Prozesse Wärmeleitschweißen, Schweißen von Kunststoffen Tiefschweißen Hybridschweißen Auftragschweißen

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1 Laserstrahlschweißen Besuch des ASI des DVS BV Köln 05/05/2011 Martin Dahmen Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen Übersicht Abgrenzung Prozesse Wärmeleitschweißen, Schweißen von Kunststoffen Tiefschweißen Hybridschweißen Auftragschweißen Werkstoffe Stähle Aluminium, Titan und ihre Legierungen Nickelbasislegierungen Mischverbindungen Umweltwirkung 1

2 Abgrenzung 10 2 Wcm -2 Schweißen schwierig, Wärmeleitung dominant Gasschweißen 10 2 Reibschweißen Lichtbogenschweißej Widerstandsschweißen Plasmaschweißen Elektronenstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Wcm -2 Schweißen nicht möglich, Verdampfung dominant Leistungsdichte der Wärmequelle /Wcm -2 Schachtverhältnis Wirkungsgrad Breite der WEÄZ % mm Dauer des Wärmezyklus s Erreichbare Geschwindigkeit Invesitionskosten m min -1 Absorption optischer Strahlung Wirkungen: Erwärmung Schmelzen Verdampfung Plasmabildung 2

3 Fügen 5 mm Mikroschweißen Eigenschaften räumlich Teilegrößen kleiner 1 mm Punktschweißungen oder Schweißnähte mit Breiten kleiner 0,5 mm Eigenschaften zeitlich 1 mm Taktzeit typisch1 bis 100 ms je Schweißnaht Spot welding Simultaneous welding pw seam welding cw seam welding SHADOW Brazed plane glass Laser weld Aluminium ring Cemented plane glass Source: Olympus Winter&Ibe 3

4 SHADOW Blattfeder Wälzlager S tepless H igh Speed A ccurate and D iscrete O ne Pulse W elding Gepulster Nd:YAG-Laser Schweißnaht: Schweißdauer = Pulsdauer t H >20 ms Schweißgeschwindigkeit v s > 10 m/min Lineare und zirkulare Nähte Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Compute 10 mm 100 µm Mikroringschweißen DR = 0,1 mm D R = 0,2 mm v s = 150 mm/s 1 Parameter: P L = 100 W 2w 0 = 30 µm D R = 500 µm Tiefe Ds, Dm/µm vs = 250 mm/s Center depth Track depth Anzahl Umdrehungen vs = 250 mm/s, DR = 0,2 mm Number of revolutons 9 4

5 Anwendungen Schweißen von SMD Kupfer an Messing Kontaktfläche 0.5 mm² Dicke 0.2 mm Ringdurchmesser 0.3 mm No porosity Drahtkontaktierung Kupfer an Kupfer Kontaktfläche 0.5 mm² Dicke 0.2 mm Ringdurchmesser0.2 mm keine Kaltschweißung kein Drahtschneiden Nahtschweißen mit Strahlpendelung Path in y-direction [mm] 0,15 0,10 0,05 0,00-0,05-0,10 v = 50 mm/ s Schweißen von Kuprer Faserlaser cw P L = 200 W, f = 1000 Hz a = 0,1 mm) -0,15 0,0 0,2 0,4 Path in x-direction [mm] 0,15 v = 200 mm/ s Path in y- direction [mm] 0,10 0,05 0,00-0,05-0,10 vs = 2.5 m/min -0,15 0,0 0,2 0,4 Path in x-direction [ mm] vs = 20 m/min 5

6 ,0 0,5 1,0 1,5 2, ,0 0,5 1,0 1, Anwendungsbereiche Automobil Elektrische Kontaktierungen Feinmechanik Mikromechanische Kontakte Medizin Mechanische Kontakte und Abdichtungen Überlapp- und Stumpfstöße Drahkontaktierungen Werkstoffe mit begrenzter Schweißeignung Hohe Genauigkeit in Position und Einschweißtiefe Zuverlässiger Prozeß Elektronik Elektrische Kontaktierungen Schweißen von Schlittschuhkufen Härte HV0,5 T ransversalkoordinate y/mm H V051 R 1K1W BH 30 R 1K1W BH 60 Härte HV0,5 T ransversalkoordinate y/mm HV 05 25CrMo4/maraging steel DP600/Sandvik 12C27 Long track Prototypes im Testlauf Trevor Marsicano mit Marchese Record LT 6

7 Schweißen von Stoßdämpferventilen Ziele Prozeßentwicklung Verbesserung der Produktqualität Werkzeugkonzepte Schneiden und Schweißen von Flanschen Specifikation Materialstärke: 2.5 mm Werkstoffe: , , Hastelloy C2000 Anforderungen: Keine Volumenfehler Verzug < 0.3 mm CO 2 -Laser 7

8 Schweißen von Reaktorkomponenten Teile von Plasmabeschichtungsanlagen Spezifikation Materialstärke: 6 mm Werkstoffe: , Lamp frame Plasma source carrier Anforderungen: Keine Volumenfehler Verzug < 0.3 mm Vakuumdicht Wasserdicht Lamp frame with loading gate Chamber sleeve CO 2 -Laser P L = 5 kw v s = 2 m/min Detail loading gate Reactor bottom plate Schweißen von Reaktorkomponenten Intern wassergekühlte drehbare Werkstückträger Spezifikation Materialstärke: 3 mm Werkstoff: Anforderungen: Keine Volumenfehler Verzug < 0.2 mm CO 2 laser P L = 2,5 kw v s = 2 m/min 8

9 Komponenten für den Apparatebau Tragringe Spezifikation Materialstärke: mm Durchmesser mm Werkstoff: Anforderungen: Porenfrei CO 2 laser P L = kw v s = m/min Konstruktion lasergerecht angepaßt Tragkraft/Eigengewicht durch Laserstrahschweißen erhöht Komponenten für den Apparatebau T-Träger: Schweißen in Lage-Gegenlage Spezifikation Matierlastärke: mm Längen mm Werkstoff: Anforderungen: Keine Poren, keine Risse CO 2 laser P L = 5 16 kw v s = m/min 5 mm 5 mm Verzug Anforderungen Ergebnis - angular max long. bend max. 5 mm mm - transv. Bend max. 2 mm mm 9

10 Vorteile des Hybridschweißens Laserstrahl Arc Schnel (14.4 m/min) 1 mm mild Baustahl Gefügebeeinflussung 25 mm Mikrolegierter Stahl Ausgleich von Kantenversatz (2 mm) 10 mm Pipelinestahl X52 Spaltüberbrückng (0.8 mm) 4 mm Aluminumprofil Hybrid Welding Laserstrahl und Lichtbogen Prozeß Fiber laser/mag-nähte Systeme Quelle: BIAS Schweißdraht Kapillare Quelle: MHI Quelle: ESAB Quelle: BAM Quelle: IMG 10

11 Herstellung von Großproben 25 mm Proben für Großzugversuche und LCF-Untersuchungen Werkstoffe: EH36 RQT701 (S690QL) Stärke: 15, 20, 25mm Anwendungen Schweißen eines Baggerarms (Schweißnahtlänge 15 m) Stumpfstoß Spezifikation Materialstärke: 15 mm Werkstoff: HSLA steel I-Naht am Stumpfstoß I-Naht am verdeckten T-Stoß Gerade und kreisförmige Nähte Schweißposition: PA, PC Überlappstoß CO 2 -Laser (20 kw)/mag 11

12 Anwendungen Schaufelachse einer Planierraupe Specifikation Materialstärke: 15.5 mm Werkstoff: HSLA steel I-Naht am Stumpfstoß I-Naht am T-Stoß Schweißposition PY, PC CO 2 -Laser/MAG Schweißen ungleichartiger Werkstoffe 25CrMo4/Maraging Stahl DP600/Sandvik 12C27 Schweißentwicklung für Schlittschuhkufen Spezifikation Materialstärke: mm Anforderungen: Keine Volumenfehler Verzug < 0.05 mm CO 2 -Laser P L = 1,4 kw v s = 11 m/min Härte HV0, HV051 R1K1WBH30 R1K1WBH60 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Transversalkoordinate y/m m Chemical analysis (wt.%) Härte HV0, HV ,0 0,5 1,0 1,5 T ransversalkoordinate y/mm C Mn Cr Ni 0.13 W

13 Schweißen von Mittelblech: Titan 6246 (α + β) d = 1,5 mm d = 2,5 mm Pulsspitzenleistung ^P K /mm Einschweißtiefe t s /mm Nd:YAG-Laser HL 2006D (pw) Titan 6246 ZTU-Schaubild 1000 βt = 1020 C Cias, 1972 Eigenschaften Schulte 2006 Temperature θ/ C M s α Solution annealed: 1050 C/20 min Solution annealed: 900 C/20 min Time t/s -1 α HCF strength σ10 7 /MPa Yield stress Rp0,2/MPa Ti6246 Base material β processed Peters et al, 2002 Weld center line 13

14 Grobblechschweißen: Titan 2 (α) s = 10 mm P L = 13 kw v s = 1,1 m/min s = 15 mm P L = 18 kw v s = 1,08 m/min Strahlleistung (cw) P L /kw CO2-Laser TLF 20000t Instabiler Resonator r F = 0,4 mm F = Einschweißtiefe t s /mm Schweißen von nichtrostendem Stahl auf Nickelbasis Reaktorplatten und -gehäuse Spezifikation Materialstärke: 3 mm Werkstoff: /C2000 Anforderungen: Keine Volumenfehler Verzug < 0.2 mm CO 2 laser P L = 1,75 kw v s = 2.7 m/min doppelt geschweißt Zusammensetzungen in Massen% C Ni Cr Fe Mo Cu Ti Al 316L 0, , Hastelloy C2000 0, ,5 14

15 Wirkungsgrade von Laserstrahlquellen Efficiency η e-o / Fibre Fibre mono M. Disk DPSSL CO 2 HPDL FC-HPDL LPSSL 0, Beam Parameter Product BPP/µm rad LP-YAG DP-YAG CO 2 Diode Fibre Disk Leistunsbereich/kW 0,5 4 0,2 8 0,3 20 0,2 6 0, EO-Wirkungsgrad/% 2, Wellenlägne/µm 1,064 1,064 10,6 0,8 0,95 1,05 1,05 Kenngrößen von Fugen und Prozessen MIG TIG Plasma Laser Hybrid Schachtverhältnis 0,5 0,5 1-2 > 5 >5 Nahtbreite 6 mm 5 mm 3 mm 1,5 mm 2 mm Zusatzwerkstoff ja ja nein nein ja Aerosolemission 2,4 mg/s 2 mg/s 3 mg/s 1,5 mg/s 2,2 g/s Max. Dicke 8 mm 4 mm 12 mm 25 mm 25 mm Q = ρvsδt[ cp( θm θ 0) + hm + ahv] 15

16 Schweißen von T-Stößen: Produktionsdaten Autogenes LBW MAG Zuschnitt Laserstrahlschneiden Plasmaschneiden Nacharbeit Schnittkante n.a. Schleifen/Fräsen Kantenvorbereitung (Flansch, Steg) Schleifen (Steg) Steg Schleifen Fräsen/Hobeln (Fasen) Flansch Schleifen Schleifen Schweißen 1 Lage/Seiten Lagen/Seiten Geschwindigkeit 1,1 m/min 1,5 m/min (mechanisiert) Leistung kw kw (per pass) Materialverbrauch Zusatzwerkstoff n.a. 5 m/min (1,6 mm) Gas Helium 40l/min CO 2, Argon 18 l/min Aersolemissionsrate 1,1... 1,5 mg/s 2, ,44 mg/s Verzug Längsbiegung mm mm Winkelverzug 0,5 ±4 Energieverbrauch 5, ,9 MJ/m 2,4... 6,4 MJ/m Schweißen von T-Trägern: Vergleich 1 (Schweißen) Schweißprozeß Laserstrahlschweißen Energieverbrauch 1,0 MAG/Roboter MAG/manuell Plasma (Stumpfstoß) Materialverbrauch 0,5 Emissionen Risikopotential Nachbearbeitung 16

17 Schweißen von T-Trägern: Vergleich 1 (Kantenvorbereitung und Schweißen) Schweißprozeß Laserstrahlschweißen Energieverbrauch 1,0 MAG/Roboter MAG/manuell Plasma (Stumpfstoß) Materialverbrauch 0,5 Emissionen Risikopotential Nachbearbeitung Herstellung von Flanschen: Produktionsdaten Autogenes LBW WIG Zuschnitt Laserstrahlschneiden Wasserstrahlschneiden Bearbeitung Schnittkante n.a. n.a. Kantenvorbereitung Nut Drehen Drehen Verschlußblech - Fräsen (Fase) Schweißen 1 Lage 1 Lage Geschwindigkeit 2,8 m/min 0,7 m/min Leistung 2,5 kw 4 kw Materialverbrauch Zusatzwerkstoff n.a. 1,5 m/min (1,2 mm) Gas Helium 20l/min Argon 18 l/min Aersolemissionsrate 0.7 mg/s 1,5 mg/s Verzug Axial 0,5 mm 2 mm Winkel 2 4 Energieverbrauch 0,743 MJ/m 1,19 MJ/m 17

18 Herstellung von Flanschen: Vergleich (Schneiden und Schweißen Laserstrahlschweißen Energieverbrauch 1,0 WIG Plasma Materialverbrauch 0,5 Emissionen Risikopotential Nachbearbeitung Zusammenfassung Abgrenzung Prozesse Tiefschweißen: hohe Genauigkeitsanforderungen Hybridschweißen: gute Spaltfüllung, Anpassung der Werkstoffe Werkstoffe: geringerer Wärmeeintrag in das Werkstück Stähle: höchstfeste Stähle werden schweißgeeignet Aluminium, Titan und ihre Legierungen Nickelbasislegierungen: verbesserte Schweißeignung Mischverbindungen: Gegenstand der Forschung Umweltwirkung - hoher spezifischer Energieverbrauch + geringere Materialintensität + höhere inhärente Arbeitssicherheit 18