LASERSTRAHLSCHWEIßEN MIT BRILLANTEN HOCHLEISTUNGSLASERN Fachtagung Laser + Blech Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG

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1 LASERSTRAHLSCHWEIßEN MIT BRILLANTEN HOCHLEISTUNGSLASERN Fachtagung Laser + Blech Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG , Dortmund Michael F. Zäh Rüdiger Daub Florian Oefele

2 Gliederung 1. Motivation 2. Neue Möglichkeiten durch brillante Laserstrahlquellen 3. Herausforderungen 4. Forschungsaktivitäten 5. Visionen für das Laserstrahlschweißen 6. Zusammenfassung iwb Seite 2

3 Motivation Anwendungen [Quelle: EADS, MüKo 2008] [Quelle: Die Zeit] [Quelle: EADS, MüKo 2008] [Quelle: Lloyd Werft] Laserstrahlschweißen wird in vielen Produktionsprozessen eingesetzt. iwb 2008

4 Einleitung Wärmeleitungsschweißen Grundlagen Strahlintensität < 10 6 W/cm² Laserstrahl koppelt auf der Oberfläche des Materials ein Wärmetransport in das Material findet über Wärmeleitung statt Schweißrichtung Prozessgas Schmelze Laserstrahl erstarrte Schmelze Eigenschaften Hohe Nahtqualität Wärmeleitungsschweißen [Quelle: Hügel1992] Geringe Einschweißtiefen Keine Spritzer Video: Laserstrahlwärmeleitungsschweißen iwb Seite 4

5 Einleitung Tiefschweißen Grundlagen Strahlintensität > 10 6 W/cm² Laserstrahl koppelt auf der Oberfläche des Materials ein Material beginnt zu verdampfen Keyhole bildet sich Absorption des Laserstrahls an der Keyholewand Hohe Dynamik des Schmelzbades Tiefe-Breite-Verhältnis bis zu 10:1 Schweißrichtung Fügepartner Laserstrahl Anstellwinkel Dampfkapillare Schmelzbad Wärmeeinflusszone erstarrte Schmelze Eigenschaften Hohe Einschweißtiefen Schnelle Bearbeitung Video: Tiefschweißen iwb Seite 5

6 Motivation Potenziale des Laserstrahlschweißens Geringer Wärmeeintrag Berührungslos 70 [min] Schweißzeit Nachbearbeitungszeit Gute Zugänglichkeit 40 Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten (ca. 4 m/min sind typisch) Große Einschweißtiefen Hohe Nahtqualitäten Revolutioniert das Produktdesign (Stichwort Tailored Blanks) WIG- Schweißen Laserstrahlschweißen [Quelle: LFT] Laserstrahlschweißen senkt Kosten und ermöglicht neue Produktdesigns! Bild: Beispiel für ein neues Produktdesign [Quelle: Daimler AG] iwb Seite 6

7 Motivation Gesamtanteil einzelner Fügeprozesse an einer typischen Automobilkarosserie 5% 2% 29% 65% Widerspruch: Trotz des großen Potenzials macht das Laserstrahlschweißen nur 5 % der gesamten Fügetechniken des Beispiels aus iwb 2008

8 EInleitung Laser für die Makromaterialbearbeitung Einteilung von Lasern 25 Laserleistung Neue Laserquellen Stand SPP Strahlleistung [kw] Strahldurchmesser laser power [kw] Polarisation Wellenlänge Neue Laserquellen ermöglichen hohe Leistungen BBP [mm*mrad] SPP [mm*mrad] Single-Mode Faserlaser Multi-Mode Faserlaser Scheibenlaser bei kleinen SPP. CO2 -Laser Dioden -Laser Nd:YAG -Laser laser sources according to colour code iwb Seite 8

9 Einleitung Strahlparameterprodukt, SPP Laserstrahl Fokussierlinse 2w f z R - Rayleighlänge 4w f 2 w 0 Θ 0 Θ f 1 1 SPP = Θ0 w 0 = Θ f w f = const 2 2 Kleinerer Fokusdurchmesser Größerer Arbeitsabstand Schlankere Optiken iwb Seite 9

11 Möglichkeiten durch brillante Laserstrahlquellen Neue Potenziale durch kleine SPP: Arbeitsabstand = 3207 mm Fokusdurchmesser = 1200 µm SPP = 4 mmmrad Arbeitsabstand = 800 mm Fokusdurchmesser = 600 µm SPP = 4 mmmrad Arbeitsabstand Arbeitsabstand = 427 mm Fokusdurchmesser = 600 µm SPP = 15 mmmrad Fokusdurchmesser SPP Diagramm: Zusammenhang von Arbeitsabstand, Fokusdurchmesser und SPP bei konstanter Laserleistung und konstantem Optikaufbau. Diagramm gilt unter der Annahme: Arbeitsabstand ~ 1/ f iwb Seite 11

12 Möglichkeiten durch brillante Laserstrahlquellen Großer Arbeitsabstand Remote-Laserstrahlschweißen Strahlpositionierung durch dynamische Ablenksysteme (z.b. Roboter, Scanner) Vorteile Hohe Zugänglichkeit Geringe Versatzzeiten Bahnoptimierung innerhalb der Prozesstoleranzen Reduktion der Nebenzeiten Remote-Laserstrahlschweißen Remote-Laserstrahlschweißen [Quelle: Kuka] iwb Seite 12

13 Möglichkeiten durch brillante Laserstrahlquellen Großer Arbeitsabstand Strahlpositionierung mit Robotern Bahnoptimierung Die Prozessfreiheitsgrade (Einstrahlwinkel) beim Remoteschweißen erlauben unendlich viele Roboterbewegungspfade. Video: Nicht optimierte Schweißaufgabe Video: Optimierte Schweißaufgabe Zusätzlich Taktzeiteinsparungen von bis zu 38 % gegenüber manueller Programmierung durch Experten iwb Seite 13

14 Möglichkeiten durch brillante Laserstrahlquellen Großer Arbeitsabstand Einsatz von Scannern Laserstrahl wird über Spiegel ausgelenkt Rayleighlänge spannt Bearbeitungsebene auf Ermöglichen sehr schnelles Umpositionieren des Laserstrahls Verkürzung der Nebenzeiten Hohe Wiederholgenauigkeiten Video: Scannen einer Arbeitsebene mit Nachführung des Fokus. In der Animation zu sehen ist der Arges Elephant Scanner des iwb. iwb Seite 14

15 Möglichkeiten durch brillante Laserstrahlquellen Großer Arbeitsabstand u. kleine Öffnungswinkel Kleine Öffnungswinkel Zylindrische Naht Kleinere Wärmeeinflusszone Geringerer Schweißverzug bei hohen Energien IPG YLR SM, d f = 50 µm, = 0,8, v Weld =60 m/min, E ~ 580 J/m [Quelle: FGSW 2008] TRUMPF TruDisk 1000, d f = 50 µm, = 5,7, v Weld =60 m/min, E ~ 800 J/m [Quelle: FGSW 2008] iwb Seite 15

16 Möglichkeiten durch brillante Laserstrahlquellen Kleiner Fokusdurchmesser und hohe Intensitäten Vorteile Schmale Naht Hohe Intensitäten Hohe Einschweißtiefen Anwendung Schweißen von Differenzialgetrieben Nahttiefe t 16 [mm] d F = 200 µm d F = 325 µm d F = 670 µm [m/min] 12 Schweißgeschwindigkeit v Bild: Beispiel für ein neues Produktdesign [Quelle: Daimler AG] Diagramm: P L = 8 kw, S235JR iwb Seite 16

18 Herausforderungen Großer Arbeitsabstand Schutzgaszuführung Bei Arbeitsabständen > 200 mm nicht möglich Zuführung in der Aufspannung notwendig Sauerstoffgehalt Sauerstoffgehalt 20 [%] Durchfluss = 150 l/min Druck = 5 bar Quelle: Kuka [cm] 100 Düsenabstand iwb Seite 18

19 Herausforderungen Großer Arbeitsabstand Strahlabsorption im Rauch Lange Wegstrecke in der der Strahl absorbiert werden kann Raumabsaugung nur bedingt tauglich Absaugung in der Aufspannung P Laser = 8 kw P Laser = 6 kw Video: Remote-Laserstrahlschweißen mit konventioneller Absaugung Video: Remote-Laserstrahlschweißen mit Absaugung in der Aufspannung Bild: Strahlabsorption im Rauch Video: Dampffackel ohne Absaugung Video: Dampffackel mit Absaugung iwb Seite 19

20 Herausforderungen Hohe Intensitäten (durch kleine Fokusdurchmesser) Nahteinfall Beginnt wegen höheren Leistungen bereits bei hohen Geschwindigkeiten Prozessfenster wird kleiner für gute Durchschweißung Nahteinfall 0.5 mm Humping Effekt 0.5 mm Humping Zunahme mit v Weld Spritzer Anstieg mit v Weld Von Fokusposition abhängig (Fokus Shift) Einfluss des Anstellwinkels (Remote) Video: Spritzerentstehung beim Tiefschweißen P Laser = 15 kw [Quelle: Kaplan, Lulea] iwb Seite 20

21 Herausforderungen Hohe Intensitäten (durch kleine Fokusdurchmesser) Focus-Shift Erwärmung der Optik bei hohen Leistungen Wandern des Strahlfokus Unterschiedliches Auftreten von Spritzern Nicht vorhersehbares Bearbeitungsergebnis Lasersicherheit Hohe Leistungen Über weite Strecken fokussierbar Hohes Gefährdungspotenzial Video: Schussversuch an 160 mm dicken Betonblöcken, P Laser = 4 kw iwb Seite 21

23 Forschungsaktivitäten Forschungsaktivitäten von 2006 bis 2008 Berücksichtigte Konferenzen: ICALEO LIM SLT LANE DVS - Große Schweißtechnische Tagung EALA AKL Workshop Faserlaser Berücksichtigte Forschungsinstitute: iwb IFSW IWS BIAS ILT iwb Seite 23

24 Forschungsaktivitäten Forschungsaktivitäten von 2006 bis [%] Aktivität 5 0 Prozess Optiken (inkl. Scanner) Schweißen neuer Materialien Leistungsnutzung Hybrid Verfahren Strahlformung (inkl. Bifokal) Diagnostik Einschweißtiefe Kombinierte Prozesse (Schweißen und Schneiden) Lasersicherheit Fasern Laser 96 gewertete internationale Arbeiten aus dem Bereich Schweißen Prozessverständnis muss verbessert werden! iwb Seite 24

26 Visionen für das Laserstrahlschweißen BMBF-Förderprogramm Optische Technologien Auszug aus dem Themenfeld MabriLas Schweißen mit höchster Strahlqualität Schweißen von Edelmetallen und Kupferlegierungen Extreme Schachtverhältnisse (Nahttiefe zu Nahtbreite) Sehr schmale Nähte Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Integrierte Laserverfahren z.b. Schweißen und Schneiden Strahlformung zur Anwendungsoptimierung Tailored seam Strahlmodulation Polarisation Einschweißkurven in Edelstahl, Material: Laser: 8 kw Fokusdurchmesser: 330µm. [Quelle: IPG]} Schweißen und Schneiden mit einer Bearbeitungsoptik [Quelle: ILT Aachen] iwb Seite 26

27 Visionen für das Laserstrahlschweißen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung am iwb Schnellstmögliche Bearbeitung durch Scannertechnik Große Arbeitsräume durch neue Laserquellen Scannen on the fly Verfahrbahre Großraumscanner für bessere Zugänglichkeit Remotebearbeitung mit Scanner am iwb Großraumscanner auf einer Laserzelle [Quelle: SEF] iwb Seite 27

28 Visionen für das Laserstrahlschweißen Integrierte Laserverfahren am iwb Schweißen und Schneiden Mit einem Laser In einem Arbeitsschritt Mit einer (Scanner-)Optik Vorteile Geringere Investkosten Geringere Betriebskosten Reduktion der Nebenzeiten Animation der Laseranlage aus dem Projekt RoFaLas am iwb iwb Seite 28

29 Visionen für das Laserstrahlschweißen Prozessoptimierung durch angepasste Strahlformung Ziel Beeinflussung des Prozesses durch das Strahlprofil und die Leistungsverteilung Vorgehensweise Untersuchungen unterschiedlicher Strahlformungen (simulativ und experimentell) Gezielt physikalische Effekte unterstützen, bzw. unterdrücken. Vorteile Effizientere Bearbeitung Verbesserte Qualität Simulierte rotationssymmetrische Wärmequelle Simulierte Temperaturgradienten. Wärmequelle rotationssymmetrisch. Simulierte rechteckige Wärmequelle Simulierte Temperaturgradienten. Wärmequelle rechteckig. iwb Seite 29

30 Visionen für das Laserstrahlschweißen Prozessoptimierung durch angepasste Strahlformung Bifokales Hybrid-Laserstrahlschweißen Probleme beim Schweißen von Aluminium Instabiles Keyhole Unruhige Naht - Spritzer Ursache Al 2 O 3 - Schollen verschließen immer wieder das Keyhole Lösung Rechteck Diodenlaser entfernt Al 2 O 3. Nd:YAG Laser sorgt für die Einschweißtiefe Vorteile Verdopplung der Vorschubgeschwindigkeit Hohe Spaltüberbrückbarkeit und Prozessstabilität Reduzierung der Porosität Wärmeleitungsschweißen mit dem Diodenlaser + Tiefschweißen mit dem Nd:YAG-Laser = Bifokales Hybridschweißen mit Nd:YAG- und Diodenlaser Bifokale Hybrid-Laser-Schweiß Optik Video: HGA des Bifokalen Hybrid- Laserstrahlschweißprozesses iwb Seite 30

31 Gliederung 1. Motivation 2. Einleitung 3. Neue Möglichkeiten und Herausforderungen 4. Forschungsaktivitäten 5. Trends und Visionen für das Laserstrahlschweißen 6. Zusammenfassung iwb Seite 31

32 Zusammenfassung Überblicksvortrag Schweißen Laserstrahlschweißen besitzt hohe Potenziale Geringer Anteil an den industriell eingesetzten Fügeverfahren Möglichkeiten neuer Laserstrahlquellen für den Schweißprozess sind noch nicht vollständig ausgenutzt Die Geschwindigkeit, mit der der industrielle Einsatz des Laserstrahlschweißens zunehmen wird, ist von dem Zuwachs an Prozessverständniss in den nächsten Jahren abhängig. iwb Seite 32

33 Kontakt Prof. Michael F. Zäh Raum 2308 Tel +49 (0) 89 / Fax +49 (0) 89 / michael.zaeh@iwb.tum.de Adresse iwb - TU München Boltzmannstraße Garching

34 Neue Entwicklungen beim Laserstrahlschweißen Anwendungen kleine Spotgrößen und Öffnungswinkel [Quelle FGSW 2008] iwb Seite 34