Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Verfahrensoptimierung beim Wolfram-Plasmaschweißen durch Laserstrahlung geringer Leistung
Final Report Abstract
Gegenstand des Forschungsprojektes war die verfahrenstechnische Kopplung eines Wolfram-Plasmalichtbogens und eines Laserstrahls geringer Leistung mit dem Ziel der Verfahrensoptimierung des Plasmaschweißens. Zum Zeitpunkt der Antragstellung war aus der vorliegenden Literatur bekannt, dass sich durch die Kombination eines Schweißlichtbogens und eines Laserstrahls Verfahrensvorteile im Vergleich zum reinen Lichtbogenschweißen erzielen lassen. Entsprechende Arbeiten waren jedoch auf das Wolfram-Inertgasschweißen beschränkt und es war eine offene Fragestellung, inwieweit die erzielten Ergebnisse auch auf das Plasmalichtbogenschweißen übertragbar sind, welches sich durch einen stärker fokussierten und stabiler brennenden Lichtbogen auszeichnet. Des Weiteren war nicht eindeutig geklärt, welche physikalischen Mechanismen tatsächlich als maßgeblich für die erreichbaren Verfahrensvorteile angesehen werden müssen. Aussagen im vorliegenden Schrifttum sind teilweise widersprüchlich und waren auf eine dominante Rolle des laserinduzierten Metalldampfes oder einer direkten Wechselwirkung zwischen dem Lichtbogenplasma und der eingestrahlten Laserenergie fixiert. Die grundlegenden Untersuchungen zur Laserstrahl-Lichtbogen-Wechselwirkung wurden zudem für CO2 – Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 10.6 µm durchgeführt und es war insbesondere auch aus Sicht der Gutachter fragwürdig, ob eine synergetische Wechselwirkung bei der kürzeren Wellenlänge von 1.07 µm des für die Untersuchungen vorgesehenen Faserlasers überhaupt erzielbar sein kann. Dieser Überlegung lag die Vorstellung zu Grunde, dass die verbesserte Prozesscharakteristik primär durch die Absorption von Laserstrahlung im Lichtbogenplasma bewirkt wird. Hierzu sollte herausgefunden werden, inwieweit die Wechselwirkung mit der Intensität der Laserstrahlung korreliert. Motivierend für den Einsatz einer Single-Mode Faserlaserquelle war die extrem hohe Strahlqualität. Ursprünglich war der prinzipielle Lösungsansatz des Forschungsvorhabens auf die gute Fokussierbarkeit des Ausgangsstrahls im Bereich von 40 µm Strahldurchmesser ausgerichtet, da erwartet wurde, dass bereits bei geringsten Laserleistungen das Erreichen der Schwellintensität für eine signifikante Materialverdampfung möglich sein sollte. In Bezug auf den damaligen Stand der Technik war davon auszugehen, dass Metalldampf tendenziell eine stabilisierende Wirkung auf den Lichtbogen aufgrund der geringen Ionisationsenergie metallischer Atome ausübt. Tatsächlich zeigten die experimentellen Untersuchungen jedoch lediglich für Aluminiumwerkstoffe einen korrespondierenden Spannungsabfall während für Stahl eine Destabilisierung des Lichtbogens und ein Spannungsanstieg beobachtet wurde. Durch die Weiterentwicklung und Modifizierung eines numerischen Lichtbogenmodells konnte erstmals die Ursache für dieses charakteristische Verhalten theoretisch abgebildet werden. Demnach führt ein hoher Metalldampfanteil unter Berücksichtigung von Konvektions-, Diffusions- und Entmischungsprozessen zu einem örtlichen Auskühlen auf Temperaturen im Bereich 6000 K, die deutlich unterhalb der üblichen Temperaturen von reinen Argon- Plasmaschweißlichtbögen liegen. Insbesondere oberhalb der laserinduzierten Dampfkapillare verdrängt ein intensiver Metalldampfstrahl das heißere Argonplasma aus der Kernzone, woraus ein axial versetzter Stromtransport verbunden mit einem Anstieg der Lichtbogenspannung resultiert. Diese erreichten Ergebnisse widerspiegeln sowohl die Erfahrungen der eigenen durchgeführten Schweißversuche als auch die in der publizierten Literatur beschriebenen Beobachtungen einer destabilisierenden Wirkung des Laserstrahls auf das Lichtbogenplasma beim Laser- Lichtbogen-Hybridschweißen von Stahl. Die bisherigen Hypothesen zum Metalldampfeinfluss bei Laserstrahl-Lichtbogenverfahren konnten durch die gewonnenen theoretischen Erkenntnisse maßgeblich revidiert werden. In Konsequenz wurden die weiterführenden Untersuchungen zum laserstrahlgestützten Plasmaschweißen mit einem moderat fokussierten Laserstrahl bei einem Strahldurchmesser von ca. 300 µm auf der Blechoberseite realisiert, der sich im Rahmen des ersten Förderabschnitts als vielversprechend erwies. Die Rayleighlänge von 34 mm ermöglichte eine koaxiale Anordnung des Laserstrahls innerhalb der Hohlkathode eines adaptierten Plasmabrenners. Mit dem entwickelten Brenneraufbau konnte der Plasmaschweißprozess durch die Zuschaltung des Laserstrahls mit einer Leistung von 100 bis 200 W in zwei Aspekten maßgeblich verbessert werden. Der erste Aspekt betraf die Stabilisierung des Lichtbogenansatzes bei geringen Lichtbogenströmen und/oder hohen Schweißgeschwindigkeiten. Die Stabilisierung war insbesondere beim Gleichstromschweißen an Aluminium mit negativ gepolter Elektrode ausgeprägt, wurde jedoch auch an Stahlwerkstoffen nachgewiesen. Durch die Kombination des Lichtbogens mit dem Laserstrahl konnten kontinuierliche, nicht unterbrochenen Schweißnähte bis 40 m/min Vorschub realisiert werden. Als potentielle Ursache für diesen Effekt ist in Auswertung der Untersuchungsergebnisse insbesondere eine thermische Stabilisierung des Lichtbogenansatzes durch den laserstrahlgenerierten Brennfleck wahrscheinlich. Indizien für eine direkte Laserstrahl- Lichtbogen-Wechselwirkung im Plasma wurden dagegen nicht beobachtet. Auch eine signifikante Verbesserung des Lichtbogenzündverhaltens lag nicht vor. Durch einen geringfügige Verschiebung des Lasers innerhalb der Hohlkathode konnte außerdem eine leicht vor- bzw. nachlaufende Anordnung des Lasers realisiert werden. Bei Variation der Laserposition wurden deutliche Unterschiede im Schweißergebnis erreicht. Dies belegt ebenfalls darauf, dass die signifikanten Wechselwirkung zwischen Laser und Lichtbogen nicht in der Lichtbogensäule stattfinden. Der zweite Aspekt betrifft den erzielbaren Schweißwirkungsgrad. Dieser konnte beim laserstrahlgestützten Plasmaschweißen im Vergleich zu den Einzelverfahren deutlich verbessert werden. Unter Berücksichtigung der Erkenntnisse zur Lichtbogenstabilisierung wird auch dieser Effekt primär auf eine synergetische thermische Wechselwirkung zurückgeführt. Insbesondere wird vermutet, dass infolge der Verfahrenskombination von Lichtbogen und Laserstrahl unter bestimmten prozessseitigen Randbedingungen (Werkstoff, Probendicke, Schweißparameter) ein Übergang von einem Wärmeleitschweißprozess der Einzelverfahren zu einem effizienteren Tiefschweißprozess erfolgt. Inwieweit das Lichtbogenplasma neben der Vorwärmung des Materials in unmittelbarer Umgebung des Laserstrahlbrennflecks auch direkt die Ausbildung einer stabilen Dampfkapillare unterstützt, konnte jedoch nicht abschließend geklärt werden. Die Anforderungen für eine Simulation eines solchen Prozesses werden durch das derzeit vorhandene Simulationsmodell noch nicht adäquat abgebildet.
Publications
- (2011), Beeinflussung von Plasmaschweißprozessen durch Faserlaserstrahlung geringer Leistung – Teil 1: Experimentelle Untersuchungen, Schweißen und Schneiden, 04/2011, 170-175
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(See online at https://doi.org/10.1007/BF03321339) - (2012), Improvements of the welding performance of plasma arcs by a superimposed fiber laser beam, Proc. of SPIE, Vol. 8239, High Power Laser Materials Processing: Laser Beam Delivery, Diagnostics, and Applications, paper 82390D, 23.-27.01.2012, San Fransisco (CA, USA), 12 pages
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- (2012), Plasma welding with a superimposed fiber laser beam, IIW Study Group „Physics of Welding“, Denver (CO, USA), Doc. XII-2055-12 / 212-1213-12 / IV-1106-12, 11 pages
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