwasserstoff in<br />

Stahl-Faserverbundtanks durch thermisch gespritzte TBC-Schichten<br />

(LH2 Tanks) ……………….…...…………………………………..…………..……………… 134


C. Reppin, A. Gericke, K.-M. Henkel, Rostock; P. Neef, K. Treutler, V. Wesling, Clausthal-Zellerfeld<br />

KryoMangan: Verarbeitung und Qualifizierung mittel- und hochmanganhaltiger<br />

austenitischer Stähle für kryogene Anwendungen …...………………………….……… 143<br />

Windenergie<br />

S. Shojai, T. Brömer, E. Ghafoori, P. Schaumann, Hannover;<br />

C. Woitzik, M. Braun, S. Ehlers, Hamburg; M. Köhler, Braunschweig<br />

Einfluss korrosiver Medien auf die Schwingfestigkeit von Offshore-<br />

Windenergieanlagen ……………………………………..………….………………………… 155<br />

U. Mückenheim, A. Aurin, S. Keitel, M. Clemens, M. Olesch, S. Olschok, R., Sharma, U. Reisgen<br />

Bewerten von Hochleistungsschweißprozessen für die Neufertigung von<br />

Windenergieanlagen (Stahlrohrturm) ………………………………..……………………… 165<br />

B. El-Sari, S. Gook, Ö. Östündağ, M. Biegler, A. Gumenyuk, M. Rethmeier, Berlin<br />

Kombination des Laserhybridschweißens und UP-Engspaltschweißens für<br />

dickwandige Bauteile zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ..…………….……………… 177<br />

T. Ungethüm, P. Schilling, E. Spaniol, H.C. Schmale, U. Füssel, Dresden<br />

Erweiterung des der Prozessgrenzen beim MSG-Heißdrahtschweißen durch<br />

Anpassung von Material- und Energieeintrag mittels einer vorgelagerten<br />

Heißdrahtvorwärmung …………………………………………..…...………..……………… 186<br />

S. Heikebrügge, B. Breidenstein, P. Schaumann, E. Ghafoori, C. Dänekas, Hannover<br />

Festwalzen als innovatives mechanisches Bearbeitungsverfahren zur<br />

Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen in der<br />

Offshore-Windenergie …………………...……………………………………………………. 199<br />

Autorenverzeichnis ……………….…………………………………………..……… 214


Fügetechnik für die Energiewende 2024<br />

KEYNOTE<br />

Qualifizierung von Werkstoffen und Schweißverfahren für die<br />

Energiewende – Status und Ausblick<br />

Peter Langenberg, IWT-Solutions AG, Aachen<br />

Die mit der Energiewende verbundenen Anforderungen an Gesellschaft und Technik sind herausfordernd und<br />

vielfältig. Betrachten wir diese Entwicklung einmal losgelöst von Gesellschaft und Wirtschaft, und tun wir dies<br />

mit dem typischen lösungsorientierten Ansatz ingenieurwissenschaftlicher Arbeitsweisen, so stellen wir<br />

folgendes fest:<br />

Auch die heute wichtigen Aspekte Nachhaltigkeit und Sicherheit haben schon immer in unsere Forschung eine<br />

Rolle gespielt.<br />

Alleine die Umsetzung mancher Ergebnisse hat vielleicht länger gedauert als erhofft. Das heißt, der Willen,<br />

die Befähigung und die Freude auch die Herausforderungen der Energiewende in Zukunft voranzubringen ist<br />

auf jeden Fall vorhanden. Das Forschungskolloquium zeigt dies in der Vielfalt der Themen auf beindruckende<br />

Weise.<br />

Deutlich wird vor allem die inzwischen selbstverständliche interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen<br />

Werkstoff, Fertigung und Konstruktion. Diese drei Begriffe finden sich auch im sogenannten Schweißer-<br />

Dreieck zur Schweißbarkeit wieder. Sie werden dort als Schweißeignung, Schweißmöglichkeit und<br />

Schweißsicherheit aufgeführt. Ins Zentrum dieses Dreiecks, als Ziel sozusagen, können die oben genannten<br />

Begriffe Nachhaltigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit eingeordnet. Und verleihen wir dem Dreieck noch<br />

einen dynamischen Impuls, so können wir Innovation als treibende und beschleunigende Kraft hinzufügen.<br />

Vor diesem Hintergrund wird der Beitrag stellvertretend für andere Einzelaspekte auf die Frage der<br />

Anforderung an die Werkstoffe und Schweißverfahren eingehen. Dabei wird deutlich, dass eine<br />

vordergründige Reduzierung dieses Themas allein auf den Werkstoff viel zu kurz greift. Vielmehr wird<br />

klargestellt, dass nur eine integrale Betrachtung im Sinne des oben genannten Schweißer-Dreiecks gute<br />

Lösungen liefern kann.<br />

Verbunden damit ist naturgemäß ein kurzer retrospektiver Blick auf neue Methoden, Schweißverfahren und<br />

Werkstoffe, die in den letzten 30 Jahren des gemeinsamen Europäischen Marktes in zahllosen<br />

Forschungsvorhaben auf nationaler und internationaler Ebene erzielt wurden. Dabei wird auch die wichtige<br />

Rolle der technischen Normen erörtert.<br />

Wesentlich ist aber der Blick in die Zukunft, die uns alle im Sinne der Energiewende und für unsere Kinder und<br />

Enkel mehr interessieren sollte, die aber auch aus den Errungenschaften und Erfahrungen der Vergangenheit<br />

Nektar schöpfen sollte.<br />

<strong>DVS</strong> 391 1


Fügen von mehrdimensionalen und strukturierten Folien aus<br />

artgleichen und artfremden Werkstoffkombinationen<br />

M. Azizi, Dresden; A. Breitbarth, Jena; M. Schmitz, Jena;<br />

In der Fertigungstechnik stellt das Fügen dünner Folien eine Herausforderung dar. Der Laser bietet hier einen<br />

Lösungsansatz. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen sowohl das Laserstrahlpunktschweißen verdeckter<br />

Stöße an artgleichen Folienpaarungen, als auch das Korrosionsverhalten laserstrahlgeschweißter Folien<br />

aus artgleichen und artfremden Materialpaarungen. Als Materialien kommen 1.4404, Cu-HCP (2.0070)<br />

sowie Al der 1000er Reihe zum Einsatz.<br />

1 Einleitung<br />

Im Zuge der Energiewende spielen strukturierte Folienstapel eine bedeutende Rolle. Sie finden sowohl Verwendung<br />

in Rotationswärmetauschern, Mikrowärmetauschern und Mikrostrukturapparaten, als auch in Brennstoffzellen.<br />

Das Laserstrahlschweißen kann hier eine kosteneffiziente Alternative zu konventionellen Fertigungsverfahren,<br />

wie bspw. dem Kleben, darstellen. Durch das detektieren der verdeckten Stöße mittels bildgebender<br />

oder thermographischer Verfahren und das anschließende Schweißen an den detektierten Stellen<br />

eröffnen sich neue Möglichkeiten, bspw. für die Fertigung von Rotationswärmetauschern. Bild 1 verdeutlicht<br />

dieses Vorgehen. Diese Schweißungen wurden artgleich an den Materialien 1.4404, Cu-HCP (2.0070) sowie<br />

Al der 1000er Reihe durchgeführt. Die Folienstärke betrug 25 µm und 50µm.<br />

Bild 1. Prinzipielles Vorgehen für das Schweißen der verdeckten Stöße<br />

Bei artfremden Schweißungen sind sowohl die (häufig spröden) interkristallinen Phasen kritisch, welche sich<br />

negativ auf die erzielbaren Festigkeiten auswirken, als auch das Korrosionsverhalten. Letzteres stellt vor allem<br />

aufgrund von Bimetallkorrosion eine besondere Herausforderung beim Laserstrahlschweißen solcher Verbindungen<br />

dar. Um dieses Verhalten besser erfassen und beurteilen zu können, wurde eine neue Korrosionsmesszelle<br />

entwickelt, mit deren Hilfe die Korrosionsmessungen gezielt an der Schweißnaht erfolgen können.<br />

2 Entwicklung einer Spann- sowie einer Prägevorrichtung<br />

2.1 Spannvorrichtung<br />

Zum Spannen der Folien wurde eine entsprechende Vorrichtung benötigt. Diese wurde so konzipiert und gefertigt,<br />

dass sowohl geschlossene, als auch offene Strukturen gespannt werden können. Kommen geschlossene<br />

Folien zum Einsatz, so wird mittels Unterdruck gespannt. Bei offenen Strukturen wird die Spannkraft über<br />

einen Pneumatikzylinder erzeugt. Bild 2 zeigt das Wirkprinzip dieser hybriden Spannvorrichtung.<br />

<strong>DVS</strong> 391 3


Bild 2. Wirkprinzip der hybriden Spannvorrichtung, links: über Unterdruck bei geschlossenen Folien, rechts: über pneumatisch<br />

generierte Anpresskraft bei offenen Strukturen<br />

In die Spannvorrichtung wurde eine flächendeckende Schutzbegasung integriert. Die dafür notwendigen Düsen<br />

wurden durch rechnergestützte Simulation optimiert. Bild 3 zeigt links das Konzept der Schutzbegasung<br />

und rechts die Messung seiner Wirksamkeit über die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes.<br />

Bild 3. Schweißvorrichtung, links: Schnittbild, rechts: Test der Schutzbegasung an der realen Vorrichtung<br />

2.2 Prägevorrichtung<br />

Da strukturierte Folien auf dem Markt nicht in den geplanten Stärken und Materialarten erhältlich waren, wurde<br />

eine Prägevorrichtung konzipiert, konstruiert und gefertigt, die das Prägen solcher Folien aus Glattband als<br />

Ausgangsmaterial ermöglicht. Ziel war es dabei eine Sinusprägung zu generieren, da diese in der Regel bei<br />

Rotationswärmetauschern Verwendung findet. Es zeigte sich sehr schnell, dass Sinusprofile auf den Prägewalzen<br />

mit sehr hohen Fertigungskosten verbunden sind. Daher wurde ein Dreiecksprofil gewählt. Bild 4 zeigt<br />

links eine Zeichnung der Walze in der Seitenansicht und Mitte das Verwendete Profil. Rechts sieht man die<br />

gefertigte Prägevorrichtung mit einer eingelegten Folie. Über die Veränderung der Anpressdrucks ist es möglich<br />

Einfluss auf die Kontur der geprägten Folie zu nehmen.<br />

Bild 4. Kontur der Prägewalze (links, mitte) sowie Prägevorrichtung (rechts)<br />

4<br />

<strong>DVS</strong> 391


3 Entwicklung einer Korrosionsmesszelle<br />

Bimetallkorrosion, auch bekannt als Kontaktkorrosion oder galvanische Korrosion, entsteht, wenn zwei metallische<br />

Werkstoffe – entweder artgleiche oder artfremde – elektrisch sowie elektrolytisch durch einen ionenleitfähigen<br />

Elektrolyten miteinander verbunden sind und die Potenzialdifferenz zwischen den Werkstoffen mindestens<br />

50 mV beträgt. Diese Potenzialdifferenz kann auch zwischen zwei artgleichen Werkstoffen auftreten,<br />

wenn einer von ihnen durch Herstellungsprozesse thermisch oder mechanisch stärker beansprucht wird als<br />

der andere. Die Korrosionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Potenzialdifferenz zu. In dieser Konfiguration<br />

dient der weniger edle Werkstoff als Anode und unterliegt der Korrosion, indem er Ionen in den Elektrolyten<br />

freisetzt und Elektronen zur Kathode – dem edleren Werkstoff – sendet, wo sie je nach Umgebungsmedium<br />

mit Sauerstoff reagieren und reduziert werden. Dies führt zu einem Ionenstrom im Elektrolyten und einem<br />

Elektronenstrom in der elektrischen Verbindung zwischen Anode und Kathode. Die Intensität dieses Stroms,<br />

bekannt als Elementstrom, gibt die Tendenz zur Korrosion an. Die Messung des Elementstroms erfolgt im<br />

Labor durch das Eintauchen der beiden verschiedenen Werkstoffe in einen gemeinsamen Elektrolyten, die<br />

anschließend mit einem Strommessgerät ohne Innenwiderstand verbunden werden. Der gemessene Strom<br />

entspricht dem Elementstrom [1].<br />

Sowohl bei artgleichen als auch bei artfremden Folienpaarungen, die mittels Laserstrahlschweißen verbunden<br />

werden, führt die zugeführte Wärme zu einer Veränderung des Gefüges beider Folien. Diese strukturellen<br />

Änderungen führen dazu, dass beide Werkstoffe ein neues, individuelles Potenzial entwickeln. Da die beiden<br />

durch Laser geschweißten Folien in elektrischem Kontakt miteinander stehen und bei Anwesenheit eines<br />

Elektrolyten die neu entstandenen Potenziale zur Bildung einer Potentialdifferenz führen, kommt es zur Entstehung<br />

der Bimetallkorrosion.<br />

Um die Korrosionsrate in diesem besonderen Fall zu ermitteln, ist eine Messung des Elementstroms nicht<br />

durchführbar, da eine einfache Trennung der beiden Folien nicht möglich ist. Eine mechanische Trennung<br />

könnte die Schweißnähte beschädigen und dadurch die individuellen Potenziale der Folien verändern. Aus<br />

diesem Grund war die Entwicklung einer neuen Messzelle erforderlich, um den Einfluss der Laserschweißparameter<br />

auf die Bimetallkorrosion charakterisieren zu können.<br />

Wenn eine Elektrode in einen Elektrolyten eingetaucht wird, gelangen einige Metallionen in den Elektrolyten,<br />

wobei sie Elektronen auf dem Metallstreifen zurücklassen. Dadurch bildet sich das Potential des Werkstoffs.<br />

Wenn sich nun ein anderer inerter Werkstoff, wie beispielsweise Platin, in der Nähe des ersten Werkstoffs<br />

befindet, wird die Platinelektrode polarisiert und erhält ein neues Potential. Dieses neue Potential ist abhängig<br />

vom Potential des ersten Werkstoffs und weist eine umgekehrte Polarität auf. Wenn eine zweite Elektrode in<br />

den Elektrolyten eingetaucht wird, erhält die benachbarte Platinelektrode ein eigenes Potential. Zwischen den<br />

beiden Platinpotentialen entsteht eine Potentialdifferenz. Die Größe dieser Potentialdifferenz ist ein Indikator<br />

für die Stärke der Bimetallkorrosion zwischen den beiden Werkstoffen, da beide Platinpotentiale durch die<br />

Eigenschaften der Werkstoffe bedingt sind und von diesen abhängen.<br />

Die neu entwickelte Messzelle basiert auf der Messung der Potentialdifferenz zwischen zwei polarisierten Platinelektroden.<br />

Diese Messung erfolgt kontaktlos und ohne Berührung der angeschweißten Folien.<br />

Um diese Hypothese zu realisieren, wurde eine neue Messzelle aus Polytetrafluorethylen (PTFE) konstruiert,<br />

um Beständigkeit gegen aggressive Elektrolyte zu gewährleisten (Bild 5). Die Zelle setzt sich hauptsächlich<br />

aus zwei getrennten Elektrolytkammern zusammen, die seitlich mit Platinnetzen als Elektroden bestückt sind.<br />

Zwischen diesen Elektrolytkammern sind zwei Scheiben mit O-Ringen positioniert, die es ermöglichen, die<br />

untersuchte Probe zentral zu fixieren. Die Abdichtung der Zelle wird durch vier Gewinde und Flügelschrauben<br />

sichergestellt. Der fließende Strom wird zwischen den polarisierten Platinelektroden gemessen. Um den Einfluss<br />

des Abstands zwischen den Platinelektroden und der Probe zu untersuchen, wurden Zwischenscheiben<br />

mit unterschiedlichen Breiten (3, 6, 12 und 24 mm) angefertigt.<br />

Bild 5. Die neu entwickelte elektrochemische Messzelle<br />

<strong>DVS</strong> 391 5


4 Experimentelles Vorgehen<br />

4.1 Detektion verdeckter Stöße<br />

Zur Untersuchung der Folien wurden verschiedene Messverfahren herangezogen: Laserlichtschnitt, ein stereoskopisches<br />

Messsystem mit aktiver Musterprojektion im VIS-Spektrum sowie aktive Thermografie. Mit den<br />

Messverfahren wurden Folien verschiedener Stärken und Materialien untersucht. Hierbei wurde ein Wellenband<br />

mit einem Glattband abgedeckt und ein Unterdruck von -0,08 bar erzeugt. Die untersuchten Materialien<br />

haben folgenden Eigenschaften (Tabelle 1).<br />

Tabelle 1. Spezifikationen der untersuchten Materialien.<br />

Glattband<br />

Material Aluminium Kupfer Stahl<br />

Stärke [µm] 25, 50, 100 50, 100 50, 100<br />

Wellenfolie (Material: Aluminium; Stärke: 100 µm)<br />

Wellenlänge [mm] ~3,2<br />

P-V Höhe [mm] ~1,6<br />

Das Verfahren des Laserlichtschnitts ermöglicht die Erfassung von Schnittprofilen vor allem linear bewegter<br />

Messobjekte bei gleichzeitig hoher Tiefenauflösung. Das stereoskopische Messsystem mit aktiver Musterprojektion<br />

arbeitet mit flächenhaft abtastenden Kameras und ermöglicht eine dreidimensionale Erfassung des<br />

gesamten Messbereichs ohne eine Relativbewegung zum Messobjekt.<br />

Zur Kontaktpunktbestimmung mittels aktiver Thermografie wurden die geschichteten und mit Unterdruck beaufschlagten<br />

Folien sowohl kurzzeitig mit Heißluft (~5 s) als auch impulsartig mit Blitzlampen erwärmt. Die<br />

Abkühlung der Oberfläche wurde mit einer Wärmebildsensorik aufgezeichnet. Die Erwärmung mittels Heißluft<br />

erfolgte manuell mit einer Heißluftpistole, welche 500 l/min bei 550°C zur Verfügung stellt. Zur Blitzanregung<br />

wurden drei baugleiche Blitzlampen mit einer jeweiligen Pulsenergie von 500 Joule verwendet. Diese wurden<br />

entsprechend Bild 6 (rechts) um das Messobjekt positioniert und gleichzeitig mittels Fernbedienung ausgelöst.<br />

Bei der Blitzanregung wurden zwei verschiedene Modi verfolgt: Zum einen der Einzelimpuls und zum anderen<br />

eine Impulsfolge von fünf Blitzen mit einem Abstand von jeweils ~0,5 s.<br />

Bild 6. Demonstrator: links: Konstruktion des Messaufbaus mit Folienspannvorrichtung und Thermografiekamera; Mitte:<br />

Seitenansicht mit um 6° geneigter Kamera zur Normalen der Messoberfläche; rechts: Messstand mit Folienspannvorrichtung,<br />

Thermografiekamera und Blitzanregungsquellen bei reduziertem Arbeitsabstand<br />

Ein Demonstrator zur Anwendung des Verfahrens der aktiven Thermografie wurde aus Aluminiumprofilen gefertigt.<br />

Der Reflexionsgrad der Materialien verhält sich im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10 µm sehr<br />

unterschiedlich. Im Sensitivitätsbereich der IR-Kamera (2,2 µm bis 5,0 µm) liegt der Reflexionsgrad von Aluminium<br />

und Kuper bei ~98% und wirkt damit wie ein Spiegel. [2] Aus diesem Grund wurde die Thermografiekamera<br />

leicht geneigt über dem Messobjekt platziert. Ohne diese Verkippung würde die Kamera vorwiegend<br />

eine Selbstreflektion aufzeichnen. Empirische Untersuchungen haben einen geeigneten Neigungswinkel zur<br />

6<br />

<strong>DVS</strong> 391


Normalen der Messoberfläche von 6° ergeben (Bild 6, links und Mitte). Die Kamera wurde oberhalb des Messobjektes<br />

in einem Abstand von ~1,60 m platziert. Zusätzlich zur Kamera mussten die Anregungsquellen für<br />

die aktive Thermografie angeordnet werden. Die Blitzquellen wurden möglichst nah an dem Messobjekt platziert,<br />

um eine zuverlässige Wärmeübertragung auf geringer Anregungsstrecke zu erreichen. Die Blitzlampen<br />

wurden dabei so angeordnet, dass diese die Messaufnahme nicht beeinflussen.<br />

Die Wärmebildkamera wurde in Verbindung mit einem Teleobjektiv mit 100 mm Brennweite eingesetzt. Dieses<br />

erlaubt eine nahezu verzeichnungsfreie Aufnahme und liefert bei dem gewählten Arbeitsabstand von ~1,60 m<br />

eine Auflösung (MFOV) von 0,72 mm. Die Wellenlänge der Wellenfolie beträgt ~3,2 mm und kann mit der<br />

bereitgestellten Auflösung zuverlässig erfasst werden.<br />

4.2 Punktschweißungen<br />

Für die Punktschweißungen kamen artgleiche Materialpaarungen aus 1.4404, Cu-HCP (2.0070) sowie Al der<br />

1000er Reihe zum Einsatz. Die Materialstärken betrugen 25 bzw. 50 µm. Als Referenzverfahren kam das<br />

Kleben zum Einsatz. Bei den Schweißungen für die Zugproben wurden 8 Schweißpunkte einschnittig, zweireihig<br />

appliziert. Bild 7 links veranschaulicht dies. Bild 7 rechts zeigt den Versuchsaufbau für die Schweißungen<br />

am Beispiel von Kupfer. Hierfür wurde die Bearbeitungsoptik leicht angestellt, um Rückreflexe auf die<br />

Optik zu vermeiden. Bei den Schweißungen kamen sowohl Rechteckpulse, als auch Pulsformung zum Einsatz.<br />

Bild 7. links: Aufbau der Zugproben für die Punktschweißversuche (einschnittig, zweireihig) rechts: Versuchsaufbau für<br />

das Schweißen von Zugproben (Modifikation für Kupfer)<br />

Später wurden die Punktschweißungen auf reale Stoßkonfigurationen an Glattband/Welle/Glattbandverbindungen<br />

übertragen.<br />

Für die Referenzklebung wurde eine Fläche herangezogen, die der Klebefläche entspricht, welche bei einem<br />

konventionell gefertigten Rotationswärmetauscher für die Glattbandfläche von 200 mm * 300 mm vorgesehen<br />

ist. Diese Klebefläche entspricht jener, die durch 8 Schweißpunkte ersetzt werden soll. Sie beträgt ca.<br />

160 mm 2 . Daher wurde die Geometrie für die Zugproben wie folgt festgelegt: Probengröße: 20mm (Breite) *<br />

50 mm (Länge). Die Überlappung beträgt 8 mm. Es kamen 2 verschiedene Klebstoffe zum Einsatz. Bei beiden<br />

Klebstoffen handelte es sich um Hotmelt- Industrieklebstoffe, die sich durch sehr kurze Abbindezeiten auszeichen.<br />

Zur Beurteilung der Klebung wurden sowohl Schäl- als auch Scherzugversuche durchgeführt. Geprüft<br />

wurde mit einem 500 N Kraftsensor, einer Geschwindigkeit von 1 mm/min unter Erfassung der Maximalkraft.<br />

<strong>DVS</strong> 391 7


Bild 8 zeigt beispielhaft zwei Schälzugversuche.<br />

Bild 8. Schälzugversuche an geklebten Proben, links 1.4404 rechts Cu<br />

4.3 Nahtschweißungen<br />

Für die Nahtweißungen kamen artgleiche Materialpaarungen aus 1.4404, als auch artfremde Materialpaarungen<br />

aus 1.4404/Cu-HCP sowie 1.4404/Al zum Einsatz. Die Materialstärken betrugen 50 bzw. 100 µm. Es<br />

wurden sowohl cw-Schweißungen, als auch pw-Schweißungen betrachtet. Darüber hinaus wurden Ansätze<br />

der Leistungsmodulation erprobt. Als Referenzverfahren kam das Diffusionsschweißen zum Einsatz.<br />

4.4 Korrosionsuntersuchungen<br />

Vor den Untersuchungen wurden Vorversuche mit variierenden Abständen zwischen der Probe und den Platinelektroden<br />

durchgeführt, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Bild 9 illustriert den Einfluss des Abstands<br />

zwischen den Platinelektroden und einer Referenzprobe auf die Messergebnisse für die Materialkombination<br />

1.4404-Cu in VE-Wasser. Dabei wird deutlich, dass der gemessene Strom mit zunehmendem Abstand abnimmt.<br />

Aufgrund dieser Erkenntnisse wird für zukünftige Messungen die Nutzung der schmalsten Zwischenscheibe,<br />

die einen Abstand von 3 mm aufweist, bevorzugt.<br />

Bild 9. Einfluss der Scheibenbreite auf den gemessenen Strom<br />

Die primäre Anwendung der mittels Lasertechnik geschweißten Folien zielt auf Brennstoffzellen und Wärmetauscher<br />

ab. Gemäß der Fachliteratur kommen als flüssige und elektrisch leitfähige Elektrolyte üblicherweise<br />

eine 30%ige Kalilauge in alkalischen Brennstoffzellen (AFC) oder eine hochkonzentrierte Phosphorsäure<br />

(85%) in phosphorsauren Brennstoffzellen (PAFC) zum Einsatz [3]. Während alkalische Brennstoffzellen im<br />

Niedertemperaturbereich von 20 bis 90°C operieren, erreicht die Betriebstemperatur der phosphorsauren<br />

Brennstoffzellen etwa 180°C. Zusätzlich zu den spezifischen alkalischen und sauren Elektrolyten ist geplant,<br />

elektrochemische Untersuchungen sowohl in Deionisiertem Wasser als auch in Trinkwasser durchzuführen,<br />

die beide oft als Wärmeträger in Wärmetauschern genutzt werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens<br />

wurde nichtrostender Stahl der Sorte 1.4404 als Hauptpartner für die Werkstoffpaarungen ausgewählt. Aufgrund<br />

der ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit gegenüber den zuvor genannten Elektrolyten soll die Korrosionsbeständigkeit<br />

von lasergeschweißtem nichtrostendem Stahl 1.4404 zusätzlich in einem chloridhaltigen<br />

Elektrolyt mit 1% NaCl untersucht werden.<br />

8<br />

<strong>DVS</strong> 391


Darüber hinaus, und in Unabhängigkeit von der Werkstoffpaarung sowie der Bildung von Bimetallkorrosion,<br />

wurde der seitlich angeschweißte nichtrostende Stahl 1.4404 elektrochemisch charakterisiert. Hierfür wurden<br />

Strom-Spannungs-Kurven unter Verwendung einer Aufsatzmesszelle in einer 1% NaCl-Lösung erstellt, um<br />

das Durchbruchspotential bei einer Stromdichte von 10 µA/cm² zu bestimmen [4]. Diese Methode ermöglicht<br />

es, den Einfluss der beim Laserschweißen entstehenden Wärme auf die Passivschicht der Schweißnähte zu<br />

untersuchen und deren Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit zu bewerten. Vor der Untersuchung<br />

wurde der nichtrostende Stahl 1.4404 gebeizt, um Oberflächenverunreinigungen und eventuelle Oxidschichten<br />

zu entfernen.<br />

Die lasergeschweißten Proben aus der Kombination 1.4404-Cu, jede mit einer Stärke von 50 µm, wurden<br />

unter Verwendung verschiedener Schweißparameter gefertigt und anschließend anhand der Schweißleistung<br />

in sieben Gruppen eingeteilt. Die Einteilung erfolgte von 100 W bis 350 W in Schritten von 50 W, mit einer<br />

Ausnahme bei 175 W. Innerhalb jeder Gruppe wurde die Geschwindigkeit des Laserschweißens schrittweise<br />

und zunehmend variiert.<br />

5 Ergebnisse<br />

5.1 Detektion verdeckter Stöße<br />

In vorangegangenen Experimenten wurden drei Messverfahren untersucht. Die Aufnahme des gesamten<br />

Messbereiches mit einem zeilenhaft abtastenden System (Laserlichtschnittverfahren) würde die Erfassungszeit<br />

deutlich steigern. Zusätzlich müsste eine zweidimensionale translatorische Bewegung des Sensors mit<br />

der erforderlichen Genauigkeit realisiert werden. Die hohe Reflektivität der untersuchten Materialien erschwert<br />

die Detektion der Wellenberge und -täler mittels des stereoskopisches Messsystem mit aktiver Musterprojektion<br />

und führte somit zu Fehlstellen im 3D-Abbild. Nachteil dieser 3D-Messverfahren ist ebenfalls, dass für die<br />

Erfassung der verborgenen Struktur eine tatsächliche Verformung des aufliegenden Glattbandes erforderlich<br />

ist. Bei steigender Folienstärke des Glattbandes (>35 µm) musste der Unterdruck erhöht werden. Diese notwendige<br />

geometrische Verformung führte letztlich zu einem höheren Material- und Ressourcenverbrauch. Daher<br />

wurde im Rahmen des Projektes das Messverfahren der aktiven Thermografie eingesetzt und im Folgenden<br />

werden die Ergebnisse präsentiert.<br />

Bild 10. Aktive Anregung unterschiedlicher Materialien und Folienstärke mit Heißluft (500 l/min, 500°C) für 5s und einzelnen<br />

Blitzimpulsen (3x 500 Ws)<br />

Bild 10 zeigt die Erwärmung des Folienstapels sowohl mit Heißluft als auch Blitzimpulsen. Bei beiden Methoden<br />

wurde ein vergleichbarer Betrag an Energie in das Material eingetragen. Stahlfolien verhielten sich bzgl.<br />

beider Anregungsquellen sehr kooperativ. Aluminiumfolien ließen eine Detektion der Wellenstruktur bis max.<br />

50 µm zu. Bei Kupferfolien konnte bisher kein Ergebnis erzielt werden. Vermutlich ist dieses Verhalten auf die<br />

unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der Materialien (Tabelle 2) zurückzuführen. Vor allem die hohe Leitfähigkeit<br />

von Aluminium und Kupfer führen zu einem schnellen Abfluss der Energie in die darunterliegende Wellenfolie.<br />

Zusätzlich wurde, durch den Versuchsaufbau notwendigen Unterdruck, Konvektion an der Unterseite des<br />

Glattbandes erzeugt, womit der Wärmeabfluss beschleunigt wird. Außerdem ist zu prüfen, wie sich verschiedene<br />

Legierungen und Vorverarbeitungsprozesse auf die Energieabsorptionsfähigkeit der Materialien auswirken.<br />

<strong>DVS</strong> 391 9


Tabelle 2. Wärmeleitfähigkeit der untersuchten Stoffklassen.<br />

Material Wärmeleitfähigkeit (W/(m*K)) [5,6]<br />

Aluminium (99,5 %) 236<br />

Aluminiumlegierungen 75 - 235<br />

Kupferlegierungen (Sn, Zn, Ni, Pb) 30 - 110<br />

Kupfer (Handelsware) 240 - 380<br />

Kupfer (rein) 401<br />

Eisen 80,2<br />

Zur Detektion verdeckter Kontaktpunkte erfolgte eine algorithmische Kantendetektion mit Hilfe des Sobel-Operators.<br />

Die Analyse wurde zur Vergleichbarkeit auf normalisierten Bildern durchgeführt. Dabei traten deutlich<br />

die verborgenen Wellenberge (Kontaktlinien zum Glattband) bei Aluminium 25 µm sowie Stahl 50 µm und<br />

100 µm hervor. Des Weiteren wurden die Kantenbilder mittels eines datengetriebenen Schwellwertes binarisiert<br />

und zeigen deutlich die verdeckten Kontaktlinien (Bild 11). Auf Grundlage dieser Ergebnisse können über<br />

den gesamten Messbereich vertrauenswürdige Kontaktpunkte festgelegt und an das Laserschweißsystem<br />

übergeben werden. Im weiteren Projektverlauf soll diese Analysekette bspw. mit anderen Operatoren zur Kantendetektion<br />

verglichen und durch eine Fourier-Transformation erweitert werden.<br />

Bild 11. Binarisierung mittels datengetriebenem Schwellwert nach Kantendetektion mit Sobel-Operator<br />

5.2 Punktschweißungen<br />

Gegenüber den Referenzklebungen sind die übertragbaren Spannungen größer, die übertragbaren Kräfte jedoch<br />

um eine Größenordnung schlechter. Da die Schweißpunkte lediglich der Fixierung während des Montagevorgangs<br />

dienen, werden die übertragbaren Kräfte als ausreichend groß angesehen. Bild°12 veranschaulicht<br />

die Ergebnisse exemplarisch für 50 µm dicke Kupferfolien. Bild 13 zeigt Ausknüpfungen (Versagen im<br />

Grundwerkstoff) an Kuper (links) und Aluminium (rechts).<br />

Bild 12. Übertragbare Maximalkräfte an Überlappstößen von 50 µm dicken Kupferfolien (links: Rechteckpulse, rechts:<br />

mit Pulsformung<br />

10<br />

<strong>DVS</strong> 391


Bild 13. Ausknüpfungen bei den Scherzugversuchen, links: Cu, Rechteckpuls, t=1 ms, P=2000 W, rechts: Al, Pulsformung<br />

Für Kuper- und Stahlfolien sind Rechteckpulse mit 2 ms Pulsdauer zu empfehlen. Die Laserleistung ist dem<br />

optischen Setup anzupassen und sollte bei einem Fokusdurchmesser von 85 µm an Kupfer mindestens 900 W<br />

betragen. An Aluminiumfolien ist für Materialstärken von 25 µm Pulsformung mit einem überhöhten Pulsbeginn<br />

und einer abfallenden Rampe zu Pulsende zu empfehlen. Ab einer Folienstärke von 50 µm kann auch ein<br />

Rechteckpuls Verwendung finden.<br />

5.3 Nahtschweißungen<br />

Es konnten Schweißnähte generiert werden, welche den diffusionsgeschweißten Referenzproben bzgl. ihrer<br />

Zugfestigkeit deutlich überlegen sind. Dies liegt daran, dass nicht die Diffusionsschweißnaht selbst versagt,<br />

sondern der (durch den Prozess geschwächte) Grundwerkstoff am Übergang zur Diffusionsschweißzone. Darüber<br />

hinaus konnten für die Durchschweißung Parameter ermittelt werden, die sich tolerant gegenüber Spaltbildung<br />

zeigten (siehe Bild 14).<br />

Bild 14. Durchschweißung trotz Spaltbildung, 1.4404 artgleich, t=100 µm, P=200 W, v=37 m/min, dF=56 µm<br />

Aufgrund der höheren umsetzbaren Schweißgeschwindigkeiten sind cw-Schweißungen den gepulsten zur Erreichung<br />

dieses Vorhabenziels vorzuziehen. Es gelang, Nähte zu generieren, welche in den Scherzugversuchen<br />

im Grundwerksoff des weicheren Fügepartners (Cu bzw. Al) versagten. Einschnüren und Versagen erfolgten<br />

am Übergang zur Schweißnaht. Bild 15 zeigt exemplarisch Querschliffe an 100 µm-Folien aus Stahl<br />

und Kupfer, links als Einschweißung und rechts als Durchschweißung, wobei die ausgewählte Durchschweißung<br />

durch Wurzeleinfall gekennzeichnet ist.<br />

Bild 15. Schweißungen an 100µm 1.4404/Cu-HCP, links: Einschweißung, rechts Durchschweißung mit Wurzelrückfall<br />

<strong>DVS</strong> 391 11


5.4 Korrosionsuntersuchungen<br />

Die Ergebnisse zur Bestimmung des Durchbruchpotentials aus Bild 16 zeigen, dass in jeder Gruppe mit zunehmender<br />

Laserschweißgeschwindigkeit das Durchbruchpotential steigt und ein Maximum erreicht, welches<br />

dem Durchbruchpotential der Referenzprobe entspricht. Die Referenzprobe (Probenummer 58) ist ein nicht<br />

angeschweißter 1.4404 Stahl. Ein Anstieg des Durchbruchpotentials deutet darauf hin, dass der Werkstoff<br />

korrosionsbeständiger wird. Daraus lässt sich schließen, dass eine langsamere Schweißgeschwindigkeit zu<br />

einer stärkeren Wärmeeinwirkung und somit zu umfangreicheren Strukturveränderungen im 1.4404 Werkstoff<br />

führt, was wiederum eine negative Auswirkung auf die Korrosionsbeständigkeit hat und die Passivschicht beschädigen<br />

kann.<br />

Bild 16. Durchbruchpotential der lasergeschweißten Proben in 1%NaCl-Lösung<br />

Jedoch zeigt die Korrelation des Durchbruchpotentials mit der Haftung der gepaarten Folien, dass mit zunehmender<br />

Laserschweißgeschwindigkeit die Haftung der verbundenen Folien deutlich abnimmt. Beispielsweise<br />

verdeutlicht Bild 17, dass in der Gruppe mit einer Laserleistung von 175 W bei einer Laserschweißgeschwindigkeit<br />

von 110x10 3 mm/min keine adäquate Haftung zwischen den Folien erzielt wird.<br />

50.000 [mm/min] 80.000 [mm/min] 110.000 [mm/min]<br />

Bild 17. Durchbruchpotential und Querschliffbilder der lasergeschweißten Proben aus der Gruppe mit 175 W<br />

12<br />

<strong>DVS</strong> 391


Nach den Untersuchungen mit der neu entwickelten Messzelle unter Verwendung von Referenzproben und<br />

dem Vergleich der Ergebnisse mit den Elementstrommessungen derselben Referenzproben wurde eine sehr<br />

gute Korrelation festgestellt. Dadurch kann die ordnungsgemäße Funktionalität der neu aufgebauten Messzelle<br />

gewährleistet werden.<br />

Bild 18 präsentiert die Ergebnisse, die mit der neu entwickelten Messzelle für lasergeschweißte Proben der<br />

Materialkombination FE-Cu, jeweils mit einer Dicke von 50 µm, erzielt wurden.<br />

Bild 18. Messergebnisse mit der neu entwickelten Messzelle in 1% NaCl-Lösung<br />

Die erste Probe, als Referenzprobe gekennzeichnet und mit der Nummer Null versehen, besteht aus zwei<br />

Folien aus Cu und Fe 1.4404. Diese sind zwar nicht miteinander verschweißt, aber elektrisch verbunden und<br />

dienen als Vergleichsbasis. Die beim Laserschweißen entstehende Wärme beeinflusst beide Materialien und<br />

führt zu Veränderungen in der Gefügestruktur der Folien, was wiederum die Potenziale beider Werkstoffe<br />

modifiziert. Durch die neu entstandenen Potenziale und ihre Differenz entsteht ein elektrischer Stromfluss,<br />

dessen Intensität direkt von der Größe der Potentialdifferenz abhängt: Je größer die Differenz, desto stärker<br />

der Stromfluss, was auf eine geringere Korrosionsbeständigkeit der Materialkombination hinweist. Die durchgeführten<br />

Messungen der Ruhepotenziale von Kupfer (Cu) und 1.4404 in einer 1%igen NaCl-Lösung haben<br />

gezeigt, dass 1.4404 gegenüber Kupfer ein leicht edleres Verhalten aufweist. In einer 1%igen NaCl-Lösung<br />

fungiert Kupfer daher im Vergleich zu 1.4404 als Anode.<br />

Die Ergebnisse aus Bild 18 zeigen, dass der Stromfluss zwischen den zwei polarisierten Platinelektroden stark<br />

von der Laserleistung und der Laserschweißgeschwindigkeit beeinflusst wird. Dies deutet darauf hin, dass der<br />

Elementstrom ebenfalls stark beeinflusst wird, was wiederum die Bildung von Bimetallkorrosion begünstigen<br />

kann. Die Kurve zeigt, dass der maximale Strom bei einer Laserleistung von 250 [W] fließt und bei der Probe<br />

35 einen Wert von 350,75 [nA/cm²] erreicht. Probe 35 wurde mit einer Laserleistung von 250 [W] und einer<br />

Lasergeschwindigkeit von 2500 [mm/s] bearbeitet. Bei einigen Proben, wie z.B. den Nummern 5, 12 und 13,<br />

wurde eine Umkehrung des Stromflusses festgestellt. Der absolute Stromwert dieser Proben entspricht grundsätzlich<br />

den Strömen der übrigen Proben. Dieses Phänomen resultiert aus der beim Laserschweißen erzeugten<br />

Wärme, welche bewirkt, dass der Werkstoff 1.4404 gegenüber Kupfer unedler wird und somit die Anode<br />

bildet.<br />

6 Danksagung<br />

Das Verbundvorhaben wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter den IGF-Fördernummern<br />

48 LBR und 49 LBR nach einem Beschluss des Deutschen Bundestages unterstützt. Für diese Förderung<br />

und Unterstützung sei gedankt.<br />

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Schrifttum<br />

[1] DIN 50919:2022-02. Korrosion der Metalle - Korrosionsuntersuchungen der Bimetallkorrosion in Elektrolytlösungen.<br />

Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2022-02.<br />

[2] D. Tiberto, U. E. Klotz, F. Held. Einfluss der thermophysikalischen Eigenschaften auf die Verarbeitbarkeit<br />

von CuSn-Legierungen durch das selektive Laserschmelzen. Metall, vol. 71, S. 452-458, 11/2017.<br />

[3] Kurzweil, Peter. Brennstoffzellentechnik: Grundlagen, Materialien, Anwendungen, Gaserzeugung. 3.,<br />

überarbeitete und aktualisierte Auflage. Unter Mitarbeit von Ottmar Schmid. Wiesbaden: Springer Vieweg,<br />

2016. ISBN 978-3-658-14935-2.<br />

[4] ISO 15158:2014-02. Korrosion der Metalle und Legierungen - Potentiodynamische Methode zur Ermittlung<br />

des Lochkorrosionspotentials nichtrostender Stähle in Natriumchloridlösung.<br />

[5] H. J. Bargel, G. Schulze. Werkstoffkunde. VDI-Buch. Springer, Berlin, Heidelberg. (2008).<br />

https://doi.org/10.1007/978-3-540-79297-0_3.<br />

[6] C. Sigli, H. Terryn, I. De Graeve, H. Shercliff, M. Ryckeboer. Thermische Leitfähigkeit. aluMATTER<br />

(2016). https://web.archive.org/web/20160311181206/http://aluminium.matter.org.uk/content/html/ger/default.asp?catid=159&pageid=2144416493.<br />

14<br />

<strong>DVS</strong> 391


Gefährdungen beim handgeführten Laserstrahlschweißen<br />

M. Schmitz, Jena, Deutschland<br />

S. Jahn, Jena, Deutschland<br />

R. Prowaznik, Jena, Deutschland<br />

J. Lange, Jena, Deutschland<br />

Spätestens seit der letzten Weltleitmesse – Fügen, Trennen, Beschichten (Schweißen & Schneiden) im Jahr<br />

2023 sind handgeführte Laserstrahlschweißsysteme (engl. handheld laser welding) in das Interesse von<br />

Anwendern gerückt. Dies ist im Wesentlichen auf zwei Faktoren zurückzuführen: Zum ersten sind die Kosten<br />

für ein entsprechendes System in den letzten Jahren signifikant gefallen, zum anderen besteht wirtschaftlicher<br />

Druck bei der Herstellung von Schweißerzeugnissen, auch aufgrund des Fachkräftemangels. Im <strong>Bericht</strong><br />

wird auf verschiedene Aspekte des handgeführten Laserstrahlschweißens eingegangen, insbesondere auf<br />

Gefährdungen.<br />

1 Trend?<br />

Die Laserstrahlquelle stellt einen wesentlichen Kostenpunkt bei handgeführten Laserschweißsystemen dar.<br />

War bis vor wenigen Jahren der Preis von einem Kilowatt Laserstrahlleistung weit im sechsstelligen Bereich,<br />

so sind heute Strahlquellen mit 1 kW bereits im mittleren vierstelligen Bereich auf dem Markt verfügbar.<br />

Dadurch können Systeme bereits um zehntausend Euro angeboten werden.<br />

Um wirtschaftlich auftreten zu können, besteht ein hohes Interesse, die Produktivität beim manuellen<br />

Schweißen zu erhöhen. Hier bietet das handgeführte Laserstrahlschweißen ebenso Vorteile. Es kann<br />

schneller geschweißt und dabei der Verzug reduziert werden. Dadurch ist es möglich, den Durchsatz zu<br />

erhöhen, wenn die Randbedingungen stimmen. Weiterhin belegen <strong>Bericht</strong>e und Erfahrungen der Autoren,<br />

dass auch weniger erfahreneres Personal prüfgerechte Schweißnähte erzielen kann.<br />

2 Begriff<br />

Im Allgemeinen werden unter dem Begriff „Handschweißlaser“ Systeme verstanden, bei denen der Laserkopf<br />

feststeht und die Schweißbewegung durch händisches Verschieben des Werkstücks erfolgt. Auch werden<br />

darunter Anlagen verstanden, bei denen der Laserkopf mechanisiert/teilautomatisiert verfahren wird und<br />

die Bewegung des Laserkopfs oder des Werkstücks über einen Joystick gesteuert wird.<br />

Das handgeführte Laserstrahlschweißen ist dagegen vergleichbar mit handgeführten Lichtbogenschweißprozessen.<br />

Ein Handstück/Schweißkopf/Pistole wird über das Werkstück geführt, als Energie zum Aufschmelzen<br />

des Werkstoffs kommt jedoch kein Lichtbogen, sondern kohärente Strahlung zum Einsatz. Der<br />

Schweißkopf wird vom Schweißer in der Hand gehalten („Handstück“) und von diesem geführt.<br />

Bild 1. Handgeführte Laserstrahlschweißsysteme<br />

<strong>DVS</strong> 391 15


3 Sicherheitsanforderungen<br />

Zum Betrieb eines handgeführten Laserstrahlschweißsystems ist organisatorisch ein Laserschutzbeauftragter<br />

im Unternehmen zwingend erforderlich. Die Systeme sind der Laserklasse 4 („offenes Lasersystem“)<br />

zuzuordnen. Daher sind beim Betrieb die Vorschriften der Lasersicherheit besonders zu betrachten. Es wird<br />

dabei unterschieden zwischen dem Schutz des Schweißers und dem Schutz von Dritten. Firmen, die bereits<br />

eine Laseranlage einsetzen, beispielsweise zum Schneiden, erfüllen die Anforderung bereits. Neueinsteigern<br />

ist dies jedoch oft nicht bekannt, was ein Risiko darstellt.<br />

Schweißer-seitig muss das System Sicherheitsanforderungen erfüllen und darf die Laserstrahlung nur unter<br />

bestimmten Sicherheitsbedingungen freigeben. Die meisten Systeme bieten eine mehrstufige Überwachung.<br />

Die erste Stufe ist Kontaktüberwachung: der Laserstrahl wird nur freigegeben, wenn elektrischer Kontakt<br />

zwischen Handstück und Werkstück besteht („Massekabel“ zwischen Werkstück und System). Als zweite<br />

Stufe fungiert eine Freigabetaste am Handstück mit Signalisierung „Laser an“. Für einen sicheren Einsatz<br />

besitzen die Systeme die geforderte dritte Stufe, um den Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich Laserschutzverordnung<br />

(Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung - OStrV) oder der Berufsgenossenschaften<br />

(Hand-Laser-Maschinen (HLM) - Checkliste (Entwurf), BG ETEM), zu erfüllen. Ausgeführt<br />

werden kann diese in Form eines Fußschalters oder einer Plasmaüberwachung.<br />

Bild 2. Handstücke zum einachsigen (links) und zweiachsigen (Mitte) Pendeln sowie mit aktiver Plasmaüberwachung<br />

(rechts)<br />

Der Schweißer muss persönliche Schutzausrüstung tragen. Es kann die Kleidung verwendet werden, die<br />

auch beim Lichtbogenschweißen genutzt wird. Aufgrund der Reflexion der gestreuten Laserstrahlung und<br />

der werkstoffbedingten Entstehung von UV-Strahlung („UV-Strahlung bei der Handlasermaterialbearbeitung“<br />

(DGUV-FP439)“) [6] ist jedoch darauf zu achten, dass die Haut des Schweißers bedeckt ist (Handschuhe!).<br />

Tabelle 1. UV-Belastung und Zeit bis zum Erreichen der Expositionsgrenzwerte [6]<br />

Hinsichtlich der Handschuhe liegen Anforderungen von mehreren Seiten vor. So existiert eine DIN SPEC,<br />

die Vorgaben hinsichtlich Schutz gegen Laserstrahlung trifft. „Die Untersuchung von Schutzhandschuhmaterialien<br />

gegenüber nichtkohärenter UV-Strahlung ist vorerst nicht Bestandteil dieser Norm.“ [7].<br />

„Die Sekundärstrahlung wird im Allgemeinen bei allen betrachteten Werkstoffen sehr stark divergent in die<br />

Hemisphäre über der jeweils bearbeiteten Werkstoffprobe emittiert. Bei den verwendeten Lasersystemen<br />

sind UV-Sekundärstrahlungsexpositionswerte, die für die Haut und die Hornhaut kritisch sind, in einer ähnlichen<br />

Größenordnung zu beobachten. Der relevante Expositionsgrenzwert Heff wird vor allem im Fall von<br />

Titan bei geringem Abstand von der Laserprozesszone teilweise nach weniger als einer Minute erreicht.<br />

Entsprechend sind lichtdichte Arbeitshandschuhe zu tragen. Dabei sollte der Schutz der Hände gegen emittierte<br />

Laserstrahlung nicht unberücksichtigt bleiben.“ [6] Eine Herausforderung ist aktuell daher, beide Forderungen<br />

nach Schutz gegen Primär- und Sekundärstrahlung zu erfüllen, da typische IR-Schutzwerkstoffe<br />

unter UV-Belastung zu einer schnellen Alterung neigen.<br />

16<br />

<strong>DVS</strong> 391

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