Hybridschweißen als Kopplung von CO2-Hochleistungslasern mit Lichtbogenschweißverfahren

Die Kopplung des Laserstrahis mit dem Lichtbogen zu einem Hybridschweißprozeß ermöglicht eine flexiblere und verbesserte Anpassung des Schweißprozesses an fertigungstechnische und werkstoffbezogene Gegebenheiten als das Laserstrahlschweißverfahren alleine. Der Einsatz eines Schweißlichtbogens zusammen mit dem Laserstrahl bringt zusätzliche Energie in den Schweißprozeß ein und erzeugt vergrößerte Schmelzbäder, die zu einer größeren Toleranz gegenüber Fügespalten in der Nahtvorbereitung führen. Gleichzeitig reduziert sich aufgrund geringerer Abkühlgeschwindigkeit die Härte in der Schweißnaht und der WEZ. Die Schweißnähte können nach den für die Lichtbogenschweißverfahren festgelegten Kriterien beurteilt werden. Werden Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Drahtelektrode eingesetzt, geht der Schweißzusatzwerkstoff bereits schmelzflüssig in den Schweißprozeß über und muß nicht, wie bei kalt zugeführtem Zusatzdraht, durch den Laserstrahl aufgeschmolzen werden. Die Lichtbogenenergie kann daher zum Teil in höhere Schweißgeschwindigkeit umgesetzt werden. Eine Aufrüstung bestehender Laserstrahlanlagen mit einem Lichtbogenschweißverfahren ist in vielen Fällen problemlos und mit geringen Investitionskosten möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nach der Aufbereitung des Standes der Technik das Hybridschweißen mit dem CO2-Laser und drei verschiedenen Lichtbogenschweißverfahren untersucht. Bei dem CO2-Laser-WIG-Hybridschweißverfahren wurden nach der Untersuchung der Wechselwirkungen von Laserstrahl und Lichtbogen Versuche zur optimierten Anordnung beider Energiequellen zueinander durchgeführt. Das Verfahren eignet sich besonders zur Fertigung von längsnahtgeschweißten Rohren und Hohlprofilen aus hochlegierten Stahlwerkstoffen und zur Herstellung von Tailored Blanks. An hybridgeschweißten Tailored Blanks wurden erste Umformversuche durchgeführt. Zur Zündung des WIG-Lichtbogens wird ein berührungslos und ohne Hochspannung arbeitendes Zündverfahren vorgestellt. Bei der Kopplung des CO2-Lasers mit dem MSG-Schweißverfahren wurden ebenfalls die Wechselwirkungen des Lasers mit dem Lichtbogen untersucht. Für den Lichtbogenschweißprozeß wurde eine Klassifikation des Werkstoffübergangs nach IIW vorgenommen. Nachfolgende Untersuchungen wurden mit vier verschiedenen Zusatzdrähten, sechs unterschiedlichen Gasmischungen und fünf Nahtvorbereitungen durchgeführt. Dabei wurden die Streckenenergien sowohl über die Laserleistung als auch über die Lichtbogenleistung variiert. Nach Optimierung aller Parameter wurden Proben an zwei Feinkornbaustählen für mechanisch-technologische Untersuchungen hergestellt und die Prüfergebnisse beurteilt (Härte der Schweißnähte, Zug- und Kerbschlagbiegeversuche). Anschließend wurde das Verfahren an einem Großbauteil aus der industriellen Praxis eingesetzt. Als drittes Lichtbogenverfahren wurde zusätzlich zum Laserstrahl das Metallichtbogenschweißverfahren mit selbstschützenden Fülldrähten (MF) für erste Schweißversuche eingesetzt. Das MF-Schweißverfahren benötigt kein Schutzgas. Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahlschweißprozeß und dem MF-Schweißprozeß konnten nicht nachgewiesen werden. Nach den ersten vielversprechenden Ergebnissen muß die Einsatztauglichkeit des CO2-Laser-MF-Hybridverfahrens für die industrielle Praxis in weiteren Untersuchungen mit zugelassenen Schweißzusatzwerkstoffen noch nachgewiesen werden.