Development Consulting Education Research Ergebnisse und Wirkzusammenhänge beim Plasmaschweißen mit niederenergetischer Laserunterstützung Olaf Steinmeier Duisburg, 24. März 2015 Überblick 2 1. iLAS und LZN 2. Schweißergebnisse aus dem PiLS-Projekt 3. Analysen aus dem PiLS-Projekt 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Forschungsbedarf Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) und LZN Laser Zentrum Nord GmbH Hamburg, Germany 3 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Kernkompetenzen und Zielmärkte des LZN Forschung und industrielle Qualifikation Light Design Light Process Entwicklungskompetenzen Märkte 4 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Light Factory Light Academy Überblick 5 1. iLAS und LZN 2. Schweißergebnisse aus dem PiLS-Projekt 3. Analysen aus dem PiLS-Projekt 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Forschungsbedarf Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier PiLS-Forschungsprojekt Plasma-Hybridschweißen mit integriertem Laser und Sensorik AiF-Projekt (IGF-Nr. 16.414 B) Zeitraum 2009 – 2012 INP Greifswald und iLAS Plasmalichtbogen unterstützt von einem Laserstrahl geringer Leistung Stumpfstöße ohne Nahtvorbereitung und ohne Zusatzwerkstoff Baustahl S235 mit 2 mm und 4 mm Blechstärke einfache Sensorik zur Prozessüberwachung geringer Investitionsbedarf, KMU-tauglich 6 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Laser-Plasma-Hybridschweißanlage im LZN Prozessanordnung Plasmabrenner stechend Laser neutral oder schleppend konzentrisch auf der Werkstückoberfläche Investitionsbedarf Plasmaschweißstromquelle mit Brenner und Kühlmodul: ca. 15.000 € 300-Watt-Laser mit Optik: ca. 15.000 € Handhabungsgerät inkl. Steuerung: ca. 60.000 € Plasmastromquelle: ESS Squarearc 456 Faserlaser: IPG Photonics YLR 300-SM Nd-YAG-Laser: Rofin DY044 (alternativ) 7 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Nahtbild bei hoher Vorschubgeschwindigkeit • vS = 50 cm/min und V P = 0,7 l/min ohne Laser Nahtkategorie 5-6 mit 300 W Laserleistung Oberraupe Oberraupe Nahtwurzel Nahtwurzel Probe 110503_30 konstant: 8 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Nahtkategorie 7 Blechdicke t = 4 mm Probe 110408_25 Stromstärke I = 150 A Nahtquerschnitt bei hoher Geschwindigkeit • vS = 50 cm/min und V P = 0,7 l/min ohne Lasereinsatz mit 300 W Laserleistung Probe 110503_30 Nahtkategorie Nahtbreite Wurzelbreite Nahtüberhöhung Randkerben Wurzelrückfall Kantenversatz 9 5-6 3,83 1,11 0,61 0,56 0,86 keiner Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier mm mm mm mm mm Probe 110408_25 Nahtkategorie Nahtbreite Wurzelbreite Nahtüberhöhung Randkerben Wurzelrückfall Kantenversatz 7 4,21 1,12 0,19 0,14 0,4 keiner mm mm mm mm mm Schweißgeschwindigkeit und Nahtqualität beim Plasmaschweißen mit Laserunterstützung für 4 mm Blechdicke Bewertungsgruppe nach DIN EN ISO 5817 Nahtqualität in Kategorien 10 9 B 8 Geschwindigkeitsvorteil 60 % C 7 Plasmaschweißverfahren D Laser + Plasma Hybridschweißverfahren 6 5 25 30 35 40 45 50 Schweißgeschwindigkeit in cm/min 10 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier 55 Schweißgeschwindigkeit und Nahtqualität beim Plasmaschweißen mit Laserunterstützung für 4 mm Blechdicke Bewertungsgruppe nach DIN EN ISO 5817 Nahtqualität in Kategorien 10 9 B 8 C 7 Plasmaschweißverfahren D Laser + Plasma Hybridschweißverfahren 6 5 25 30 35 40 45 50 Schweißgeschwindigkeit in cm/min 11 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier 55 Nahtbögen mit 30° Bahnablenkung ohne Laser mit 300 W Laserleistung 30° Oberraupe Oberraupe Nahtwurzel Nahtwurzel • konstant: 12 t = 2 mm I = 150 A Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier vS = 100 cm/min V P = 0,68 l/min Nahtbögen mit 300 W Laserleistung • 60°-Bogen • V P = 0,68 l/min 90°-Bogen Oberraupe Oberraupe 19 mm Nahtwurzel konstant: 13 t = 2 mm Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier I = 150 A V P = 0,66 l/min 27 mm Nahtwurzel vS = 100 cm/min PL = 300 W Überblick 1. iLAS und LZN 2. Schweißergebnisse aus dem PiLS-Projekt 3. Analysen aus dem PiLS-Projekt 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Forschungsbedarf Laserstrahl Quelle: INP Greifswald 14 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Temperaturprofile der Plasmasäule 15000 Laser + Plasma Untersuchung einer möglichen Measurement 20 Spek 1 Spek 2 Spek 3 Spek 4 Spek 5 Spek 6 14000 T/ K 13000 12000 Wechselwirkung von Laserstrahl und Plasmalichtbogen 11000 ohne Laser 10000 hochaufgelöste spektrale Messung 9000 0 1 2 3 4 5 6 7 1 mm Abstand über dem Blech r / mm 15000 Measurement 13 13000 T/ K Plasma mit Laserunterstützung Spek 1 Spek 2 Spek 3 Spek 4 14000 220 bis 550 W Laserleistung gleiches Temperaturprofil 12000 keine Intensitätsunterschiede entlang des Laserpfades im Lichtbogen nachgewiesen 11000 10000 9000 0 1 2 3 4 5 r / mm 15 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier 6 7 Quelle: Greifswald Quelle: INPINP Greifswald Übersichtsspektren 1.0 Laser off Laser on 0.9 Intensity 0.8 Untersuchung einer möglichen Wechselwirkung von Laserstrahl und Plasmalichtbogen 0.6 0.5 0.4 mit 300 W Laserleistung 0.3 Strahlungsmessung im Lichtbogenbereich des Laserauftreffpunktes 0.1 0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 I / Iref λ / nm 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 Mangan und Natrium (korreliert mit dem Ein-/Ausschalten des Lasers) Na I 589.42 keine Eisen-Verdampfung nachgewiesen (450 bis 550 nm) 350 16 Plasma Nachweis erhöhter Anteile von Laser off Laser on Mn I 403.03 Laserstrahlung bei 1070 nm im Spektrum sichtbar 400 450 500 550 λ / nm 600 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier 650 700 Quelle: Greifswald Quelle: INPINP Greifswald Laserstrahlintensität Laserparameter Rofin DY044 Optik-Abbildung: 1:1 Schweißanwendung: Leistung: 300 W Fokuslage: + 7 mm Spotgröße: 0,97 mm Rofin DY044 bei 300 W Intensitäten von 4 · 104 W/cm2 bis 2 · 105 W/cm2 (im Fokus) IPG YLR-300SM bei 300 W Intensitäten bis 2,5 · 107 W/cm2 möglich (im Fokus), aber nicht im Schweißprozess nutzbar 17 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Vergleich der Schmelzbadtemperatur Plasma Untersuchung einer möglichen Wechselwirkung von Laserstrahl und Schmelzbad ohne Laser 1500 K 2000 K Laser + Plasma HGK-Aufnahme der Oberflächentemperatur des Schmelzbades 10 ms nach Abschalten des Lichtbogens mit Laserunterstützung 300 W Laserleistung Laserauftreffpunkt sichtbar Quelle: INP Greifswald 18 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier lokal höhere Temperaturen in der Schmelze Temperaturverteilung im Schmelzbad 2400 mit Laser ohne Laser 2000 1950 2200 100 1900 1850 1800 200 1750 1700 300 1650 1600 400 1550 1500 T/K 2000 500 200 400 600 800 1000 1800 2 000 1 950 1600 100 1 900 1 850 1 800 200 1 750 1 700 300 1 650 1 600 400 1 550 1 500 1400 500 200 0 5 10 15 20 400 600 25 800 1000 30 Untersuchung einer möglichen Wechselwirkung von Laserstrahl und Schmelzbad Vergleich der Temperaturverteilung entlang einer Schnittlinie in der Schmelze Quelle: INP Greifswald x / mm mit 300 W Laserunterstützung Steigerung des Oberflächentemperaturgradienten im Schmelzbad hohe Temperatur im Laserauftreffpunkt (auch auf der Blechunterseite) 19 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Strömungsänderung bei Laserzuschaltung Quelle: INP Greifswald 20 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Vergleich der Strömungen im Schmelzbad Plasma ohne Laser Verwerfungen am Kraterrand Prozess empfindlich gegenüber Störungen Laser + Plasma mit 300 W Laser ruhigeres Schmelzbad höhere Schweißgeschwindigkeit Ablenkung der Schweißbahn möglich Quelle: INP Greifswald 21 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Überblick Quelle: Zaha Hadid 22 1. iLAS und LZN 2. Schweißergebnisse aus dem PiLSProjekt 3. Analysen aus dem PiLS-Projekt 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Forschungsbedarf Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Zusammenfassung der Ergebnisse 300 W Laserleistung bewirken beim Plasma-Laser-Hybridschweißen … Steigerung der Schweißgeschwindigkeit um bis zu 60% Verbesserung von Nahtqualität und Spaltüberbrückbarkeit Prozess insgesamt weniger sensibel und störanfällig Begünstigung des Stichlocheffektes ortstolerantes Hochleistungsschweißverfahren, das infolge relativ geringen Investitionsbedarfs insbesondere für KMU interessant ist Plasma keine Absorption der Laserstrahlung im Plasma keine Verdampfung von Fe-Bestandteilen des Werkstückes lokal höhere Temperaturen und Temperaturgradienten im Schmelzbad Plasma-Laser 23 veränderte Schmelzbadströmung Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Forschungsvorhaben und -bedarf Anwendung des Plasma-Laser-Schweißverfahrens verzugsarme 3D-Bearbeitung für den Schiffbau Fertigungssystementwicklung zur flexibel automatisierten Bearbeitung Hybridschweißkopf mit minimaler Störkontur infolge relativ geringer Laserleistung Portallösung mit integrierter Bauteillageerkennung, Prozessüberwachung und Nahtqualitätskontrolle Grundlagen des Plasma-Laser-Schweißverfahrens genauere Analyse der Temperaturverteilung im Schmelzbad Untersuchung der Laserstrahleinwirkung auf die Viskosität der Schmelze Untersuchung der Laserstrahleinwirkung auf die Oberflächenspannung des Schmelzbades Quelle: INP Greifswald 24 Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Olaf Steinmeier 25 Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der TUHH LZN Laser Zentrum Nord GmbH Denickestr. 17 Am Schleusengraben 14 D-21073 Hamburg D-21029 Hamburg [email protected] [email protected] Lichtbogenkolloquium Duisburg, 24. März 2015 − Olaf Steinmeier
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