Laserschweißen wird den Stahlbau revolutionieren
Energie- und Ressourceneffizienz werden immer wichtiger und seit kurzem entwickelt das Fraunhofer-Institut für Werkstoffe und Strahltechnik IWS gemeinsam mit seinen Partnern eine Alternative zu herkömmlichen Stahlkonstruktionen, die auch Basishardware und Lasersicherheit beinhaltet. Die Lösung ermöglicht eine schonendere Verarbeitung hochfester Materialien und reduziert den Energieverbrauch und die Kosten erheblich, während die Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren kann der Energieaufwand für Bauteile um bis zu 80% reduziert werden. Darüber hinaus entfällt das nachträgliche Richten des Bauteils vollständig aus dem Prozess. Das innovative Schweißverfahren wird voraussichtlich auf der Hannover Messe Preview 2022 vorgestellt.
Viele technische Strukturen sind in irgendeiner Form von Stahl gebaut. Ob Containerschiff, Schienenfahrzeug, Brücke oder Windkraftturm, in diesen Bauwerken können sich hunderte Meter Schweißnähte befinden. Werden daher herkömmliche industrielle Verfahren wie das Metallbetätigungsgasschweißen oder das Unterpulverschweißen eingesetzt, ergeben sich auf die eine oder andere Weise Probleme: Aufgrund der geringen Festigkeit des Lichtbogens wird der größte Teil der verbrauchten Energie nicht tatsächlich im Schweißprozess verbraucht, sondern geht in Form von Wärme an das Bauteil verloren. Die Energie, die für die Nachbearbeitung benötigt wird, ähnelt in der Regel der Energie, die für den Schweißprozess selbst benötigt wird. "Diese energieintensiven Prozesse können schwere thermische Schäden am Material verursachen und zu einer starken Verformung der Struktur führen, was später sehr teure Richtarbeiten erfordert." Dr. Dirk Dittrich, Leiter der Fraunhofer-IWS-Gruppe Laserstrahlschweißen, betont.
Der Laserstrahl wird an der Verbindung zwischen den beiden zu schweißenden Plattenkanten positioniert und das Zusatzmetall wird davor eingelegt, ein Prozess, der eine hochwertige Schweißnaht erzeugt.
Leistungsstarkes Laserschweißverfahren
Eine Forschergruppe um Dr. Dittrich hat im Rahmen des Projekts "VE-MES - Energy Efficient and Low Distortion Laser Multipass Narrow Gap Welding" gemeinsam mit Industriepartnern eine energieeffiziente Alternative entwickelt. Das Laser-Mehrpass-Schmalspaltschweißen verwendet einen kommerziell erhältlichen Hochleistungslaser und unterscheidet sich von herkömmlichen Verfahren durch seine reduzierte Schichtenzahl und sein deutlich kleineres Schweißnahtvolumen. In seinem Bericht verweist Dr. Dittrich auf die wesentlichen Vorteile des Schweißverfahrens.
"Je nach Bauteil können wir den Energieeintrag in das Bauteil beim Schweißen um bis zu 80 % reduzieren und den Füllstoffverbrauch um bis zu 85 % im Vergleich zu herkömmlichen Lichtbogenverfahren reduzieren", berichtete Dr. Dittrich. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, ein Richtverfahren für die untersuchten Teile durchzuführen. Dadurch können wir Produktionszeiten und -kosten reduzieren, hochfesten Stahl verarbeiten und die CO2-Bilanz entlang der gesamten Produktionskette deutlich verbessern. Angesichts der Vielzahl von Stahlkonstruktionen, die in Deutschland und weltweit gebaut werden, könnte sich dies als sehr vorteilhaft erweisen." Denn die hohe Intensität des Laserstrahls sorgt dafür, dass der Energieeintrag am Schweißpunkt hoch konzentriert ist, während die Umgebung des Bauteils relativ kühl bleibt. "Auch die Schweißzeit reduziert sich um 50 bis 70 Prozent", sagt Dittrich.
Auch in der Schweißqualität zeichnet sich das neue Verfahren aus – die Schweißnaht ist deutlich dünner und die Kanten sind nahezu parallel, während bei herkömmlichen Schweißverfahren die Naht V-förmig ist. "Wenn das Laserschweißen im Stahlbauprozess zum Einsatz kommt, wird es für das mittelständische deutsche Unternehmen zum Alleinstellungsmerkmal und stärkt seine Marktposition im internationalen Wettbewerb", ist sich Dittrich sicher. "Wir bieten der Industrie eine effiziente Form der Schweißtechnik, die durch ihre kostengünstige Anwendung und ressourcenschonende Produktionsprozesse den Stahlbau revolutionieren wird.
Querschnitte von Schweißverbindungen und T-Verbindungen, die mit Laser-MPNG hergestellt werden: hervorragende Schweißnähte garantiert bei deutlich reduzierten Kosten und Ressourcenverbrauch.
Praxisstudie: Stahlträger für den Indoor-Kranbau
Die Forscher des Fraunhofer IWS demonstrierten die Leistungsfähigkeit ihrer Neuentwicklung anhand praktischer Beispiele des Indoor-Kranbaus. Sie setzten die neue Schweißtechnik mit spezieller Systemtechnik und integriertem Strahlschutzkonzept ein. Die experimentelle Auslegung des vier Meter langen Rechteckprofils der Hallenkranstrecke entspricht vergleichbaren Konstruktions- und Fertigungsrichtlinien für konventionelle Fertigungskomponenten. Es wurden typische Anwendungsschweißnähte hergestellt: Stumpfverbindungen auf einer 30-mm-Platte und vollständig verbundene T-Verbindungen (15-mm-Platte).
Für eine ein Meter lange Schweißnaht können die Kosten für eine Platte mit einer Dicke von 30 mm im Vergleich zum Unterpulverschweißen einschließlich des anschließenden Richtprozesses um bis zu 50% gesenkt werden. Für dünne Bleche mit einer Dicke von weniger als 20 mm wird häufig auch das metallaktivierte Gasschweißverfahren verwendet, und die potenziellen Kosteneinsparungen sind mit bis zu 80% noch höher. Für große Unternehmen können allein durch das Schweißen von Zusatzwerkstoffen Einsparungen von mehr als 100.000 € pro Jahr erzielt werden. Darüber hinaus bietet die verwendete Laserstrahlquelle aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades (ca. 50%) und der guten Prozesseffizienz (80% Reduzierung des Energieeintrags) ein großes Potenzial, steigende Energiekosten zu stoppen. Mit diesem Nachweis der praktischen Anwendbarkeit kann das Verfahren nun auf andere Anwendungen ausgeweitet werden.
Die IWS-Forscher demonstrierten anhand einer Indoor-Kranstrecke aus Baustahl S355J2 (4 x 0,75 x 0,5 m), dass ihr entwickeltes Laser-MPNG-Schweißverfahren die Energiekosten im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren um bis zu 80% und den Füllstoffverbrauch um bis zu 85% senken kann.
Das Prinzip des Laser-Mehrpass-Schmalspaltschweißens (MPNG)
Während das Zusatzmetall zugegeben wird, wird der Laser an der Verbindung zwischen den Kanten der beiden zu schweißenden Bleche positioniert. Die Energie des Laserstrahls schmilzt die Kanten des Werkstücks und des Zusatzwerkstoffs auf dem Draht, der dann den Spalt zwischen den beiden Teilen füllt und eine hochwertige Schweißnaht erzeugt. Mit diesem Verfahren lassen sich typische Verbindungskonfigurationen im Stahlbau schweißen. Die Kanten der Platten sind plasmageschnitten und die Verbindungen weisen teilweise bis zu 2 mm breite Spalten auf, die durch das Laserschweißverfahren zuverlässig überbrückt werden können. Beim Schweißen von Bahnen (T-Verbindungen) oder Stumpfverbindungen sorgt der Prozess dafür, dass die Verbindung vollständig ist, d.h. dass die beiden Teile über die gesamte Kontaktfläche verbunden sind. Im konventionellen Stahlbau ist dies eine technische Einschränkung, insbesondere beim Einsatz von T-Fugen.
