Ergebnisse und Wirkzusammenhänge beim Plasmaschweißen mit niederenergetischer

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1 Development Consulting Education Research Ergebnisse und Wirkzusammenhänge beim Plasmaschweißen mit niederenergetischer Laserunterstützung Olaf Steinmeier Duisburg, 24. März 2015

2 Überblick 1. ilas und LZN 2. Schweißergebnisse aus dem PiLS-Projekt 3. Analysen aus dem PiLS-Projekt 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Forschungsbedarf 2 Lichtbogenkolloquium

3 Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (ilas) und LZN Laser Zentrum Nord GmbH Hamburg, Germany 3 Lichtbogenkolloquium

4 Kernkompetenzen und Zielmärkte des LZN Forschung und industrielle Qualifikation Light Design Light Process Light Factory Light Academy Entwicklungskompetenzen Märkte 4 Lichtbogenkolloquium

5 Überblick 1. ilas und LZN 2. Schweißergebnisse aus dem PiLS-Projekt 3. Analysen aus dem PiLS-Projekt 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Forschungsbedarf 5 Lichtbogenkolloquium

6 PiLS-Forschungsprojekt Plasma-Hybridschweißen mit integriertem Laser und Sensorik AiF-Projekt (IGF-Nr B) Zeitraum INP Greifswald und ilas Plasmalichtbogen unterstützt von einem Laserstrahl geringer Leistung Stumpfstöße ohne Nahtvorbereitung und ohne Zusatzwerkstoff Baustahl S235 mit 2 mm und 4 mm Blechstärke einfache Sensorik zur Prozessüberwachung geringer Investitionsbedarf, KMU-tauglich 6 Lichtbogenkolloquium

7 Laser-Plasma-Hybridschweißanlage im LZN Prozessanordnung Plasmabrenner stechend Laser neutral oder schleppend konzentrisch auf der Werkstückoberfläche Plasmastromquelle: ESS Squarearc 456 Faserlaser: IPG Photonics YLR 300-SM Nd-YAG-Laser: Rofin DY044 (alternativ) Investitionsbedarf Plasmaschweißstromquelle mit Brenner und Kühlmodul: ca Watt-Laser mit Optik: ca Handhabungsgerät inkl. Steuerung: ca Lichtbogenkolloquium

8 Nahtbild bei hoher Vorschubgeschwindigkeit v S = 50 cm/min und V P = 0,7 l/min ohne Laser mit 300 W Laserleistung Oberraupe Oberraupe Nahtwurzel Nahtkategorie 5-6 Probe _30 Nahtwurzel Nahtkategorie 7 Probe _25 8 Lichtbogenkolloquium konstant: Blechdicke t = 4 mm Stromstärke I = 150 A

9 Nahtquerschnitt bei hoher Geschwindigkeit ohne Lasereinsatz v S = 50 cm/min und V P = 0,7 l/min mit 300 W Laserleistung Nahtkategorie Nahtbreite Wurzelbreite Nahtüberhöhung Randkerben Wurzelrückfall Kantenversatz Probe _30 Probe _ ,83 1,11 0,61 0,56 0,86 keiner mm mm mm mm mm Nahtkategorie Nahtbreite Wurzelbreite Nahtüberhöhung Randkerben Wurzelrückfall Kantenversatz 7 4,21 1,12 0,19 0,14 0,4 keiner mm mm mm mm mm 9 Lichtbogenkolloquium

10 Schweißgeschwindigkeit und Nahtqualität beim Plasmaschweißen mit Laserunterstützung für 4 mm Blechdicke 10 Nahtqualität in Kategorien Bewertungsgruppe nach DIN EN ISO B C D Geschwindigkeitsvorteil 60 % Plasmaschweißverfahren Laser + Plasma Hybridschweißverfahren Schweißgeschwindigkeit in cm/min 10 Lichtbogenkolloquium

11 Schweißgeschwindigkeit und Nahtqualität beim Plasmaschweißen mit Laserunterstützung für 4 mm Blechdicke 10 Nahtqualität in Kategorien Bewertungsgruppe nach DIN EN ISO B C D Plasmaschweißverfahren Laser + Plasma Hybridschweißverfahren Schweißgeschwindigkeit in cm/min 11 Lichtbogenkolloquium

12 Nahtbögen mit 30 Bahnablenkung ohne Laser mit 300 W Laserleistung 30 Oberraupe Oberraupe Nahtwurzel Nahtwurzel konstant: t = 2 mm I = 150 A v S = 100 cm/min V P = 0,68 l/min 12 Lichtbogenkolloquium

13 Nahtbögen mit 300 W Laserleistung 60 -Bogen V P = 0,68 l/min 90 -Bogen V P = 0,66 l/min Oberraupe Oberraupe 19 mm 27 mm Nahtwurzel Nahtwurzel konstant: t = 2 mm I = 150 A v S = 100 cm/min P L = 300 W 13 Lichtbogenkolloquium

14 Überblick Quelle: INP Greifswald Laserstrahl 1. ilas und LZN 2. Schweißergebnisse aus dem PiLS-Projekt 3. Analysen aus dem PiLS-Projekt 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Forschungsbedarf 14 Lichtbogenkolloquium

15 Temperaturprofile der Plasmasäule T/ K T/ K Measurement r / mm Measurement 13 Spek 1 Spek 2 Spek 3 Spek 4 Spek 5 Spek 6 Spek 1 Spek 2 Spek 3 Spek r / mm Laser + Plasma Untersuchung einer möglichen Wechselwirkung von Laserstrahl und Plasmalichtbogen ohne Laser hochaufgelöste spektrale Messung 1 mm Abstand über dem Blech Plasma mit Laserunterstützung 220 bis 550 W Laserleistung gleiches Temperaturprofil keine Intensitätsunterschiede entlang des Laserpfades im Lichtbogen nachgewiesen Quelle: Quelle: INP INP Greifswald Greifswald 15 Lichtbogenkolloquium

16 Übersichtsspektren Intensity I / I ref Laser off Laser on Mn I λ / nm Laser off Laser on Na I Untersuchung einer möglichen Wechselwirkung von Laserstrahl und Plasmalichtbogen mit 300 W Laserleistung Strahlungsmessung im Lichtbogenbereich des Laserauftreffpunktes Laserstrahlung bei 1070 nm im Spektrum sichtbar Plasma Nachweis erhöhter Anteile von Mangan und Natrium (korreliert mit dem Ein-/Ausschalten des Lasers) keine Eisen-Verdampfung nachgewiesen (450 bis 550 nm) λ / nm Quelle: Quelle: INP INP Greifswald Greifswald 16 Lichtbogenkolloquium

17 Laserstrahlintensität Laserparameter Rofin DY044 Optik-Abbildung: 1:1 Schweißanwendung: Leistung: 300 W Fokuslage: + 7 mm Spotgröße: 0,97 mm Rofin DY044 bei 300 W Intensitäten von W/cm 2 bis W/cm 2 (im Fokus) IPG YLR-300SM bei 300 W Intensitäten bis 2, W/cm 2 möglich (im Fokus), aber nicht im Schweißprozess nutzbar 17 Lichtbogenkolloquium

18 Vergleich der Schmelzbadtemperatur Plasma 1500 K 2000 K Laser + Plasma Quelle: INP Greifswald Untersuchung einer möglichen Wechselwirkung von Laserstrahl und Schmelzbad ohne Laser HGK-Aufnahme der Oberflächentemperatur des Schmelzbades 10 ms nach Abschalten des Lichtbogens mit Laserunterstützung 300 W Laserleistung Laserauftreffpunkt sichtbar lokal höhere Temperaturen in der Schmelze 18 Lichtbogenkolloquium

19 Temperaturverteilung im Schmelzbad mit Laser ohne Laser Untersuchung einer möglichen Wechselwirkung von Laserstrahl und Schmelzbad T / K Vergleich der Temperaturverteilung entlang einer Schnittlinie in der Schmelze Quelle: INP Greifswald x / mm mit 300 W Laserunterstützung Steigerung des Oberflächentemperaturgradienten im Schmelzbad hohe Temperatur im Laserauftreffpunkt (auch auf der Blechunterseite) 19 Lichtbogenkolloquium

20 Strömungsänderung bei Laserzuschaltung Quelle: INP Greifswald 20 Lichtbogenkolloquium

21 Vergleich der Strömungen im Schmelzbad Plasma ohne Laser Verwerfungen am Kraterrand Prozess empfindlich gegenüber Störungen Laser + Plasma Quelle: INP Greifswald mit 300 W Laser ruhigeres Schmelzbad höhere Schweißgeschwindigkeit Ablenkung der Schweißbahn möglich 21 Lichtbogenkolloquium

22 Überblick 1. ilas und LZN 2. Schweißergebnisse aus dem PiLS- Projekt 3. Analysen aus dem PiLS-Projekt Quelle: Zaha Hadid 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Forschungsbedarf 22 Lichtbogenkolloquium

23 Zusammenfassung der Ergebnisse 300 W Laserleistung bewirken beim Plasma-Laser-Hybridschweißen Steigerung der Schweißgeschwindigkeit um bis zu 60% Verbesserung von Nahtqualität und Spaltüberbrückbarkeit Prozess insgesamt weniger sensibel und störanfällig Begünstigung des Stichlocheffektes Plasma ortstolerantes Hochleistungsschweißverfahren, das infolge relativ geringen Investitionsbedarfs insbesondere für KMU interessant ist Plasma-Laser keine Absorption der Laserstrahlung im Plasma keine Verdampfung von Fe-Bestandteilen des Werkstückes lokal höhere Temperaturen und Temperaturgradienten im Schmelzbad veränderte Schmelzbadströmung 23 Lichtbogenkolloquium

24 Forschungsvorhaben und -bedarf Anwendung des Plasma-Laser-Schweißverfahrens verzugsarme 3D-Bearbeitung für den Schiffbau Fertigungssystementwicklung zur flexibel automatisierten Bearbeitung Hybridschweißkopf mit minimaler Störkontur infolge relativ geringer Laserleistung Portallösung mit integrierter Bauteillageerkennung, Prozessüberwachung und Nahtqualitätskontrolle Grundlagen des Plasma-Laser-Schweißverfahrens genauere Analyse der Temperaturverteilung im Schmelzbad Untersuchung der Laserstrahleinwirkung auf die Viskosität der Schmelze Untersuchung der Laserstrahleinwirkung auf die Oberflächenspannung des Schmelzbades Quelle: INP Greifswald 24 Lichtbogenkolloquium

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Olaf Steinmeier Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der TUHH Denickestr. 17 D Hamburg LZN Laser Zentrum Nord GmbH Am Schleusengraben 14 D Hamburg 25 Lichtbogenkolloquium