Schweißen von Stahl und Aluminium. Grundlagen, Herausforderungen, Lösungen

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1 Schweißen von Stahl und Aluminium Grundlagen, Herausforderungen, Lösungen Scansonic MI GmbH Applikationszentrum Rudolf-Baschant-Str Berlin Germany

2 Agenda Grundlagen zum Schweißen Definition Vergleich verschiedener Verfahren Prozess Laserstrahl- / Lichtbogenschweißen Herausforderungen Geometrie, Werkstoff, (Verfahren) Lösungen Schweißen mit Nahtführung (mit Laser oder Lichtbogen) Wie funktioniert s? Maßgeschneiderte Prozessführungsstrategien am Beispiel des Laserstrahlschweißens heißrissempfindlicher Aluminiumlegierungen

3 Definition Schweißen

4 Intensity Verfahrensvergleich W/cm Laserschweißen - Tiefschweißen(1) Laserschweißen Wärmeleitungsschweißen (2) Plasmaschweißen (3) MAG Schweißen (4) E-Schweißen (5) T 3 T 1 T max = 1600 C T 3 T 2 T 1 T max = 1600 C T 2 Geringe Intensität Hohe Intensität (z. B. Laserschweißen) Source: Nach N.N.: Anwendertraining Metallschweißen, Bayerisches Laserzentrum GmbH,

5 MIG / MAG-Schweißen Sprühlichtbogen / Impulslichtbogen Source: EWM Schweißfibel,

6 WIG-Schweißen Gleichstrom (Minuspol) Gleichstrom Wechselstrom (Pluspol) Einfluss der Elektrodenform auf den Einbrand Source: EWM Schweißfibel,

7 Laserstrahlschweißen Wärmeleitungsschweißen Laserstrahl Schmelzbad Tiefschweißen Laserstrahl Prozesslicht Schweißnaht Metalldampf Schmelzbad Dampfkapillare Schweißnaht Vorschub Quelle: Laserzentrum Hannover

8 Agenda Grundlagen zum Schweißen Definition Vergleich verschiedener Verfahren Prozess Laserstrahl- / Lichtbogenschweißen Herausforderungen Geometrie, Werkstoff, (Verfahren) Lösungen Schweißen mit Nahtführung (mit Laser oder Lichtbogen) Wie funktioniert s? Maßgeschneiderte Prozessführungsstrategien am Beispiel des Laserstrahlschweißens heißrissempfindlicher Aluminiumlegierungen

9 Herausforderung - Geometrie I-Naht am Überlappstoß (vorrangig für Laserprozesse) Vorteile: - Einfache Positionierung des Laserstrahls - Toleranzen unkritisch? Nachteile: - Geringere Festigkeit - Unnötig lange Flansche Gewicht - Gefahr von Korrosion - Gefahr von falschen Freunden - Schwierige Prüfbarkeit

10 Herausforderung - Geometrie Kehlnaht Vorteile: - Hohe Festigkeit - Dichtheit / weniger Korrosion - Keine falschen Freunde - Einfache Prüfbarkeit - Kurze Flansche Gewichtsreduktion Nachteile: - Exakte Positionierung des Lichtbogens / Laserstrahls notwendig - Ggf. höhere Anforderungen bzgl. Zugänglichkeit Bördelnaht Vorteile: - Hohe Festigkeit - Dichtheit / weniger Korrosion - Keine falschen Freunde - Einfache Prüfbarkeit Nachteile: - Exakte Positionierung des Lichtbogens / Laserstrahls notwendig

11 Herausforderung - Werkstoff CET & ZTU Schaubilder für Baustähle Schaeffler Diagramm für Cr-Ni-Stähle Kohlenstoffäquivalent CET [%] = C + (Mn+Mo) / 10 + (Cr+Cu) / 20 + Ni / 40 t 8/5 - Zeit Vor- / Nachwärmtemperatur T p oder Abschätzung der Schweißgeschwindigkeit T p [ C] =700*CET + 160*tanh(d/35) + 62*HD0,35 + (53*CET - 32)*Q - 330

12 Zwischenbilanz 1) Wahl des richtigen Verfahrens entsprechend des erforderlichen Nahtquerschnitts, der Bauteildicke, der vorhandenen Toleranzen, der erforderlichen Vorschubgeschwindigkeit, etc. 2) Wahl der richtigen Geometrie (Kehlnähte oder Bördelnähte aufgrund Festigkeit, reduzierter Korrosionsgefahr, Masseeinsparung oftmals sinnvoll) 3) Wahl des richtigen Zusatzwerkstoffes, falls erforderlich Exakte Positionierung des Lichtbogens oder des Laserstrahls bei toleranzbehafteten Bauteilen, bei Toleranzen in der Vorrichtung, bei toleranzbehafteter Bewegung der Führungsmaschine Nahtführung in vielen Fällen notwendig

13 Agenda Grundlagen zum Schweißen Definition Vergleich verschiedener Verfahren Prozess Laserstrahl- / Lichtbogenschweißen Herausforderungen Geometrie, Werkstoff, (Verfahren) Lösungen Schweißen mit Nahtführung (mit Laser oder Lichtbogen) Wie funktioniert s? Maßgeschneiderte Prozessführungsstrategien am Beispiel des Laserstrahlschweißens heißrissempfindlicher Aluminiumlegierungen

14 Nahtführung beim Lichtbogenschweißen mit Zusatzwerkstoff Lage der Naht Orientierung Sensor

15 Nahtführung beim Lichtbogenschweißen mit Zusatzwerkstoff

16 Nahtführung beim Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff Aufsicht und Rückseite einer Kehlnaht am Überlappstoß ohne Nahtführung Aufsicht und Rückseite einer Kehlnaht am Überlappstoß mit Nahtführung

17 Nahtführung beim Remote-Laserstrahlschweißen ohne Zusatzwerkstoff Prinzip Nahtführlinien 3 Nahtführlinien Nahtführlinie erstreckt sich über den gesamten y-arbeitsbereich Vorlauf mittlere Nahtführlinie zum TCP 10 mm Nahtform Kehlnaht am Überlappstoß Laserstrahl Offene Kante

18 Prozessführungsstrategien am Beispiel des Laserstrahlschweißens von AW6xxx Legierungen I-Nähte am Überlappstoß oder Kehlnähte ohne Nahtführung! Parameter P L = 4 kw; v R = 4 m/min; d S = 0,56 mm a lat = 0 AW6082 mit 0,7 1,3% Si und 0,6 1,2% Mg Ergebnisse Heißrissbildung, sofort nach Übergang von Kehlnaht in I-Naht am Überlappstoß Bis zu12 mm Flanschbreite Heißrisse! Deshalb: Akkurate Strahlpositionierung notwendig 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 12 mm flange variation

19 Prozessführungsstrategien am Beispiel des Laserstrahlschweißens von AW6xxx Legierungen Kehlnähte ohne Zusatzwerkstoff Parameter P L = 4 kw; v R = 4 m/min; d S = 0,56 mm a lat = 0 Laserstrahloszillation f = Hz; Ampl. = variabel; Sinus, Rechteck, Dreieck > 0,4 mm AW6082 mit 0,7 1,3% Si und 0,6 1,2% Mg micro-section Ergebnisse f = 400 Hz f = 600 Hz Bei Kehlnähten und Gewährleistung keiner Durchschweißung keine Heißrisse Durch Strahloszillation genaue Einstellung der Einschweißtiefe und Beeinflussung der Nahtoberfläche Akkurate Strahlpositionierung notwendig top view f = 500 Hz f = 800 Hz

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!