11.05.2011

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Laserstrahlschweißen

Besuch des ASI des DVS BV Köln05/05/2011

Martin DahmenFraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen

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Übersicht

Abgrenzung

ProzesseWärmeleitschweißen, Schweißen von KunststoffenTiefschweißenHybridschweißenAuftragschweißen

Werkstoffe StähleAluminium, Titan und ihre LegierungenNickelbasislegierungenMischverbindungen

Umweltwirkung

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Abgrenzung

Lic

htb

og

en

sch

wei

ße

j

Re

ibs

chw

eiß

en

Ga

ss

chw

eiß

en

Wid

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schw

eiß

en

Pla

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hw

eiß

en

Ele

ktro

ne

ns

tra

hls

chw

eiß

en

La

se

rstr

ah

lsch

we

iße

n

103 104 105 106 107102

Leistungsdichte der Wärmequelle /Wcm-2

Schachtverhältnis

Wirkungsgrad

Breite der WEÄZ

Dauer des Wärmezyklus

Erreichbare Geschwindigkeit

Invesitionskosten

0.2

1

10 – 100

10 – 100

0.06 0.06 – 0.6

103 104

10

99

0.1 –1

10-4 – 10-3

6

106

1

%

mm

s

m min-1

€

≥ 109Wcm-2

Schweißen nicht möglich,VerdampfungVerdampfungVerdampfungVerdampfung

dominant

≤ 102Wcm-2

Schweißen schwierig,WärmeleitungWärmeleitungWärmeleitungWärmeleitung

dominant

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Absorption optischer Strahlung

Wirkungen:

� Erwärmung

� Schmelzen

� Verdampfung

� Plasmabildung

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Fügen

5 m

m

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Mikroschweißen

Source: Olympus Winter&Ibe

1 mm

Brazed plane glass Laser weld Aluminium ring Cementedplane glass

Eigenschaften räumlich

� Teilegrößen kleiner 1 mm

� Punktschweißungen oder

Schweißnähte mit Breiten

kleiner 0,5 mm

Eigenschaften zeitlich

� Taktzeit typisch1 bis 100

ms je SchweißnahtSpot welding Simultaneous

welding

pw seam welding cw seam welding

SHADOW®

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SHADOW®

S teplessH igh SpeedA ccurate andD iscreteO ne PulseW elding

� Gepulster Nd:YAG-Laser

� Schweißnaht:

� Schweißdauer = PulsdauertH >20 ms

� Schweißgeschwindigkeitvs > 10 m/min

� Lineare und zirkulare Nähte

Blattfeder

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10 mm

100 µm

Wälzlager

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Mikroringschweißen

Parameter:PL = 100 W2w0 = 30 µmDR = 500 µm

DR = 0,1 mm

v s=

15

0 m

m/s

v s=

25

0 m

m/s

DR = 0,2 mm

v s=

25

0 m

m/s

, DR

= 0

,2 m

m

Nu

mb

er o

f re

volu

ton

s

1

9

Tie

feD

s, D

m/µ

m

0 2 4 6 8 10Anzahl Umdrehungen

0

100

200

300

400

Center depthTrack depth

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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

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Nahtschweißenmit Strahlpendelung

0,0 0,2 0,4

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

Path in

y-direction [mm]

Path in x-direction [mm]

v = 50 mm/ s

0,0 0,2 0,4

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

Path in y-direction [m

m]

Path in x-direction [mm]

v = 200 mm/ s

vs = 20 m/min

vs = 2.5 m/min

Schweißen von Kuprer

Faserlaser cwPL = 200 W, f = 1000 Hza = 0,1 mm)

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Anwendungsbereiche

Automobil

� Elektrische Kontaktierungen

Feinmechanik

� Mikromechanische Kontakte

Medizin

� Mechanische Kontakte und Abdichtungen

Elektronik

� Elektrische Kontaktierungen

� Überlapp- und Stumpfstöße

� Drahkontaktierungen

� Werkstoffe mit begrenzter

Schweißeignung

� Hohe Genauigkeit in

Position und Einschweißtiefe

� Zuverlässiger Prozeß

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Schweißen von Schlittschuhkufen

DP600/Sandvik 12C2725CrMo4/maraging steel

0,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

Hä

rte

HV

0,5

T ransver salkoordinate y/mm

H V051

R 1K1W BH 30 R 1K1W BH 60

0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5

2 0 0

2 5 0

3 0 0

3 5 0

4 0 0

4 5 0

5 0 0

5 5 0

6 0 0

6 5 0

7 0 0

7 5 0

8 0 0

8 5 0

9 0 0

Hä

rte

HV

0,5

T ransver salkoordinate y/mm

HV 05

Long track Prototypes im Testlauf Trevor Marsicano mitMarchese Record LT

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Schweißen von Stoßdämpferventilen

Ziele� Prozeßentwicklung

� Verbesserung derProduktqualität

� Werkzeugkonzepte

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Schneiden und Schweißen von Flanschen

Specifikation

� Materialstärke: 2.5 mm

� Werkstoffe: 1.4404, 1.4541, 1.4571Hastelloy C2000

� Anforderungen:Keine VolumenfehlerVerzug < 0.3 mm

� CO2-Laser

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Schweißen von Reaktorkomponenten

Teile von Plasmabeschichtungsanlagen

Plasma source carrier

Chamber sleeve

Reactor bottom plate

Lamp frame

Lamp frame with loading gate

Detail loading gate

Spezifikation

� Materialstärke: 6 mm

� Werkstoffe: 1.4541, 1.4571

� Anforderungen:Keine VolumenfehlerVerzug < 0.3 mmVakuumdichtWasserdicht

� CO2-LaserPL = 5 kWvs = 2 m/min

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Schweißen von Reaktorkomponenten

Intern wassergekühlte drehbare Werkstückträger

Spezifikation

� Materialstärke: 3 mm

� Werkstoff: 1.4541

� Anforderungen:Keine VolumenfehlerVerzug < 0.2 mm

� CO2 laserPL = 2,5 kWvs = 2 m/min

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Komponenten für den Apparatebau

Tragringe

Spezifikation

� Materialstärke: 10 – 15 mm

� Durchmesser1200 – 3800 mm

� Werkstoff: 1.4541

� Anforderungen:Porenfrei

� CO2 laserPL = 11 – 16 kWvs = 1.1 – 1.4 m/min

� Konstruktion lasergerechtangepaßt

� Tragkraft/Eigengewicht durchLaserstrahschweißenerhöht

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Komponenten für den Apparatebau

T-Träger: Schweißen in Lage-Gegenlage

Spezifikation

� Matierlastärke: 10 – 30 mm

� Längen700 – 4500 mm

� Werkstoff: 1.4541

� Anforderungen:Keine Poren, keine Risse

� CO2 laserPL = 5 – 16 kWvs = 2 – 1.1 m/min

Verzug Anforderungen Ergebnis

- angular max. 1° 0.5°- long. bend max. 5 mm -1 . . . 6 mm

- transv. Bend max. 2 mm 0.5 . . . 1 mm

5 mm5 mm

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Vorteile des Hybridschweißens

Schnel (14.4 m/min)1 mm mild Baustahl

Spaltüberbrückng (0.8 mm)4 mm Aluminumprofil

Ausgleich von Kantenversatz (2 mm)

10 mm Pipelinestahl X52

Laser-strahl

Arc

Gefügebeeinflussung25 mm Mikrolegierter Stahl

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Hybrid Welding – Laserstrahl und Lichtbogen

Quelle: MHI

Fiber laser/MAG-Nähte

Quelle: ESAB

Quelle: BIAS

Quelle: BAM

Prozeß Systeme

Quelle: IMG

KapillareSchweißdraht

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Herstellung von Großproben

25 mm Proben für Großzugversuche und

LCF-Untersuchungen

Werkstoffe: EH36

RQT701 (S690QL)Stärke: 15, 20, 25mm

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Anwendungen

Schweißen einesBaggerarms(Schweißnahtlänge 15 m)

Überlappstoß

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

� CO2-Laser (20 kW)/MAG

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Anwendungen

Schaufelachse einer Planierraupe

Specifikation

� Materialstärke: 15.5 mm

� Werkstoff: HSLA steel

� I-Naht am Stumpfstoß

� I-Naht am T-Stoß

� Schweißposition PY, PC

� CO2-Laser/MAG

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Schweißen ungleichartiger WerkstoffeDP600/Sandvik 12C2725CrMo4/Maraging Stahl

0 ,0 0,5 1,0 1 ,5 2,0200

300

400

500

600

700

800

900

Hä

rte

HV

0,5

Transversalkoordinate y/m m

HV051 R1K1WBH30 R1K1WBH60

0 ,0 0,5 1 ,0 1,5200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

Hä

rte

HV

0,5

T ransversalkoordinate y/mm

HV05

Schweißentwicklung fürSchlittschuhkufen

Spezifikation

� Materialstärke: 1.1 – 1.4 mm

� Anforderungen:Keine VolumenfehlerVerzug < 0.05 mm

� CO2-LaserPL = 1,4 kWvs = 11 m/min

Chemical analysis (wt.%)

C 0.4 0.6Mn 0.8 0.4Cr 6.2 13.5Ni 0.13W 2.5

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Schweißen von Mittelblech: Titan 6246 (αααα + ββββ)

d = 1,5 mm

d = 2,5 mm

Nd:YAG-Laser HL 2006D (pw)

Einschweißtiefe ts/mmP

uls

spitz

en

leis

tun

g ̂

PK/m

m

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Titan 6246

βt = 1020°C

Solution annealed: 900°C/20 min

Solution annealed: 1050°C/20 min

Time t/s -1

200

400

600

800

Tem

pe

ratu

re θ

/°C

0101 102 103 104 105100

α

α ‘‘

Ms

Cias, 1972

1000

Yield stress Rp0,2/MPa

HC

F s

tre

ng

th σ

10

7/M

Pa

Eigenschaften

Ti6246Base material

β processed

ZTU-Schaubild

Weld center linePeters et al, 2002

Schulte 2006

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Grobblechschweißen: Titan 2 (αααα)

s = 15 mmPL = 18 kWvs = 1,08 m/min

s = 10 mmPL = 13 kWvs = 1,1 m/min

Einschweißtiefe ts/mm

Strahlleistung (cw

) PL/kW

10 15 20

10

12

14

16

18

20

22

CO2-Laser

TLF 20000tInstabiler Resonator

rF= 0,4 mmF = 11

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Schweißen von nichtrostendem Stahl auf Nickelbasis

Reaktorplatten und -gehäuse

1.44042.4675 1.4404 2.4675

Zusammensetzungen in Massen%C Ni Cr Fe Mo Cu Ti Al

316L ≤0,03 12 17,5 76 2Hastelloy C2000 ≤0,12 60 20 ≤5 10 3 1,5

Spezifikation

� Materialstärke: 3 mm

� Werkstoff: 1.4541/C2000

� Anforderungen:Keine VolumenfehlerVerzug < 0.2 mm

� CO2 laserPL = 1,75 kWvs = 2.7 m/mindoppelt geschweißt

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Wirkungsgradevon Laserstrahlquellen

LP-YAG DP-YAG CO2 Diode Fibre Disk

Leistunsbereich/kW 0,5 – 4 0,2 – 8 0,3 – 20 0,2 – 6 0,2 – 30 1 - 10

EO-Wirkungsgrad/% 2,5 - 4 15 - 20 10 - 20 35 20 - 25 30

Wellenlägne/µm 1,064 1,064 10,6 0,8 – 0,95 ≈1,05 ≈1,05

3 10 10030 30010,3

5

10

25

30

35

20

15

Effi

cie

ncy

ηe-

o/1

Beam Parameter Product BPP/µm·rad

FibreDisk

CO2

DPSSL

LPSSL

HPDL

FC-HPDL

Fibremono M.

3 10 10030 30010,3

5

10

25

30

35

20

15

Effi

cie

ncy

ηe-

o/1

Beam Parameter Product BPP/µm·rad

FibreDisk

CO2

DPSSL

LPSSL

HPDL

FC-HPDL

Fibremono M.

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Kenngrößen von Fugen und Prozessen

TIG Laser Hybrid

Schachtverhältnis 0,5 >5> 5

Nahtbreite 5 mm 1,5 mm 2 mm

Max. Dicke 4 mm 25 mm 25 mm

MIG

0,5

6 mm

8 mm

Plasma

1 - 2

3 mm

12 mm

Zusatzwerkstoff ja nein jaja nein

Aerosolemission 2 mg/s 1,5 mg/s 2,2 g/s2,4 mg/s 3 mg/s

])([ 0 vmmps ahhctvQ ++−= θθδρ

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Schweißen von T-Stößen: Produktionsdaten

Autogenes LBW MAG

Zuschnitt Laserstrahlschneiden Plasmaschneiden

Nacharbeit Schnittkante n.a. Schleifen/FräsenKantenvorbereitung (Flansch, Steg) Schleifen (Steg)

Steg Schleifen Fräsen/Hobeln (Fasen)Flansch Schleifen Schleifen

Schweißen 1 Lage/Seiten 2 . . . 8 Lagen/SeitenGeschwindigkeit 1,1 m/min 1,5 m/min (mechanisiert)Leistung 5 . . . 12 kW 4 . . . 5 kW (per pass)

MaterialverbrauchZusatzwerkstoff n.a. 5 m/min (1,6 mm)Gas Helium 40l/min CO2, Argon 18 l/min

Aersolemissionsrate 1,1 . . . 1,5 mg/s 2,32 . . . 7,44 mg/sVerzug

Längsbiegung 1 . . . 6 mm 5 . . . 12 mmWinkelverzug 0,5° ±4°

Energieverbrauch 5,8 . . . 10,9 MJ/m 2,4 . . . 6,4 MJ/m

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Schweißen von T-Trägern: Vergleich 1 (Schweißen)

Laserstrahlschweißen

MAG/Roboter

0,5

1,0

Risikopotential Nachbearbeitung

EmissionenMaterial-verbrauch

Energie-verbrauch

MAG/manuell

Plasma (Stumpfstoß)

Schweißprozeß

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Schweißen von T-Trägern: Vergleich 1 (Kantenvorbereitung und Schweißen)

0,5

1,0

Schweißprozeß

Laserstrahlschweißen

MAG/Roboter

MAG/manuell

Plasma (Stumpfstoß)

Risikopotential Nachbearbeitung

EmissionenMaterial-verbrauch

Energie-verbrauch

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Herstellung von Flanschen: Produktionsdaten

Autogenes LBW WIG

Zuschnitt Laserstrahlschneiden Wasserstrahlschneiden

Bearbeitung Schnittkante n.a. n.a.Kantenvorbereitung

Nut Drehen DrehenVerschlußblech - Fräsen (Fase)

Schweißen 1 Lage 1 LageGeschwindigkeit 2,8 m/min 0,7 m/minLeistung 2,5 kW 4 kW

MaterialverbrauchZusatzwerkstoff 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/sVerzug

Axial 0,5 mm 2 mmWinkel 2° 4°

Energieverbrauch 0,743 MJ/m 1,19 MJ/m

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Herstellung von Flanschen: Vergleich (Schneiden und Schweißen

Laserstrahlschweißen

WIG

Plasma 0,5

1,0

Risikopotential Nachbearbeitung

EmissionenMaterial-verbrauch

Energie-verbrauch

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Zusammenfassung

Abgrenzung

ProzesseTiefschweißen: hohe GenauigkeitsanforderungenHybridschweißen: gute Spaltfüllung, Anpassung der Werkstoffe

Werkstoffe: geringerer Wärmeeintrag in das WerkstückStähle: höchstfeste Stähle werden schweißgeeignetAluminium, Titan und ihre LegierungenNickelbasislegierungen: verbesserte SchweißeignungMischverbindungen: Gegenstand der Forschung

Umweltwirkung

- hoher spezifischer Energieverbrauch+ geringere Materialintensität+ höhere inhärente Arbeitssicherheit