Das nachfolgend beschriebene Teilvorhaben ist Bestandteil des Forschungsprojekts RoboLaSS.

Ausgangssituation

Rund 15 % beträgt der Anteil deutscher Hersteller am weltweiten Umsatz von Lasersysteme für die Produktionstechnik im Jahr 2010 - Tendenz steigend (Optech Consulting 2007). Dabei entfallen mehr als 50 % dieser Erlöse auf die Verfahren Schweißen und Schneiden.
Zu dieser Entwicklung haben vor allem moderne Festkörper-Laserstrahlquellen beigetragen, welche eine Reihe von Vorteilen für die Anwender mit sich bringen. Zu diesen zählen unter anderem die hohe Strahlqualität, nicht nur für Single-Mode-Systeme, der im Vergleich zu CO2-Laserstrahlquellen höhere Wirkungsgrad bei der Strahlungserzeugung und die einfache Strahlführung mit Hilfe von flexiblen Lichtleitfasern.
Die Verbindung von ständig steigender Ausgangsleistung und Strahlqualität ermöglicht die starke Fokussierung der Strahlung über Distanzen größer 300 mm. Wird die Bearbeitungsoptik in größerer Entfernung zum Bauteil geführt, spricht man von Remote-Bearbeitung. Diese technische Neuerung trägt einerseits zur Verringerung der Bearbeitungszeiten bei, da kleine Rotationsbewegungen der Optik, große Verschiebungen des Brennflecks auf dem Bauteil zur Folge haben, wodurch Nebenzeiten zum Neupositionieren des Laserstrahls nahezu eliminiert werden. Andererseits werden Kavitäten und Hohlräume zugänglich, die beim konventionellen Laserstrahlschweißen oder -schneiden Störkonturen darstellen und deshalb nicht bearbeitet werden können. Ein weiterer Schritt in Richtung Flexibilisierung der Remote-Lasermaterialbearbeitung ist der Einsatz von hochdynamischen Scanneroptiken. In einer solchen Bearbeitungsoptik wird der Laserstrahl über rotatorisch gelagerte und elektrisch angetriebene Spiegelsysteme abgelenkt, wodurch eine besonders schnelle Positionierung und Verschiebung auf dem Bauteil stattfindet. Die Möglichkeiten durch die hier genannten systemtechnischen Neuerungen sind bis heute unzureichend erforscht, weshalb das iwb im Rahmen des Projektes RoboLaSS das scannerbasierte Remote-Laserstrahlschweißen grundlegend untersucht.

Abbildung 1: Versuchseinrichtung für das scannerbasierte Remote-Laserstrahlschweißen

Zielsetzung

Im Rahmen des Projektes soll zum einen der Schweißprozess an sich untersucht werden. Hierbei steht vor allem ein Vergleich der Prozesscharakteristik beim Schweißen mit unterschiedlichen Strahlungsarten, nämlich Multi-Mode- und Single-Mode-Strahlung im Vordergrund. Hierzu werden unterschiedliche Prozessführungsstrategien erprobt und Vor- sowie Nachteile in Hinblick auf unterschiedliche Anwendungsfälle werden ermittelt. Zum Anderen wird das Schweißen schwer schmelzschweißbarer und beschichteter Werkstoffe erprobt, um das Anwendungsspektrum des Strahlwerkzeugs Laser zu erweitern. Außerdem ist es Ziel des Projektes das Schweißen und Schneiden mit Single-Mode-Strahlung in einer Fertigungsstation zu vereinen und mit einer Bearbeitungsoptik durchzuführen, um die große Flexibilität der Remote-Lasermaterialbearbeitung zu demonstrieren.

Vorgehensweise und Ergebnisse

Um die genannten Ziele zu erreichen, werden umfassende Prozessuntersuchungen zum Remote-Laserstrahlschweißen am iwb durchgeführt. Mit Hilfe dieser Untersuchungen wird ein breiteres Verständnis für die Mechanismen beim Tiefschweißen mit hohen Leistungsdichten und variierenden Einstrahlwinkeln erarbeitet.

Es werden die Effekte unterschiedlicher Einflussgrößen, wie Laserstrahlleistung, Fokusdurchmesser und Schweißgeschwindigkeit auf die Prozessdynamik, die Ausbildung der Schweißnaht und deren Festigkeit experimentell mit Hilfe statistischer Methoden ermittelt und die Grenzen des Remote-Laserstrahlschweißens mit hochbrillanten Strahlquellen werden aufgezeigt. Hierzu stehen eine 8-kW-Multi-Moden- sowie eine 3-kW-Single-Mode-Strahlquelle zur Verfügung. Des Weiteren werden neuartige Prozessstrategien zum scannerbasierten Schweißen mit stark fokussierbarer Single-Mode-Laserstrahlung erprobt. Hierzu zählen beispielsweise die Überlagerung einer hochfrequenten Strahloszillation oder die Laserperforation verzinkter Stahlwerkstoffe vor dem Schweißen eines Überlappstoßes. Die dabei entstandenen Erkenntnisse münden in einer Sammlung von Anforderungen an eine Scanneroptik zur kombinierten Schweiß- und Schneidbearbeitung, welche im Rahmen des Projektes entwickelt, gebaut und getestet werden soll. Zuletzt werden Ergebnisse aus den Untersuchungen zum Remote-Laserstrahlschweißen und -schneiden zusammen mit den Projektpartnern an industriellen Demonstratoren umgesetzt.

Abbildung 3: Variabel einstellbare Nahtgeometrie durch Überlagerung einer Strahloszillation beim Schweißen mit einem Single-Mode-Faserlaser

Status

laufend

Laufzeit

07/2010-06/2013

Letzte Aktualisierung

16.04.2012

Förderer

BMBF, VDI Technologiezentrum

 Videos

Remote-Laserstrahlschweißen "on-the-fly"
Remote-Laserstrahlschweißen von Strukturbauteilen

Downloads

• RoboLaSS: Remote-Laserstrahlschweißen