Laserstrahlerzeuger
Final Report Abstract
Die Arbeiten konzentrierten sich in den ersten drei Jahren auf das Laser-Unterpulver Hybridschweißen (LUPuS), auf das Laserstrahlschweißen unter Vakuum (LaVa), das Schweißen von Kupfer (LaVaCu3+) und die Beherrschung von Eigenspannungen (SFB1120). LUPuS: 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. Ein verringerter Prozessabstand führte zu stark fluktuierenden Einschweißtiefen und Defekten im Schweißnahtinnern aufgrund von bis zum Auftreffpunkt des Laserstrahls vorlaufender Schlacke/Schmelze. Ein vergrößerter Prozessabstand ermöglichte zwar das Einstellen eines stabilen, stationär ablaufenden Schweißprozesses, jedoch ließen sich so nur verringerte Einschweißtiefen erzielen. Die Optimierung bzw. Homogenisierung der mechanisch-technologischen Eigenschaften beschreibt den zweiten Projektteil. 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. 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 Laserstrahl-dominierten Schweißnahtbereich transportiert wird. Die Arbeiten konnten nur durch den Einsatz des beantragten Gerätes erfolgreich durchgeführt werden, da es bei Schweißungen mit dem vorherigen CO2-Laser zur sog. Plasmaabschirmung kam, die so starke Prozessinstabilitäten hervorbrachte, dass keine qualitätskonforme Schweißnaht erstellt werden konnte. LaVa: Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, ein innovatives und hochproduktives Schweißverfahren zum Fügen dickwandiger Strukturen aus Baustahl und von Duplexstählen zu entwickeln. Zur Umsetzung des Forschungsvorhabens wurde im ersten Schritt eine Anlage zum Laserstrahlschweißen im Vakuum auf die zu fügenden Blechdicken umgerüstet. Anhand von Einschweißversuchen erfolgte eine Ermittlung der Zusammenhänge zwischen Umgebungsdruck, Schweißgeschwindigkeit, Fokuslage usw. auf das Aspektverhältnis und die Nahtqualität beim Fügen von Baustahl großer Blechdicken. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden dann auf Verbindungsschweißungen an unlegiertem Baustahl übertragen. Die Projektziele (30 mm Blechdicke in einer Lage und 60 mm Blechdicke in Lage/Gegenlage) wurden in diesem Teil deutlich übererfüllt. In einer Lage wurden 50 mm Blechdicke und in Lage/Gegenlage 110 mm erfolgreich gefügt. Die erzielte Nahtqualität wurde anhand von metallographischen Methoden, zerstörungsfreier Prüfung (Sichtprüfung nach DIN EN ISO 13919 und Röntgen) und durch Bestimmung der mech.-techn. Eigenschaften geprüft. Die Arbeiten konnten nur durch den Einsatz des beantragten Gerätes erfolgreich durchgeführt werden, da der vorhandene CO2-Laser nicht über Glasoptiken ins Vakuum geführt werden kann. LaVaCu3+: Aufgrund des geringen Absorptionsgrades von Kupfer für die Strahlung von Multimode Festkörperlasern werden zum Erreichen von Einschweißtiefen größer 3 mm niedrige Schweißgeschwindigkeiten zwischen 0,5 und 1,5 m/min benötigt. Bei diesen Geschwindigkeiten verhindern jedoch Nahtdefekte, welche durch eruptionsartige Schweißgutauswürfe ausgelöst werden, den industriellen Einsatz des Laserstrahlschweißens. Im Rahmen dieses Projektes konnte nachgewiesen werden, dass Schweißgutauswürfe selbst bei niedrigen Geschwindigkeiten von 0,5 m/min durch Reduktion des Arbeitsdrucks sowie angepasste Wahl der Schweißparameter signifikant verringert und sogar gänzlich verhindert werden können. Es kann eine hohe innere Nahtqualität mit geringer Neigung zur Porenbildung erzielt werden. Somit können Multimode Festkörperlasern erstmals erfolgreich zum Schweißen von Kupfer im Blechdickenbereich 3 bis 10 mm eingesetzt werden. Die Versuche zeigten, dass bei einer Schweißgeschwindigkeit von 0,5 m/min und einer Laserleistung von 8 kW eine Einschweißtiefe von über 8 mm reproduzierbar bei guter Nahtqualität erreicht werden kann. Die Arbeiten konnten nur durch den Einsatz des beantragten Gerätes erfolgreich durchgeführt werden, da der vorhandene CO2-Laser nicht über Glasoptiken ins Vakuum geführt werden kann. SFB: Es wurde eine Methode zur in-situ Eigenspannungsmessmethode beim Schweißen mittels Bildkorrelation entwickelt. Erst durch den Umstand, dass der Festkörperlaser beim Schweißen nicht unbedingt ein Schutzgas benötigt, war die Entwicklung dieser neuartigen Messmethode möglich.
Publications
- Experimental research of hybrid welding processes in combination of gas tungsten arc with CO2- or Yb:YAG laser beam, in Journal of laser applications
Reisgen, Uwe, Krivtsun, Igor, Gerhards, Benjamin, Zabirov, Alexander
(See online at https://doi.org/10.2351/1.4944096) - Innovative hybrid welding process for structural steelwork engineering - laser submerged arc hybrid welding, in Journal of laser applications
Reisgen, Uwe, Olschok, Simon, Engels, Oliver
(See online at https://doi.org/10.2351/1.4983158) - Laser beam welding of ultrahigh strength martensitic steels with active cooling, in Journal of laser applications
Gerhards, Benjamin, Reisgen, Uwe, Olschok, Simon
(See online at https://doi.org/10.2351/1.4943913) - Laser beam welding under vacuum of high grade materials, in Welding in the world
Reisgen, Uwe, Olschok, Simon, Jakobs, Stefan, Turner, Christoph
(See online at https://doi.org/10.1007/s40194-016-0302-3) - Laser welding of ultrahigh strength steels at subzero temperatures, in Laser Assisted Net Shape Engineering 9 International Conference on Photonic Technologies
Gerhards, Benjamin, Reisgen, Uwe, Olschok, Simon
(See online at https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.037) - Modern hybrid welding process for structural steelwork engineering - Laser submerged arc hybrid welding, in Journal of laser applications
Reisgen, Uwe, Olschok, Simon, Jakobs, Stefan, Engels, Oliver
(See online at https://doi.org/10.2351/1.4944112) - Vacuum fiber-fiber coupler, in Int. Society for Optics and Photonics SPIE
Heinrici, Axel, Bjelajac, Goran, Jonkers, Jeroen, Jakobs, Stefan, Olschok, Simon
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2250335) - Welding of thick plate copper with laser beam welding under vacuum, in Journal of laser applications
Reisgen, Uwe, Olschok, Simon, Turner, Christoph
(See online at https://doi.org/10.2351/1.4983165) - Laser beam welding of copper : Reduced pressure as key for sound welding of high plate thicknesses, in Laser-Technik-Journal
Reisgen, Uwe, Olschok, Simon, Turner, Christoph
(See online at https://doi.org/10.1002/latj.201600029) - Characterisation of quasi-stationary temperature fields in laser welding by infrared thermography, in Materials science and engineering technology
Francis, J. A., Poprawe, Reinhart, Gillner, Arnold, Gach, Stefan, Häusler, André
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201700160)
