Laserstrahl-Lichtbogen Hybridschweißen. von Stahl im Dickblechbereich

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1 Laserstrahl-Lichtbogen Hybridschweißen von Stahl im Dickblechbereich Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Simon Olschok aus Aachen Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ulrich Dilthey Univ.-Prof. Dr.rer.nat Peter Loosen Tag der mündlichen Prüfung: 3. April 2008

2 zum Drucken: - Drucker: HP5000 Simon Olschok Laserstrahl-Lichtbogen Hybridschweißen von Stahl im Dickblechbereich Aachener Berichte Fügetechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. U. Dilthey Band 3/2008 Shaker Verlag

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008 Copyright Shaker Verlag 2008 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

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5 Vorwort Diese Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Laserstrahlschweißen des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Dank gilt meinem Doktorvater, Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ulrich Dilthey für die Betreuung der Arbeit. Ebenso danke ich Herrn Univ.-Prof. Dr.rer.nat Peter Loosen für das Koreferat. Eine solche Arbeit kann nur gelingen, wenn es das Umfeld zulässt. Dieses habe ich im ISF vorgefunden. Deshalb danke ich allen Mitarbeitern des ISF für ihre stets zuverlässige Unterstützung. Für die fachlichen Diskussionen und für die Korrekturen dieser Arbeit danke ich in besonderem Maße Herrn Dr.-Ing. Lars Stein. Ebenso danke ich den Mitarbeitern und Kollegen der Abteilung Laserstrahlschweißen für das unkomplizierte und freundschaftliche Verhältnis, namentlich Herrn Dipl.-Ing. Nikolaus Wagner, Herrn Dipl.-Ing. Stefan Longerich, Herrn Dipl.-Ing. Stefan Jakobs und Herrn M.Sc. Peng Sha. Des Weiteren danke ich Herrn Dipl.-Ing. Jan Aschenbrenner, Herrn Dipl.-Ing. Eckart Hauck, Herrn Dipl.-Ing. Branislav Lalik, Herrn Dipl.-Ing. Jan-Dirk Peters, Herrn Dipl.- Ing. Tobias Jans, Herrn Dipl.-Ing. Heiko Bullinger, Herrn cand. ing. Alexander Backhaus und Herrn cand. ing. Sebastian Hillenbach, die mit ihren Studien- und Diplomarbeiten einen wesentlichen Teil zu dieser Arbeit beitrugen. Darüber hinaus danke ich allen HiWis für ihre Unterstützung. In meinen Anfängen am Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik bin ich durch meine ehemaligen Kollegen Herrn Dr.-Ing. Flemming Reich und Herrn Dr.-Ing. Damian Piontek sehr gut betreut worden. Die Arbeit hat mir durch ihre Mithilfe stets Freude bereitet. Dies hat positiven Einfluss auf das Gelingen dieser Arbeit genommen. Meinen Eltern danke ich für die Möglichkeit, das Studium des Maschinenbaus zu absolvieren. Dadurch wurde mir die akademische Laufbahn geebnet. Zum Schluss danke ich meiner Frau Claudia, die mich immer in meinem Handeln unterstützte und die meine beruflich bedingte Abwesenheit von Zuhause mit viel Geduld und Verständnis getragen hat. Aachen im Mai 2008

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7 I Inhaltsverzeichnis I I Inhaltsverzeichnis Table of Contents I II III IV V Inhaltsverzeichnis... I Abbildungsverzeichnis... V Tabellenverzeichnis... XII Abkürzungen und Formelzeichen... XIII Abstract...XIX 1 Einleitung Stand der Technik Laserstrahlschweißverfahren Laserstrahlerzeugung Qualität des Laserstrahls Verfahrensprinzip Laserstrahlschweißen Laserstrahlquellen Laserstrahlspezifische Schweißnahtfehler MSG-Schweißverfahren Lichtbogen Schutzgas Unterpulverschweißverfahren Hybridschweißverfahren Grundlagen zur Sensorik Funktionsweise des Lichtbogensensors Zielsetzung der Dissertation Methoden zur Prüfung und Beurteilung der Schweißversuche Zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZFP) Sichtprüfung Röntgenprüfung... 31

8 II Inhaltsverzeichnis I 4.2 Zerstörende Prüfverfahren (ZP) Makroschliff Härteprüfung Kerbschlagbiegeversuch Querzugversuch und Längszugversuch EDX-Analyse Untersuchungen zum Laser-MSG Hybridschweißen im Dickblechbereich Aufgabenstellung Versuchsaufbau und Versuchswerkstoffe Laserstrahlquelle Trumpf TLF 20000turbo MSG-Schweißstromquelle AMT Hybrid 6000MR Laser-MSG Hybridschweißkopf Bearbeitungsstation Versuchswerkstoffe Modell zur Beschreibung der Nahtgeometrie einer Hybridnaht Blechdicke 20,3 mm, MSG-Brenner vorlaufend Auswertung der Makroschliffe Auswertung der Härteuntersuchungen Vergleich der Kerbschlagbiegeversuche Blechdicke 30 mm mit unterschiedlichen Fugenvorbereitungen und Fertigschweißung UP Lage/Gegenlage-Schweißung Lage/Gegenlage-Schweißung mit Fertigschweißung UP Laser-MSG Hybridnaht als Heftnaht und anschließender Fertigschweißung UP Zwischenfazit Blechdicke 18 mm, MSG-Brenner nachlaufend Vergleich MSG-Brenner nachlaufend - vorlaufend Schweißversuche am Nullspalt Schweißversuche mit 0,4 mm Spalt und 0,8 mm Versatz... 57

9 I Inhaltsverzeichnis III Schweißversuche mit 0,8 mm Spalt und 1,5 mm Versatz Vergleich der Kerbschlagbiegeversuche Vergleich der Zugversuche Anwendungsnahe Erprobung am Bauteil (Rohrlängsnaht) Zwischenfazit Untersuchungen zum Laser-Unterpulver Hybridschweißen im Dickblechbereich Problemstellung Verfahrensentwicklung und Versuchsaufbau LUPuS Versuchswerkstoffe Grundwerkstoffe S355 J2 G3 und AH Zusatzwerkstoffe Ermittlung geeigneter Parameter durch Schweißversuche an Blindnähten Auswirkung im Nahtquerschnitt Gefügeanalyse Härtemessung Zwischenfazit Arbeitsabstand und Winkel des UP-Schweißkopfes Änderung der Schweißspannung Verbindungsschweißungen einlagig Y-Naht mit 5 mm Steg und 16 Fugenöffnungswinkel, Blechdicke 15 mm V-Naht mit Spaltvariation Verbindungsschweißungen in Lage/Gegenlage-Technik Zwischenfazit Untersuchungen zum Laser-MSG Hybridschweißen in Zwangslagen und Ecken Aufgabenstellung Technologieauswahl... 93

10 IV Inhaltsverzeichnis I 7.3 Aspekte bei der Energieeinkopplung beim Laser-MSG Hybridschweißen mit Faserlaser Versuchsaufbau und Versuchswerkstoffe Faserlaser, Lichtleitfaser, Kollimiereinheiten und Fokussierlinsen Laser-MSG Hybridschweißkopf Scannerspiegel Roboter KR 60 Jet Robotersteuerung ROTROL II Schweißstromquelle GLC 403 QUINTO Kehlnahtschweißungen Position PB mit Spaltweitenvariation Nullspalt Spaltweitenvariation Kehlnahtschweißungen Position PG mit Spaltweitenvariation Nullspalt Spaltweitenvariation Konzept zur Lösung der komplexen Schweißaufgabe Entwicklung einer geeigneten Sensorik Grundlagenuntersuchungen Verfahrensentwicklung Definition der für die Lichtbogensensorik der Robotersteuerung notwendigen Konstanten Funktionsweise der Robotersteuerung ROTROL II Schweißkopfnachführung durch die Robotersteuerung ROTROL II Optimierung der Pendelbewegung des Scannerspiegels Anwendungsorientierte Schweißversuche im Werftumfeld Zwischenfazit Kritische zusammenfassende Bewertung und Ausblick Literatur Anhang

11 II Abbildungsverzeichnis V II Abbildungsverzeichnis List of Figures Bild 1: Laserprinzip... 4 Figure 1: Laser principle Bild 2: Strahlpropagationsfaktor K... 5 Figure 2: Beam propagation factor K Bild 3: Verfahrensprinzip Laserstrahlschweißen... 6 Figure 3: Process principle of laser beam welding Bild 4: Längsgeströmter CO 2 -Laser mit Hochfrequenzanregung... 8 Figure 4: Longitudinal flow CO 2 -laser with high-frequency excitation Bild 5: Strahlführung und -Fokussierung beim CO 2 -Laser... 9 Figure 5: Beam manipulation and focussing with the CO 2 -laser Bild 6: Prinzipieller Aufbau eines Faserlasers Figure 6: Principle sketch of fibre lasers Bild 7: Prinzipieller Aufbau eines Scheibenlasers Figure 7: Principle sketch of disc lasers Bild 8: Übersicht und Zuordnung der MSG-Schweißverfahren Figure 8: Survey and classification of the GMA welding processes Bild 9: Phasenänderungen durch Temperaturerhöhung und Ionisation Figure 9: Phase changes through temperature increase and ionisation Bild 10: Einstellbereich beim MSG-Schweißen Figure 10: Adjustment range in GMA welding Bild 11: Kräfte im Lichtbogenraum Figure 11: Forces in the arc space Bild 12: Auswirkung der Schutzgase auf die Nahtgeometrie Figure 12: Effects of the shielding gases on the weld geometry Bild 13: Verfahrensprinzip des Unterpulverschweißens Figure 13: Process principle of submerged arc welding Bild 14: Laserstrahl-MSG Verfahrenskopplung Figure 14: Process coupling laser beam and GMA Bild 15: Bereiche der Qualitätskontrolle Figure 15: Fields of quality control Bild 16: Funktionsprinzip der Lichtbogensensorik Figure 16: Function principle of arc sensor systems Bild 17: Modell zur Beschreibung der Nahtgeometrie nach Ji Figure 17: Model for the characterisation of the weld geometry according to Ji Bild 18: A V /T-Kurve des Kerbschlagbiegeversuches Figure 18: A V /T-curve of the notch bending test

12 VI Abbildungsverzeichnis II Bild 19: Strahlvermessung Figure 19: Beam measurement Bild 20: Laser-MSG Hybridschweißkopf für die Schweißlage PC Figure 20: Laser-GMA hybrid welding head for welding position PC Bild 21: Verfeinertes Modell zur Beschreibung der Nahtgeometrie einer Hybridnaht Figure 21: Refined model for the specification of the weld geometry of a hybrid weld Bild 22: Blechdicke 20,3 mm, Vergleich der Querschliffe bei Spaltweitenvariation Figure 22: Plate thickness 20,3 mm, comparison of the cross-sections at gap width variation Bild 23: Blechdicke 20,3 mm, Vergleich der Härtemessungen bei Spaltweitenvariation Figure 23: Plate thickness 20,3 mm, comparison of the hardness measurements at gap width variation Bild 24: Blechdicke 20,3 mm, Vergleich der Kerbschlagbiegeversuche Schweißgut, Schmelzlinie sowie WEZ bei Nullspalt und 0,4 mm Spalt Figure 24: Plate thickness 20,3 mm, comparison of notch bending tests, weld metal, fusion line and also HAZ with zero-width of gap and a gap of 0,4 mm Bild 25: Blechdicke 30 mm, Darstellung der Fugenvorbereitungen Figure 25: Plate thickness 30 mm, groove preparations Bild 26: Blechdicke 30 mm, Lage/Gegenlage, Querschliff und Längsschliff Nahtmitte Figure 26: Plate thickness 30 mm, double sided single pass welding, cross-section and longitudinal section weld centre Bild 27: Blechdicke 30 mm, Lage/Gegenlage mit Fertigschweißung UP, Querschliff und Längsschliff Nahtmitte Figure 27: Plate thickness 30 mm, double sided single pass welding with finish welding SA, cross-section and longitudinal section, weld centre Bild 28: Blechdicke 30 mm, Heftnaht Laser-MSG Hybrid mit Fertigschweißung UP, Querschliff Figure 28: Plate thickness 30 mm, tack weld laser-gma hybrid with finish welding SA, cross-section Bild 29: Blechdicke 30 mm, Heftnaht Laser-MSG Hybrid und Fertigschweißung UP, Härtemessung Figure 29: Plate thickness 30 mm, tack weld laser-gma hybrid with finish welding SA, hardness measurement Bild 30: Blechdicke 30 mm, Heftnaht Laser-MSG Hybrid mit Fertigschweißung UP, Kerbschlagbiegeversuch Schweißgut in 3 Höhen der Naht Figure 30: Plate thickness 30 mm, tack weld laser-gma hybrid with finish welding SA, notch bending test, weld metal in 3 positions of the welded seam

13 II Abbildungsverzeichnis VII Bild 31: Blechdicke 30 mm, Heftnaht Laser-MSG Hybrid mit Fertigschweißung UP, Querzugversuch in 3 Höhen der Naht Figure 31: Plate thickness 30 mm, tack weld laser-gma hybrid with finish welding SA, transverse tensile test in 3 positions of the welded seam Bild 32: Porenentstehung beim Laser-MSG Hybridschweißen Figure 32: Pore formation in laser GMA hybrid welding Bild 33: Blechdicke 18 mm, Vergleich der Röntgenaufnahmen bei nachlaufendem und vorlaufendem MSG-Brenner Figure 33: Plate thickness 18 mm, comparison of X-rays with trailing and leading GMA torch Bild 34: Blechdicke 18 mm, Vergleich der Querschliffe bei nachlaufendem und vorlaufendem MSG-Brenner Figure 34: Plate thickness 18 mm, comparison of cross-sections with trailing and leading GMA torch Bild 35: Blechdicke 18 mm Nullspalt, Nahtoberraupe, Nahtwurzel, Querschliff und Härtemessung Figure 35: Plate thickness 18 mm zero-width of gap, weld upper bead, weld root, cross-section and hardness measurement Bild 36: Blechdicke 18 mm mit 0,4 mm Spalt und 0,8 mm Versatz, Nahtoberraupe, Nahtwurzel, Querschliff und Härtemessung Figure 36: Plate thickness 18 mm with a gap of 0,4 mm and misalignment of 0,8 mm weld upper bead, weld root, cross-section and hardness measurement Bild 37: Blechdicke 18 mm mit 0,8 mm Spalt und 1,5 mm Versatz, Röntgenaufnahme, Querschliff und Härtemessung Figure 37: Plate thickness 18 mm with a gap of 0,8 mm and misalignment of 1,5 mm, X-ray, cross-section and hardness measurement Bild 38: Blindschweißung, Auswertung der EDX-Analyse und Querschliff Figure 38: Bead-on-plate weld, evaluation of the EDX analysis and cross-section Bild 39: Blindschweißung, Auswertung der Härtemessungen quer sowie längs zur Naht Figure 39: Bead-on-plate weld, evaluation of the hardness measurements transverse to the seam and also longitudinal to the seam Bild 40: Blechdicke 18 mm, Vergleich der Kerbschlagbiegeversuche Schweißgut bei Nullspalt, 0,4 mm Spalt und 0,8 mm Spalt Figure 40: Plate thickness 18 mm, comparison of notch bending tests, weld metal at zero-width of gap, gap of 0,4 mm and of 0,8 mm Bild 41: Blechdicke 18 mm, exemplarische Darstellung und Auswertung des Querzugversuches Figure 41: Plate thickness 18 mm, exemplary representation and evaluation of the transverse tensile test Bild 42: Blechdicke 35 mm, Kantenvorbereitung des Demonstratorbauteils 64 Figure 42: Plate thickness 35 mm, edge preparation of demonstrator part Bild 43: Blechdicke 35 mm, Querschliff des Demonstratorbauteils Figure 43: Plate thickness 35 mm, cross-section of demonstrator part

14 VIII Abbildungsverzeichnis II Bild 44: Schematischer Aufbau des Laser-Unterpulver Hybridschweißverfahrens (LUPuS) Figure 44: Schematic design of the laser-submerged arc hybrid welding method (LUPuS) Bild 45: Versuchsaufbau LUPuS Figure 45: Experimental set-up LUPuS Bild 46: Auswirkungen des UP-Verfahrens auf den Nahtquerschnitt Figure 46: Effects of the SA welding method on the weld cross-section Bild 47: Gefügeanalyse einer Laserstrahlschweißnaht und einer LUPuS-Schweißnaht Figure 47: Structural analysis of a laser beam weld and a LUPuS weld Bild 48: Vergleich der Härtemessungen Figure 48: Comparison of the hardness measurements Bild 49: Prozesszone beim LUPuS Figure 49: Process zone of the LUPuS process Bild 50: Einschweißung, Vergleich der Querschliffe bei unterschiedlicher Spannung Figure 50: Bead-on-plate weld, comparison of the cross-section at different voltage values Bild 51: Verbindungsschweißung, Vergleich der Querschliffe bei unterschiedlicher Spannung Figure 51: Welding of joints, comparison of the cross-sections at different voltage values Bild 52: Vergleich der Querschliffe bei unterschiedlicher Laserleistung Figure 52: Comparison of the cross-sections at different laser powers Bild 53: Vergleich der Querschliffe bei unterschiedlichem Winkel des UP-Schweißkopfes Figure 53: Comparison of the cross-sections at different angles of the SA welding head Bild 54: Auswertung LUPuS-Naht mit Gegenschweißung UP, Querschliff, Nahtoberraupe und Härtemessung Figure 54: Evaluation LUPuS-weld with SA weld, cross-section, weld upper bead and hardness measurement Bild 55: Auswertung des Querzugversuches Figure 55: Evaluation of the transverse tensile test Bild 56: Entnahmeort und Auswertung des Längszugversuches Figure 56: Sampling location and evaluation of the longitudinal tensile test Bild 57: Auswertung der Kerbschlagbiegeversuche, Aufnahmen der Bruchflächen Figure 57: Evaluation of the notch bending tests, micrographs of the fracture areas Bild 58: V-Naht, Vergleich der Querschliffe bei Spaltweitenvariation, Drahtdurchmesser 1,6 mm Figure 58: V-weld, comparison of the cross-sections at a gap width variation, wire diameter 1,6 mm

15 II Abbildungsverzeichnis IX Bild 59: Auswertung V-Naht, Drahtdurchmesser 1,6 mm, Querschliff, Nahtoberraupe, Nahtunterraupe und Härtemessung Figure 59: Evaluation of V-weld, wire diameter 1,6 mm, cross-section, weld upper bead, weld lower bead and hardness measurement Bild 60: V-Naht, Vergleich der Querschliffe bei Spaltweitenvariation, Drahtdurchmesser 1,2 mm Figure 60: V-weld, comparison of the cross-sections at gap width variation, wire diameter 1,2 mm Bild 61: Auswertung V-Naht, Drahtdurchmesser 1,2 mm, Querschliff, Nahtoberraupe, Nahtunterraupe und Härtemessung Figure 61: Evaluation V-weld, wire diameter 1,2 mm, cross-section, weld upper bead, weld lower bead and hardness measurement Bild 62: DY-Naht, Querschliff, Nahtoberraupe, Längsschliffe und Härtemessung Figure 62: DY-weld, cross-section, weld upper bead, longitudinal sections and hardness measurement Bild 63: Schweißaufgabe im Schiffbau Figure 63: Welding task from the field of shipbuilding Bild 64: Prinzipskizze des Hybridkofpes der Firma Cloos Figure 64: Principle sketch of the Cloos hybrid head Bild 65: Prinzipskizze und Bild des Scannerspiegels Figure 65: Principle sketch and photo of the scanner mirror Bild 66: Versuchsanordnung Schweißposition PB Figure 66 Test arrangement welding position PB Bild 67: Vergleich von Kehlnähten, Variation der Fokussierung, der Schweißgeschwindigkeit und der Anstellung des MSG-Brenners. 100 Figure 67: Comparison of fillet welds, variations of focussing variations, of the welding speed and of the GMA torch inclination Bild 68: Einfluss der Heftnaht bei Kehlnähten Figure 68: Influence of the tack welding in the case of fillet welds Bild 69: Einfluss der Positionierung bei Kehlnähten Figure 69: Influence of the positioning in the case of fillet welds Bild 70: Nahtoberraupe und Nahtwurzel bei einer Kehlnaht Figure 70: Weld upper bead and weld root in a fillet weld Bild 71: Vergleich der Querschliffe bei Variation der Blechdicke Figure 71: Comparison of the cross-sections during plate thickness variation Bild 72: Vergleich der Härtemessung bei Variation der Schweißgeschwindigkeit Figure 72: Comparison of the hardness measurement during welding speed variation Bild 73: Vergleich der Querschliffe bei Spaltweitenvariation Figure 73: Comparison of the cross-sections during gap width variation Bild 74: Versuchsanordnung Schweißposition PG und Querschliff Figure 74: Test arrangement weld position PG and cross-section

16 X Abbildungsverzeichnis II Bild 75: Angepasste Versuchsanordnung Schweißposition PG Figure 75: Adjusted test arrangement, weld position PG Bild 76: Vergleich der Querschliffe bei Variation der Blechdicke, geschweißt mit der angepassten Versuchsanordnung Figure 76: Comparison of the cross-sections during plate thickness variation, welded with the adjusted test arrangement Bild 77: Nahtoberraupe und Nahtwurzel bei einer Kehlnaht PG Figure 77: Weld upper bead and weld root in a fillet weld PG Bild 78: Vergleich der Querschliffe, Kehlnaht PG mit Spaltweitenvariation 113 Figure 78: Comparison of the cross-sections, fillet weld PG with gap width variation Bild 79: Lösung der komplexen Schweißaufgabe Figure 79: Solution of the complex welding task Bild 80: Querschliffe an den einzelnen Positionen der Schweißaufgabe Figure 80: Cross-sections at individual positions of the welding task Bild 81: Generationen von Hybriköpfen Figure 81: Generations of hybrid heads Bild 82: Bildsequenzen von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Figure 82: Sequences of high-speed recordings Bild 83: Versuchsanordnung und Nahtoberraupe Stufenschweißung Figure 83: Test arrangement and weld upper bead step weld Bild 84: Strom-/Spannungsschrieb des Versuchs Stufenschweißung Figure 84: Current-/voltage recording of the test step weld Bild 85: Nahtoberraupe, Nahtwurzel und Querschliff bei Pendelung des Hybridkopfes Figure 85: Weld upper bead, weld root and cross-section during oscillation of the hybrid head Bild 86: Prinzipskizze der Entkopplung zwischen Laserstrahl und MSG-Prozess, Winkelfehler Figure 86: Prinziple sketch of the decoupling of laser beam and GMA process, angular error Bild 87: Auswirkung der Überlagerung der Spiegel- und der Roboterpendelung Figure 87: Effect of the superimposition of the mirror and robot oscillation Bild 88: Nahtoberraupe und Stromschrieb bei Fehlpositionierung des Schweißkopfes Figure 88: Weld upper bead and current recording during weld head misalignment Bild 89: Definition des TOV (Tool Orientation Vector) im Handkoordinatensystem Figure 89: Definition of the TOV (Tool Orientation Vector) in the hand coordinate system Bild 90: Pendelebene bei Pendel-Dreh Figure 90: Plane of oscillation during Pendel-Dreh -29

17 II Abbildungsverzeichnis XI Bild 91: Messintervalle bei der Robotersteuerung ROTROL II Figure 91: Measuring intervals of the robot control ROTROL II Bild 92: Nahtoberraupe Nahtfindung, Start auf Steg Figure 92: Weld upper bead, weld seam finding, start on root face Bild 93: Nahtoberraupe und Nahtwurzel Nahtfindung, Start auf Gurt Figure 93: Weld upper bead and weld root, weld seam finding, start on plate Bild 94: Vergleich Stromschrieb mit Spiegelauslenkung, oben ohne Nahtverfolgung, unten mit Figure 94: Comparison current recording and mirror deflection, top: without seam tracking, bottom: with seam tracking Bild 95: Querschliff bei Verwendung der Lichtbogensensorik Figure 95: Cross-section of an arc sensor system welding Bild 96: Prinzipskizze der Umwandlung eines digitalen Signals in ein analoges Sinussignal Figure 96: Principle sketch of the transformation of a digital signal into an analog sinusoidal signal Bild 97: Auswirkung der Überlagerung der Spiegel- und der Roboterpendelung bei Optimierung Figure 97: Effect of the superimposition of mirror and robot oscillation during optimisation Bild 98: Versuchsanlage auf der Werft Figure 98: Experimental facilities of the shipyard Bild 99: Demonstratorbauteil Figure 99: Demonstrator part

18 XII Tabellenverzeichnis III III Tabellenverzeichnis List of Tables Tabelle 1: Einteilung der Basizitätsgrade von Schweißpulver Table 1: Classification of the indices of basicity of the welding fluxes Tabelle 2: Molekularmassen M der wichtigsten Pulverbestandteile Table 2: Molecular masses M of the most important flux constituents Tabelle 3: Bewertungsgruppen für Nahtunregelmäßigkeiten für das Laserstrahlschweißen Table 3: Acceptance levels for weld irregularities in laser beam welding Tabelle 4: Chemische Zusammensetzung der verwendeten Grundwerkstoffe Table 4: Chemical composition of the used base materials Tabelle 5: Chemische Zusammensetzung der verwendeten Zusatzwerkstoffe Table 5: Chemical composition of the used filler materials Tabelle 6: Blechdicke 30 mm, Heftnaht Laser-MSG Hybrid mit Fertigschweißung UP, Querzugversuch in 3 Höhen der Naht, Auswertung. 53 Table 6: Plate thickness 30 mm, tack weld Laser-GMA hybrid with finish weld operation SA, transverse tensile tests at 3 levels of the welded seam, evaluation Tabelle 7: Chemische Zusammensetzung von Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff Table 7: Chemical composition of filler material and base material Tabelle 8: Chemische Zusammensetzung der verwendeten Grundwerkstoffe Table 8: Chemical composition of the used base materials Tabelle 9: Chemische Zusammensetzung des Schweißdrahtes S Table 9: Chemical composition of the filler wire S3 Tabelle 10: Chemische Zusammensetzung des Schweißpulvers OP Table 10: Chemical composition of the welding flux OP 122

19 IV Abkürzungen und Formelzeichen XIII IV Abkürzungen und Formelzeichen Symbols and Abbreviations Abkürzung Abbreviation Bedeutung Meaning Ar... Argon API... American Petroleum Institute bzw.... beziehungsweise and/or C... Kohlenstoff carbon ca... cirka approximately CO 2... Kohlendioxid carbon dioxide Cr... Chrom chromium CrNi... Chrom-Nickel Chromium-nickel cw... continuous wave d.h.... das heißt i.e. (id est) et. al... et alii (lateinisch: und andere) DIN... Deutsches Institut für Normung German Institute for Standardization DVS... Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.v. German Welding Association EDX... Energy Dispersive Röntgenanalyse energy-dispersive X-ray analysis EN... Europäische Norm European Standard GW... Grundwerkstoff base material He... Helium helium IL... Impulslichtbogen pulsed arc ISO... International Standards Organisation

20 XIV Abkürzungen und Formelzeichen IV KL... Kurzlichtbogen short arc Laser... Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LL... Langlichtbogen long arc LUPuS... Laser-Unterpulver Hybridschweißverfahren laser-submerged arc hybrid welding process MIG... Metall Inertgas metal inert gas Mn... Mangan manganese Mo... Molybdän molybdenum MSG... Metall Schutzgas shielding gas metal N 2... Stickstoff nitrogene Nd:YAG... Neodym Yttrium Aluminium Granat neodymium yttrium aluminium garnet Ni... Nickel nickel O 2... Sauerstoff oxygen PA... Wannenlage gravity position PB... Kehlnaht fillet weld PC... Querlage transversal position PE... Schweißposition Überkopf welding position overhead PF... Schweißposition steigend welding position vertical up PG... Schweißposition fallend welding position vertical down Si... Silizium silicon SL... Sprühlichtbogen spray arc SSPD... Search Speed TEM... Transversal Elektronical Magnetical TCP... Tool Center Point

21 IV Abkürzungen und Formelzeichen XV TOV... Tool Orientation Vector u.a.... unter anderem inter alia UP... Unterpulver submerged arc WEZ... Wärmeeinflusszone heat affected zone WIG... Wolfram-Inert-Gas tungsten inert gas Yb:YAG... Ytterbium Aluminium Granat ytterbium aluminium garnet z.b.... zum Beispiel e.g, exemplis gratia ZFP... Zerstörungsfreie Prüfverfahren non-destructive testing methods ZP... Zerstörende Prüfverfahren destructive testing methods ZW... Zusatzwerkstoff filler material

22 XVI Abkürzungen und Formelzeichen IV Formelzeichen Einheit Bedeutung Symbol Unit Meaning λ... [m]...wellenlänge wave length ϑ... [ ]...Prüftemperatur beim Kerbschlagbiegeversuch test temperature in the notch bending test... [ ]...Divergenzwinkel divergence angle A v... [J]...Schlagarbeit impact work C i... [%]...Massenanteil mass fraction d... [mm]...durchmesser diameter d 0... [mm]...strahltaillendurchmesser des Rohstrahls beam waist diameter of the raw beam d F... [mm]...strahltaillendurchmesser des fokussierten Strahls beam waist diameter of the focussed beam E... [kj/m]...streckenenergie energy-per-unit length f... [mm]...brennweite focal distance f... [Hz]...Frequenz frequency F 0,2... [kn]...kraft bei Erreichen der 0,2 % Dehngrenze force when reaching the weld metal 0,2% yield strength F m... [kn]...maximalkraft maximum force HV... [-]...Vickershärte Vickers hardness I... [W/cm2]...Intensität intensity I... [A]...Strom current I G... [A]...Grundstrom background current I ist... [A]...Ist-Strom actual current I S... [A]...Schweißstrom welding current

23 IV Abkürzungen und Formelzeichen XVII l... [A]...Schweißstromdifferenz welding current difference l... [mm]...längenänderung length variation l i... [mm]...länge length N... [-]...relative Molzahl relative mole number M j... [g/mol]...molekularmasse molecular mass P L... [kw]...laserstrahlleistung laser beam efficiency P MSG... [kw]...msg-leistung GMA efficiency P UP... [kw]...up-leistung SA efficiency R p0,2... [MPa]...Dehngrenze yield strength R m... [MPa]...Zugfestigkeit iensile strength R S... [ ]...Ohmscher Widerstand Ohmic resistance t... [mm]...blechdicke plate thickness t P... [ms]...pulszeit pulse time T... [ ]...Temperatur temperature T Ü... [ ]...Übergangstemperatur beim Kerbschlagbiegeversuch Transition temperature during the notch bending test U... [V]...Spannung voltage U ist... [V]...Ist-Spannung actual voltage U P... [V]...Pulsspannung pulse voltage U S... [V]...Schweißspannung welding voltage U soll... [V]...Sollspannung nominal voltage v D... [m/min]...drahtvorschubgeschwindigkeit wire feed speed

24 XVIII Abkürzungen und Formelzeichen IV v S... [m/min]...schweißgeschwindigkeit welding speed z... [mm]...fokuslage focus position

25 V Abstract XIX V Abstract Laser-Arc Hybrid Welding of Heavy Plates Laser beam welding processes are sensitive processes which become instable at slight deviations from the ideal case. A large part of the laser beam, for example, falls through a gap without coupling its energy into the component. This phenomenon occurs in particular in all laser beam sources which are used for welding; the ever increasing beam qualities of CO 2, fibre and disc lasers are even enhancing this effect. For process stabilisation in industrially relevant joining tasks, the laser beam-archybrid welding process is increasingly gaining in importance. Since the arc process supplies the gap with liquid filler material, the laser beam is capable to couple its full energy into the component; a metallurgical influence on the molten pool through the filler material is, moreover, possible. One of the first users of this method is the MEYER WERFT who carry out butt welds, but also fully connected fillet welds for ship prefabrication. The plate thickness range is, at that, between 5 mm and 12 mm. The hybrid method has, so far, not been industrially used for thicker plates since, in the process, weld defects as, for example, centre rib defects or pore formation, occur. New approaches towards reduction or elimination of the above-mentioned weld defects are the subject of this dissertation. A concept about hybrid welding in the threedimensional range is, moreover prepared. Among other things, particular attention is paid to the development of a suitable process sensor system which is based on the principles of the arc sensor, known from the GMA technique. As a first step, a new model design for the specification of the weld geometry in hybrid welding is presented within the scope of the dissertation. Particularly the width of the HAZ which represents the de-facto heat absorption in the work piece plays an important role. The reduction of both welding speed and penetration depth allow flawless welding. It had been possible to weld plates with a thickness of 18 mm and a gap width of 0,4 mm at a welding speed of 0,6 m/min. The results demonstrate that the laser GMA hybrid process is not suitable for the faultless welding of plates which are thicker than 18 mm. Centre rib defects occurred in the course of this process. Moreover, double-sided single pass welding is no longer possible since the result is a very high porosity; this is due to the fact that outgassing via the weld root during welding of the backweld pass is not feasible.

26 XX Abstract V It has been derived from those results that the outgassing conditions are subject to improvement. The GMA process was, therefore, substituted by a submerged arc process. This new method (LUPuS) allowed single pass welds of up to 15 mm and, moreover, faultless welds were produced using the double-sided single pass welding technique. Fully connected fillet welds in the position PG and also PB (corners) are required in shipbuilding for panel line manufacturing. The fibre laser GMA hybrid welding method has been successfully qualified for this purpose. For both, position PB and PG, it had been possible to bridge gaps with a width of up to 1 mm by using a scanner mirror which oscillates the beam transversally to the weld. A concept about weld head guidance has been drawn up for the arc sensor system, and a prototype has been built. The prototype has been successfully applied in the shipyard environment. An even broader application potential is expected from future research work in the field of the laser beam-arc-hybrid technology (increase of the penetration depth, research about the positions PE and PF and also the application of larger wire diameters).