Nahtgeführtes Laserstrahl-Remoteschweißen mit Strahloszillation

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1 Nahtgeführtes Laserstrahl-Remoteschweißen mit Strahloszillation Beeinflussung der Schweißnahtoberflächenstruktur, der Schweißnahtgeometrie und der Spaltüberbrückbarkeit A.Müller 1 ; S.F. Goecke 1 ; F.Albert 2 ; P.Sievi 2 ; S.Baum 2 ; Rethmeier, M. 3 1 Brandenburg University of Applied Science, Brandenburg 2 Scansonic MI GmbH, Berlin 3 Technische Universität Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb, Berlin Das Laserstrahl-Remoteschweißen ermöglicht im Vergleich zum konventionellen Laserstrahlschweißen teils erhebliche Produktivitätssteigerungen. Verbesserte Bauteilzugänglichkeiten und optimierte Verfahrwege verkürzen die Taktzeit. Bis dato sind Remote-Applikationen jedoch fast ausschließlich auf das Schweißen von I-Nähten am Überlappstoß beschränkt. Als Gründe hierfür sind die erreichbare Positionier- und Verfahrgenauigkeit der Führungsmaschine in Kombination mit der Remote-typischen langen Brennweite der Optik, vornehmlich aber auch die im Fertigungsprozess entstehenden Bauteiltoleranzen zu nennen. Die Weiterentwicklung von Bearbeitungsköpfen zum Laserstrahl-Remoteschweißen mit intelligenter Sensorik und Nahtführung sowie neue Verfahrensansätze zur Prozessfenstererweiterung/ -stabilisierung versprechen sowohl neue Anwendungsgebiete mit der Option des Kehlnahtschweißens als auch Produktivitätssteigerungen. Im folgenden Beitrag wird darauf Bezug genommen. 1 EINFÜHRUNG Für das robotergeführte Laserstrahl-Remoteschweißen eröffnen sich kontinuierlich neue Anwendungsgebiete. Der Laserstrahl wird bei diesem Verfahren zusätzlich zur Roboterbewegung über im Remote-Bearbeitungskopf integrierte, schnell bewegliche Spiegel abgelenkt. Diese befinden sich in einem großen Arbeitsabstand Remote zum Werkstück. Daraus folgen eine Reduktion der Positionier- und Taktzeiten, und damit eine bessere Bauteilzugänglichkeit sowie die Verringerung der Verschmutzungsgefahr der Bearbeitungsoptik. Ein Nachteil der klassischen Remote-Bearbeitung ist jedoch, dass aufgrund des großen Arbeitsabstands keine exakte Positionierung des Laserstrahls auf den Werkstücken erreichbar ist. Somit ist das Hauptanwendungsgebiet des Laserstrahl-Remoteschweißens bislang auf das Schweißen von I-Nähten am Überlappstoß beschränkt. Sowohl Bauteiltoleranzen als auch Ungenauigkeiten der Führungsmaschine spielen hier nur eine untergeordnete Rolle. 2 OPTISCHE NAHTFÜHRUNG BEIM LASERSTRAHL-REMOTESCHWEIßEN Gelingt es allerdings, den Laserstrahl selbst bei großem Arbeitsabstand sowie unter Berücksichtigung aller Toleranzen und Ungenauigkeiten stets an einer genau definierten Position auf den zu schweißenden Baugruppen zu positionieren, so wären auch Kehlnähte am Überlappstoß oder gar I-Nähte am Stumpfstoß realisierbar. Übermäßig große Überlappungsbereiche können in Folge reduziert und Masseeinsparungen erreicht werden. Kritische Werkstoffkombinationen, die einen definierten Strahlversatz erfordern, lassen sich ebenso verbinden. Bild 1 verdeutlicht eine zum nahtgeführten Laserstrahl-Remoteschweißen realisierte Lösung, mit der oben beschriebene Aufgaben erstmalig gelingen. Mittels einer Lichtschnittsensorik wird der Fügestoß vorlaufend zum Prozess erfasst. Damit wird der Laserstrahl unabhängig von der Roboterbahn im Seite 1 von 8

2 Arbeitsfeld genau dorthin abgelenkt, wo sich der Fügestoß befindet. Dabei kann auch ein definierter seitlicher Abstand zum Stoß berücksichtigt werden, um beispielsweise definiert neben dem Stoß zu schweißen. Eine ungenaue Roboterprogrammierung oder Werkstücktoleranzen können somit kompensiert werden. Bild 1: Scansonic Remotebearbeitungskopf mit optischer Nahtführung RLW-A und Darstellung der Stoßerkennung vorlaufend 3 Lichtlinien zur Detektion des Fügestoßes; nachlaufend: Laserstrahl am Fügestoß 3 LASERSTRAHLOSZILLATION IN VERBINDUNG MIT OPTISCHER NAHTFÜHRUNG Zusätzlich kombiniert die in Bild 1 dargestellte Systemtechnik die optische Nahtführung mit einer Laserstrahloszillation mittels hochdynamischer Galvanometerscanner. Dadurch wird der Einsatz des Remotefügens an verschiedenen Stoßgeometrien von 3D-Bauteilen ermöglicht. Durch die Strahloszillation lassen sich zum Beispiel Schmelzbadauswürfe durch eine der Schweißvorschubrichtung kreisförmig überlagerte Schwingbewegung in X-Y-Richtung reduzieren [1]. Verantwortlich hierfür sind eine Beeinflussung der Schmelzbaddynamik sowie die Modifikation der beim Schweißen entstehenden Dampfkapillare hin zu einer ovalen bzw. länglichen Form [2]. Weiterhin wird durch eine Strahloszillation Einfluss auf die Schmelzbadgeometrie [3] und damit auf den Wirkungsgrad genommen [4] genommen. Ebenso beeinflusst eine Strahloszillation die Oberflächenstruktur der Schweißnahtraupe. 4 BEEINFLUSSUNG DER SCHWEIßOBERFLÄCHENSTRUKTUR, DER SCHWEIßNAHTGEOMETRIE UND DER SPALTÜBERBRÜCKBARKEIT 4.1 Schweißen mit optischer Nahtführung Bild 2 verdeutlicht Ergebnisse nahtgeführter Laserstrahlschweißungen anhand von Schweißnahtaufsichten bzw. Schliffbildern. Links ist das Ergebnis einer Korrektur der Schweißnahtlage an einem Kurvenblech dargestellt. Die Führungsmaschine wird in diesem Beispiel linear in einer Zwei-Punkte-Fahrt mit v = 8 m/min über die Werkstücke bewegt. Mit Hilfe der Lichtschnittsensorik werden die Kurven erkannt und der nachlaufende Laserstrahl über Galvanometerscanner auf die richtige Position abgelenkt. In der Seite 2 von 8

3 Mitte von Bild 2 ist erkennbar, dass die Nahtführung selbst die Erzeugung einer stirnsteig eingeschweißten I-Naht hier am Beispiel zweier Bleche aus 22MnB5, geschweißt mit v = 4 m/min erlaubt. Beim Schweißen verzinkter Stahlbleche lassen sich durch die Möglichkeit der präzisen Einstellung von Kehlnähten selbst bei vollständiger Durchschweißung Fehler, wie Auswürfe oder Durchschüsse, im Vergleich zu I-Nähten am Überlappstoß deutlich reduzieren, vgl. Bild 2, rechts. Es wird deutlich, dass allein die Nahtführung einen großen Einfluss auf die Schweißnahtgeometrie und -oberflächenstruktur nimmt. Bild 2: Versuchsergebnisse zum Laserstrahl-Remoteschweißen mit optischer Nahtführung - links: mäanderförmige Schweißnaht bei einer Punkt-zu-Punkt-Fahrt der Führungsmaschine mit Nahtführung, Mitte: stirnseitig eingeschweißte I-Naht mit Nahtführung erzeugt, rechts: Kehlnaht an verzinkten Blechen mit Nahtführung 4.2 Schweißen mit optischer Nahtführung und Strahloszillation Durch Einsatz einer lokal der Vorschubgeschwindigkeit überlagerten Strahloszillation nehmen die Beeinflussungsmöglichkeiten auf die Schweißnahtausbildung erheblich zu. Variiert werden können das Schwingungsprofil, die Schwingungsrichtung, die Amplitude sowie die Oszillationsfrequenz. Um eine Vergleichbarkeit von Untersuchungsergebnissen herzustellen, wird nachfolgend zunächst der Überdeckungsgrad des Schweißfokus entlang der Schweißvorschublängsachse im Abstand einer Schwingung betrachtet. Wird eine Sinusschwingung mit der Frequenz (f), der Vorschub- /Schweißgeschwindigkeit (V S ) und dem genutzten Fokusdurchmesser (F D ) zu Grunde gelegt, so ergibt sich die Überdeckungslänge (ÜDL) zu: 1 ÜDDDD = FF D f V 2 S und der o.g. Überdeckungsgrad (ÜDG) zu: ÜDDDD = ÜDL F D 100 Mit dessen Hilfe werden die Parameter Vorschubgeschwindigkeit und Frequenz für einen definierten Schweißfokusdurchmesser vergleichbar gemacht. Für Schwingungsamplituden (A) mit A = 0,5 F D wird für das Verschweißen von Stahlgrundwerkstoffen ein Überdeckungsgrad von mindestens 50 % empfohlen. Größere Amplituden erfordern entsprechend größere Überdeckungsgrade. Bild 3 stellt die in Abhängigkeit des Fokusdurchmessers erforderlichen Frequenzen zum Erreichen bestimmter Überdeckungsgrade bei Schweißgeschwindigkeiten v = 3 m/min und v = 6 m/min dar. Seite 3 von 8

4 v = 3 m/min v = 6 m/min Bild 3: Abhängigkeit der Frequenz zum Überdeckungsgrad / Schweißfokusdurchmesser, Schweißgeschwindigkeit links = 3 m/min; rechts = 6 m/min Der Berechnungsansatz dient als erste Näherung für den Aufbau eines Modells eines Versuchsparameterfeldes. Gänzlich separat müssen Werkstoffeigenschaften (Schmelz- und Verdampfungstemperatur, Viskosität der Schmelze, Wärmeleitung, Beschichtung, etc.) betrachtet werden. In Verbindung mit der durch die Schwingungsfrequenz beeinflussbaren Schmelzbadströmung ist es möglich, die Temperaturgradienten im Schmelzbad zu verändern. Die Schmelzbadgeometrie wird dadurch in bestimmten Grenzen steuerbar. Bild 4 verdeutlicht anhand zweier exemplarischer Beispiele die Ausbildung des Intensitätsprofils auf der Nahtoberfläche sowie im Nahtquerschnitt. Seite 4 von 8

5 Bild 4: Intensität auf dem Prozessfeld (links) und Intensitätsprofile (rechts) für verschieden gewählte Strahloszillations-Parameter Der Einstellung verschiedenster Intensitätsprofile sind nahezu keine Grenzen gesetzt. Die Oszillation kann am Beispiel der in Bild 1 dargestellten Systemtechnik bis zu einer Frequenz von f = 1 khz erfolgen, Schwingungsformen sind Sinus, Rechteck oder Dreieck, Amplituden können sich im Bereich weniger 1/10 mm bis mm bewegen. Was kann damit erreicht werden? Schweißnahtoberflächenstruktur Durch eine Laserstrahloszillation kann auf das optische Erscheinungsbild der Nahtraupen Einfluss genommen werden. Besonders deutlich wird dieser Effekt beim Schweißen von Aluminiumlegierungen. Bild 5 veranschaulicht anhand von Aufsichten zweier Bleche einer 6000er Legierung in einer Kehlnaht am Überlappstoß, erste Ergebnisse. Exemplarisch wird gezeigt, dass Oszillationsfrequenzen ab ca. f = 600 Hz bei Amplituden unter A = 1 mm und unter Verwendung eines sinusförmigen Schwingungsprofils die Schweißnahtoberfläche signifikant glätten. Hervorzuheben ist an dieser Stelle, dass ohne Einsatz von Prozessgas gearbeitet wurde. Für die Ergebnisse in Bild 5 kam ein Scheibenlaser mit = nm und einer Maximalleistung von P = 5 kw zum Einsatz. Geschweißt wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von v = 5 m/min. Bild 5: Schweißnahtraupenausbildung an einer Aluminiumlegierung in Abhängigkeit der Oszillationsfrequenz, λ = nm, P = 3,7 kw, v = 5 m/min, F D = 560 µm, Schwingungsform: Sinus, A = 1,0 mm Schweißnahtgeometrie Neben der zuvor beschriebenen Oberflächenstrukturbeeinflussung wird auch die Schweißnahtgeometrie durch eine der Vorschubrichtung überlagerte Strahloszillation steuerbar. Schliffbilder von Einschweißergebnissen in Baustahl S355 der Dicke t = 5 mm verdeutlichen erste Ergebnisse, vgl. Bild 6. In Abhängigkeit der gewählten Schwingungsform, der Oszillationsfrequenz und -amplitude sind die Einschweißtiefe, der Schweißnahtquerschnitt und die Schweißnahtbreite einstellbar. Die Oszillation erfolgt in diesem Beispiel quer zur Vorschubrichtung. Der Fokusdurchmesser beträgt 300 µm. Seite 5 von 8

6 Bild 6: Schliffbilder von Einschweißversuchen in Baustahl der Dicke t = 5 mm unter Variation der Schwingungsform, der Oszillationsfrequenz und Amplitude, λ = nm, P = 3 kw, v = 3 m/min Für die praktische Anwendung ist die Anpassungsmöglichkeit der Einschweißtiefe und Schweißnahtbreite über die gewählte Amplitude interessant. So lässt sich hierdurch beispielsweise die Einschweißtiefe im dargestellten Beispiel von einer kompletten Durchschweißung bis hin zu einer Einschweißtiefe von 0,8 mm bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit und Laserleistung steuern Spaltüberbrückung Die aus der Strahloszillation resultierenden Möglichkeiten bzgl. der definierten Einstellung der Schweißnahtgeometrie können ebenso genutzt werden, um das typischerweise schmale Prozessfenster für Kehlnahtschweißungen am Überlappstoß zu erweitern. In der Praxis kommt es an diesem Fügestoß immer wieder zu Spalten bis zu 1 mm [5] und aus diesem zu fehlerhaften Schweißnähten. Nach [6] ist ein Strahlversatz von y = 0,4 mm in Richtung des Oberblechs zur Überbrückung von Spalten um 0,8 mm erforderlich. Zur Transformation der aus Schweißversuchen mit einem 600 µm Spotdurchmesser stammenden Angaben, wird mit Hilfe der Sprunghöhe (h S ) die Hypotenuse c des in Bild 7 eingezeichneten rechtwinkligen Dreiecks berechnet. Die Länge der Hypotenuse entspricht der notwendigen Auslenkung des Laserstrahls bei lotrechtem Auftreffen. Verrechnet mit dem realen lateralen Einstrahlwinkel des Lasers, beschreibt die Seitenlänge a des ungleichmäßigen Dreiecks (A, B, C`) die tatsächlich notwendige Auslenkung. Seite 6 von 8

7 Bild 7: Strahlversatz auf das Oberblech in Abhängigkeit der per Lasertriangulation gemessenen Sprunghöhe Diese Vorgehensweise wird für Kehlnahtschweißungen an Blechen aus MSW ZE der Dicke t = 1,5 mm bei einem eingestellten Spalt von 0,8 mm und einem lateralen Einschweißwinkel von α l = 10 aus der Senkrechten heraus untersucht. Die ermittelte Amplitude liegt bei A = 0,41 mm. Bei einem eingestellten Überdeckungsgrad von ÜDG = 77% stellen sich gute Schweißergebnisse für Amplituden von A = 0,35 mm bis A = 0,55 mm ein, wobei in diesem Bereich bereits ein verändertes Einschweißverhalten von einer Durchschweißung zu einer Einschweißung beobachtet werden kann, vgl. Bild 8. Bild 8: Schliffbilder von Kehlnähten, geschweißt mit Strahloszillation, λ = nm, P = 4 kw, v = 4 m/min, F D = 300 µm, Schwingungsform: Sinus, f = 480 Hz, links: A = 0,35 mm; rechts: A = 0,55 mm) 5 AUSBLICK Prinzipiell können nahtgeführte Remote-Bearbeitungsoptiken erhebliche Verfahrensverbesserungen bewirken. Die notwendige Prozesszeit wird im Vergleich zu Systemen mit taktiler Nahtführung reduziert und ist nur wenig größer gegenüber klassischen Remote-Optiken ohne Nahtführung. Das Potenzial der System- und Prozesstechnik ist jedoch noch lange nicht ausgeschöpft. Aktuell wird im Laser Application Center der Scansonic MI GmbH an Mischverbindungen gearbeitet, wobei sich wiederum zeigt, dass eine an die Werkstoffe und die Baugruppengeometrie angepasste Oszillationsstrategie mit Vorteilen bezüglich der Schweißnahteigenschaften einhergeht. In Kombination mit der Nahtführung wird das Laserstrahl-Remoteschweißen revolutioniert. Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung von Teilen der in diesem Beitrag veröffentlichten Arbeit im Projekt ECOWELD im Rahmen der Qualifizierung von Ingenieurnachwuchs an Fachhochschulen im Programm Forschung an Fachhochschulen. Seite 7 von 8

8 [1]... N.N.: RoboLaSS+_+Robotergef%C3%BChrter+Laser+zum+Schneiden+und+Schwei%C3%9Fen /Remote_Laserstrahlschwei%C3%9Fen.print; IWB, 2012; letzter Abruf [2] Pan, Y.; Richardson, I. M.: Keyhole behavior during laser welding of zinc-coated steel. In: Journal of Physics D: Applied Physics 44, Material Innovation Institute & Department of Materials Science and Technology, The Netherlands, IOP Publishing, 2011 [3] Standfuß, J.; Klotzbach, A.; Heitmanek, M.; Krätzsch, M.: Laser beam welding with highfrequency beam oscillation: welding of dissimilar materials with brilliant fiber lasers. In: International Laser Symposium Fiber & Disc (FiSC), Fraunhofer IWS Dresden (Hrsg.), Dresden, 2010 [4] Thiel, C.; Hess; A.; Weber; R.; Graf; T.: Stabilization of laser welding processes by means of beam oscillation. In: Proceedings of SPIE Vol. 8433, Laser Sources and Applications, 2012 [5] Albert, F.; Müller, A.; Sievi, P.: Laserstrahl-Remoteschweißen Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand system- und prozesstechnischer Beispiele. In: Laser Technik Journal 4/2013; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinhemi, eingereicht [6] Reek, A.: Stragien zur Fokuspositionierung beim Laserstrahlschweißen, Technische Universität München, Dissertation, Seite 8 von 8