Schnell dicke Bleche schweißen

Wissenschaftler der Gruppe Fügen und Trennen von Metallen am LZH haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Aluminium­bleche mit einer Dicke von bis zu zwölf Milli­metern einseitig fehlerfrei schweißen lassen. Dafür kombinieren sie einen Laser­strahl mit zwei Metall­schutzgas (MSG) -Brennern. Ein Scanner­spiegel ermöglicht eine Pendelbewegung des Laser­strahls quer oder längs zur Vorschub­richtung. Das Füge­verfahren erreicht Vorschubgeschwindigkeiten von 5 m/min bis 6 m/min. Mit dem Prozess lassen sich Spalt­breiten von bis zu 0,4 mm und Kantenversätze von bis zu 2 mm überbrücken. Im Bereich der Stahl­werk­stoffe können die Ingenieure Bleche bis zu einer Dicke von 23 mm mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/min einlagig schweißen.

Das neuartige Verfahren ist nicht nur extrem schnell: Im Vergleich zur herkömmlichen Methode, mit mehrlagigen Licht­bogen­prozessen, ist die Schweiß­naht­geometrie sehr schmal und der Verbrauch an Zusatz­werkstoff wesentlich geringer. Dabei ist die Qualität der Schweißnaht sehr gut: Die Verbindungen an Blechen der Aluminium­legierung EN AW6082T6 mit einer Dicke von 12 mm erreichen die höchste Bewertungs­gruppe B für Schweiß­naht­unregel­mäßig­keiten nach DIN EN ISO 12932 und DIN EN ISO 139192.

Im Vergleich zu konventionellen Verfahren ist ein weiterer Vorteil des kombinierten Prozesses, eine geringere Wärme­einbringung und damit ein geringer Bauteil­verzug. Für den Hybrid­schweiß­prozess wird ein Fest­körper­scheiben­laser mit einer Ausgangs­leistung von 16 kW eingesetzt.

Um ein Stahl­blech mit einer Dicke von 30 mm zu fügen, sind beim konventionellen Schutz­gas­schweißen eine Heft­naht und etwa sechs Füll­lagen notwendig. Beim Hybrid­prozess reichen dagegen zwei bis drei Lagen aus. Die erste Lage wird mittels Laser­strahl-MSG-Hybrid­schweißen erzeugt. Sie ersetzt die Heftlage sowie die ersten vier Lagen der herkömmlichen Licht­bogen­prozesse. Anschließend werden in der Gegen­lage eine oder zwei Füll­lagen mittels MSG geschweißt. So lässt sich mit dem Hybrid­schweiß­prozess ein Bauteil mit einer Länge von 1,5 Metern innerhalb von einer Minute schweißen, wohingegen der konven­tionelle Prozess zwölf Minuten benötigt.

Grundlegende Vorteile beim Hybridschweißen sind auftretende Synergieeffekte zwischen dem Lichtbogen des MSG-Brenners und dem Laserstrahl. Beim kombinierten Prozess wird der Laserstrahl in die Schmelze des Zusatzwerkstoffes des MSG-Prozesses eingekoppelt: Der Zusatz­werk­stoff wird durch den Lichtbogen aufgeschmolzen, absorbiert im schmelzflüssigen Zustand die Energie des Laserstrahls und überträgt diese in die Fügezone zwischen den Blechen. Laserstrahl- und Licht­bogen­prozess stabilisieren sich dabei gegenseitig und ermöglichen so für Lichtbogenprozesse verhältnismäßig hohe Schweißgeschwindigkeiten bei hohen Spaltenbreiten.

LZH / CT