Hybridschweißen Laser- und Tandem-Schweißen im Duett erhöhen die Fügegeschwindigkeit

Ein zusätzlicher Lichtbogen macht den Unterschied zum klassischen Laser-Hybridschweißen aus. Beim Laser-Tandem-Schweißen wirken außer dem Laserstrahl gleich zwei MSG-Lichtbögen auf das Schmelzbad ein. Die drei Schweißbrenner wurden dabei in einen kompakten Schweißkopf integriert.

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Einerseits stehen die thermischen Fügetechniken Laser und Lichtbogen im Wettbewerb. Andererseits führt ihre Kombination zu innovativen Synergieeffekten. Als neue Einheit kann dieser sogenannte Hybridprozess dann deutlich mehr leisten, als es die einzelnen Verfahren vermögen.

Das gilt sowohl unter technischen wie wirtschaftlichen Aspekten. Auf der Fachmesse Schweißen & Schneiden im Jahr 2001 stellte Fronius das erste praxisgerechte und wirtschaftliche Laser-MSG-Hybrid-Schweißsystem vor.

Inzwischen arbeiten weltweit 65 solcher Anlagen, vorwiegend in der Serienfertigung der Automobilindustrie. Dort fügen sie Achsen, Türen sowie Dachrahmen aus Aluminium und Stahl bis 4 mm Dicke.

Jetzt werden die Kundenwünsche nach noch leistungsstärkeren Systemen realisiert. Im Jahr 2009 will Fronius zur Schweißen & Schneiden die Kombination aus Laser und zwei Lichtbögen (Tandem), integriert in einem Schweißkopf, präsentieren. Das System zum Hochleistungsschweißen soll dann praxiserprobt und marktreif sein.

Vorzüge aus Laserschweißen und Tandemschweißen in einem Schweißverfahren

Die gelungene Synthese aus Laser- und MSG- (Metall-Schutz-Gas)-Tandem-Schweißen verbindet die Vorzüge beider Verfahren. Die Basis für die Anwendungsvielfalt sowie die differenzierten Vorteile resultieren aus dem gemeinsamen Schweißkopf und dem gleichzeitigen Wirken von Laserstrahl und zwei MSG-Lichtbögen in das Schmelzbad.

Die ersten Versuche, die Vorteile des Laser- und des Lichbogen-Metall-Schutzgas-Schweißens in einem Arbeitsprozess zu vereinen, reichen weit in die 80er Jahre zurück. Sie bewegten sich aber nahezu 20 Jahre nur im experimentellen Raum.

Bei diesem Hybridverfahren wirken der fokussierte Laserstrahl und der Lichtbogen gemeinsam an der Fügestelle. Mit hoher Energiedichte dringt der Laserstrahl tief in den Werkstoff ein. Das MSG-Schweißsystem bildet einen breiteren Brennfleck aus und befördert gleichzeitig den Schweißzusatzwerkstoff in das Schmelzbad.

Die Kombination vereint die Vorteile des Laserprozesses – hohe Schweißgeschwindigkeit, kleine Wärmeeinflusszone, tiefer Einbrand – mit denen des MSG-Schweißens – gute Überbrückung des Bauteilspalts, höhere Nahtfestigkeit und die Möglichkeit, das Gefüge der Schweißnaht mit dem Zusatzwerkstoff gezielt zu beeinflussen.

Laserhybrid-Schweißverfahren immer weiter verbessert

Nach den positiven Praxiserfahrungen mit Laserhybrid wünschten sich die Anwender Leistungssteigerungen hinsichtlich der zu fügenden Materialdicke, der Abschmelzraten und Fügegeschwindigkeiten. Aus den Verfahrensanalysen und Anwendungsbewertungen der Fronius-Entwickler ging die Kombination eines Schweißlasers mit dem MSG-Tandem-Prozess als beste Lösung hervor.

Die vorrangige Entwicklungsaufgabe bestand darin, die zwei Verfahren sowie die daraus resultierenden drei Schweißbrenner in einem möglichst kompakten Schweißkopf zu integrieren. Denn die Achse von Laserstrahl und Lichtbögen soll so eng wie technisch möglich zueinander liegen (Bild 1).

Nur dies gewährleistet eine hohe Praxistauglichkeit. Außer den schweißtechnischen Ergebnissen bezieht sich dies vor allem auf die Größe des Schweißkopfes und damit seine Bewegungsmöglichkeiten sowie die Zugänglichkeit am Bauteil.

Laser legt Nahtwurzel, MSG-Brenner füllt die Schweißnaht

Verfahrenstechnisch betrachtet legt der Laser die tiefe Nahtwurzel und das nacheilende MSG-Brenner-Paar mit zwei Zusatzdrähten füllt die Schweißnaht mit hoher Abschmelzleistung. Mit diesem Hochleistungs-Schweißprozess lassen sich in einer Lage zum Beispiel Stahlbleche bis zu 8 mm Dicke mit hoher Geschwindigkeit fügen. Davon profitieren Branchen wie der Anlagen-, Behälter-, Maschinen-, Stahl- und Schienenfahrzeugbau beim Fügen von Baustählen, ferritischen/austenitischen Chrom-Nickel-Stählen und Duplex-Stählen (Bild 2).

Im neuen Schweißkopf vereint das Laser-Tandemschweißen die Vorteile der bisher eigenständigen Verfahren. Eine ebenso neue Software koordiniert und steuert während des Schweißprozesses alle Parameter.

Eine Triebfeder für die Entwicklungsingenieure waren die zu erwartenden vielfältigen Anwendungen des neuen Kopfes in der Praxis. Erweitert er doch die Möglichkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Laser-/MSG-Kombisystemen auf fünf Schweißverfahren:

• Laser alleine,
• Laser mit „heißem“ Zusatzdraht zum Löten oder Schweißen,
• Laser mit MSG-Einzeldraht,
• Laser mit MSG-Doppeldraht (Tandem) und
• MSG-Schweißen mit einem oder zwei Drähten.

Abschmelzleistung bestimmt nicht mehr die Wirtschaftlichkeit beim Schweißen

Aufhorchen sollten auch die Kostenrechner in den Unternehmen: In Zukunft ist nicht mehr die Abschmelzleistung die dominante Größe des Schweißprozesses. Vielmehr werden durch neue Nahtgeometrien und Werkstoffe sowie Werkstoffkombinationen die Schweißgeschwindigkeit und die gefügte Nahtlänge pro Zeiteinheit, zum Beispiel in Metern pro Stunde, zur Messlatte der Wirtschaftlichkeit.

Im Vergleich zu seinen Vorläufern bietet das Verfahren eine deutlich höhere Produktivität. Sie speist sich aus mehreren Quellen.

Bezogen auf die Gesamtleistung sinken im Vergleich zum reinen Laserprozess die Investitionskosten deutlich. Im Vergleich zum MSG-Tandemschweißen reduzieren sich die Betriebskosten für Schutzgas und Schweißzusatzwerkstoff markant. Bezogen auf die Nahtlänge gilt das gleiche für den Personalaufwand. Zudem wird mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten gefügt.

Geringerer Aufwand für die Schweißnahtvorbereitung

Die Metallurgie der Schweißnaht ist über den Schweiß-Zusatzwerkstoff hervorragend einstellbar. So lässt sich beispielsweise eine Zähigkeit erreichen, wie sie sonst nur der MSG-Prozess liefert, das heißt die Kaltrisssicherheit steigt deutlich.

Dazu trägt das gute Ausfließen des Schmelzbades bei. Auch die größere Toleranz gegenüber Bauteilspalten zeichnet die Verfahrenskombination aus – was den sonst üblichen Aufwand beim alleinigen Laserfügen für die Schweißnahtvorbereitung stark reduziert.

Die Wärmeeinbringung in das Bauteil fällt im Vergleich zum MSG-Schweißen geringer aus. Damit reduzieren sich der Verzug und somit kostspielige Richtarbeiten.

Hybrid-Schweißverfahren erlaubt Kehlnaht mit geringerem Nahtvolumen

Im Fall einer Kehlnaht kennzeichnet dies bei gleichen Festigkeitsanforderungen das geringere Nahtvolumen. Denn statt die Schweißnaht auf den beiden Flankenoberflächen aufzubauen, liegt sie dank des Lasers tiefer in den gefügten Flanken. Statt eines a-Maßes von 4 mm auf den Flanken reichen 2 mm bei der teilweise in den Blechen liegenden Naht (Bild 3). Geringerer Verzug wegen dieses Effekts bedeutet auch passgenauere Bauteile.

Im direkten Vergleich zwischen Laser-Tandem- und Laser-Hybrid-Verfahren mit einem Lichtbogen sprechen die Zahlen eindeutig für die Tandem-Version:

• 25% höhere Spaltüberbrückung,
• 50 bis 100% höhere Geschwindigkeit und
• 50% höheres Nahtvolumen bei gleicher Geschwindigkeit.

In einer für den Maschinenbau typischen Anwendung – Kehlnaht am Überlappstoß an zwei jeweils 2 mm dicken Blechen – wird der perfekte Einbrand des Schweißverfahrens deutlich. Der fokussierte Laserstrahl erzeugt die mustergültige Nahtwurzel, das MSG-Tandem die optimale Decklage mit ebensolchem seitlichen Einbrand. Das Ergebnis demonstriert ein Schliff (Bild 4).

Eine Tandem-Schweißanlage ersetzt vier Stationen

Neben umfangreichen Versuchsreihen im Schweißlabor belegen auch die Berechnungen der Fronius-Entwickler die Wirtschaftlichkeit des Laser-Tandem: Allein der hohe Materialpreis, zum Beispiel für G3Si1-Zusatzwerkstoff, kann die Investition in ein Laser-Tandem-System in fünf bis zehn Jahren kompensieren.

Gravierende Beschleunigung erfährt die Amortisation durch die zusätzlichen Anwendungsvorteile. So wird zum Beispiel ein Druckbehälter (Bild 5) bisher auf vier Stationen mit dem MSG-Eindrahtverfahren gefügt. Mit dem Laser-Tandem genügt dagegen eine Schweißstation. Statt vier parallel arbeitender reiner MSG-Anlagen kann dementsprechend zukünftig eine Laser-Tandem-Anlage die Behälter schweißen.

Bereits die um 75% reduzierte Produktionsfläche würde die Kosten weiter erheblich senken. Hinzu kommen die Auswirkungen der Personaleinsparung von vier auf einen Bediener.

Amortisationszeit einer Tandem-Schweißanlage unter zwei Jahren

Die Gesamtbetrachtung mit allen fixen und variablen Kosten führt dann zu einer Amortisationszeit von weniger als zwei Jahren. Einen Vergleich zwischen MSG-Tandem und Laser-Tandem – allerdings ohne Berücksichtigung der bei Laser-Tandem praktisch halbierten Raumkosten – zeigt Bild 6.

Nachdem das Projekt dem Entwicklungslabor entwachsen ist, hat es nun im Anwendungstechnikum Einzug gehalten. Das Arbeitsprogramm bis zur offiziellen Präsentation auf der Fachmesse Schweißen & Schneiden im September 2009 sieht das Fügen geeigneter Praxisanwendungen, das Optimieren der dazugehörigen Schweißdaten sowie von Prozess und Anlage vor.

Generell werden Laser-Hybrid- und Laser-Tandem-Systeme künftig hinsichtlich der Investition des Lasergerätes interessanter. Denn aufgrund der gestiegenen Wirkungsgrade der Laser und neuer Faser- sowie Scheibenlaser verringern sich die Anschaffungskosten um 20 bis 30%.

Gerd Trommer ist Inhaber des rgt Redaktionsbüros in 64579 Gernsheim, Dr. Herbert Staufer ist Projektleiter Forschung und Entwicklung bei der Fronius International GmbH, A-4600 Wels-Thalheim.

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