Application and Modeling of Laser Beam Submerged-Arc Hybrid Process
Final Report Abstract
Die innerhalb dieses Projektes durchgeführten Arbeiten lassen sich in drei Abschnitte unterteilen. Im ersten Projektteil galt es, die Prozessstabilität zu erhöhen. Dazu musste in erster Linie Verständnis in Bezug auf das Zusammenwirken der beiden Schweißverfahren als hybrider Prozess generiert werden. Nachdem ein Parametersatz für das qualitätskonforme Verbindungsschweißen für Stahlblech einer Blechdicke von 50 mm generiert wurde, wurden Untersuchungen den Prozessabstand betreffend durchgeführt. Ein verringerter Prozessabstand führte zu stark fluktuierenden Einschweißtiefen und Defekten im Schweißnahtinnern aufgrund von bis zum Auftreffpunkt des Laserstrahls vorlaufender Schlacke/Schmelze. Das Einstellen eines stabilen, stationär ablaufenden Schweißprozesses konnte so nicht erreicht werden. Ein vergrößerter Prozessabstand ermöglichte zwar das Einstellen eines stabilen, stationär ablaufenden Schweißprozesses, jedoch ließen sich so nur verringerte Einschweißtiefen erzielen. Es liegt nahe, dass es sich bei dem vergrößerten Prozessabstand vielmehr um zwei serielle Schweißprozesse handelt als um einen hybriden Schweißprozess sodass Synergieeffekte (gesteigerte Einschweißtiefe) ausbleiben. Die Optimierung bzw. Homogenisierung der mechanisch-technologischen Eigenschaften beschreibt den zweiten Projektteil. Im vorangegangenen Projekt wurden für den UP-dominierten Schweißnahtbereich stark reduzierte Kerbschlagzähigkeiten im Vergleich zum laserstrahldominierten Schweißnahtbereich festgestellt. Vor dem Hintergrund die Kerbschlagzähigkeit des UP-dominierten Schweißnahtbereichs zu steigern, wurden Schweißnähte mit verschiedenen Draht/Pulver-Kombinationen erzeugt. Die anschließende Auswertung mittels Kerbschlagbiegeversuch zeigte, dass für verschiedene Temperaturbereiche verschiedene Draht/Pulver-Kombinationen geeignet sind, um die Kerbschlagzähigkeit des UP-dominierten Schweißnahtbereichs dem des Laserstrahl-dominierten Schweißnahtbereichs anzugleichen. Eine Homogenisierung über den gesamten Temperaturbereich mit nur einer Draht/Pulver-Kombination konnte nicht erreicht werden. Der dritte Arbeitspunkt des Projektes sollte die Strömungsverhältnisse und den Materialtransport innerhalb der Schweißnaht aufzeigen. Dazu wurde eine Schweißdrahtelektrode mit Wolfram geimpft und anschließend verschweißt. Die röntgenografische Auswertung der Schweißnaht zeigte, dass bei einem stabil ablaufenden LUPuS-Schweißprozess der Zusatzwerkstoff bis in den oberen Laserstrahldominierten Schweißnahtbereich transportiert wird. Dies belegt abermals den hybriden Charakter von LUPuS, da ein gemeinsames Schmelzbad existiert. Die im weiteren Verlauf durchgeführten Elementaranalysen von LUPuS Schweißnähten, ließen eine metallurgische Beeinflussung des oberen laserstrahl-dominierten Schweißnahtbereichs durch den eingebrachten Zusatzwerkstoff erkennen. Für einen vergrößerten Prozessabstand konnte keine metallurgische Beeinflussung festgestellt werden. Dies untermauert die Annahme, dass für einen vergrößerten Prozessabstand kein hybrider Schweißprozess mehr vorliegt. Die im Rahmen dieses Projektes erzielten Ergebnisse und die tatsächliche Relevanz für die Industrie führten dazu, dass ein Folgeprojekt (Forschungsvereinigung FOSTA) bewilligt wurde. Ziel dieses Projektes ist es durch die Erprobung verschiedener Sensorik einen weiterer Schritt in Richtung industrielle Einsatzreife zu gehen.
Publications
- ”Laser Submerged Arc Welding (LUPuS) with Solid State Lasers”, Physics Procedia, Volume 56, pp. 653-662, Elsevier B.V., Amsterdam, 2014
Reisgen, U.; Olschok, S.; Jakobs, S.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.067) - „Laser Submerged Arc Welding (LUPuS) – a new method for longitudinal welded pipes“, Conference proceedings, Proceedings / METEC & 2nd ESTAD 2015, European Steel Technology and Application Days, pp. 665, Düsseldorf, 2015
Reisgen, U.; Olschok, S.; Jakobs, S.; Engels, O.
- „LUPuS – Laserstrahl- Unterpulver-Hybridschweißen. Eine effiziente Alternative für das Fügen von Dickblech“, Im Blickpunkt: Deutschlands elite-Institute (Projekt-Br.: 076-050), S. 52-56, Aachen, 2015, Alpha Inform. Ges. Lampertheim, ISBN / ISSN 1641-8185
Reisgen, U.; Olschok, S.; Jakobs, S.; Mokrov, O.; Engels, O.
- „Modern hybrid welding process for structural steelwork engineering – laser submerged arc hybrid welding”, 34th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics – ICALEO, pp. 18-22, Atlanta, 2015, Laser Institute of America LIA, ISBN 978-1-940168-05-0
Reisgen, U.; Olschok, S.; Jakobs, S.; Engels, O.
- „Modern Hybrid Welding Process for Structural Steelwork Engineering – Laser Submerged Arc Hybrid Welding”, Journal of Laser Applications 28, 022011-1 – 022011-7, Laser Institute of America, Orlando, 2016
Reisgen, U.; Olschok, S.; Jakobs, S.; Engels, O.
(See online at https://doi.org/10.2351/1.4944112)
