Strahltechnik

Dr.-Ing. Sebastian Müller & Dipl.-Ing. J. Hensel

In den vergangenen Jahren hat sich die Strahlschweißtechnik erheblich weiterentwickelt und zunehmend an industrieller Bedeutung gewonnen. Zugleich sind aber auch die Anforderungen der Industrie an die moderne Strahlschweißtechnik und deren Qualität der Anwendungen stetig gestiegen. Durch Schweißnahttiefen von wenigen Mikrometer bis über 200 mm existiert ein unerreicht großes Anwendungsspektrum dieser Verfahren.

Das thermische Werkzeug der Strahltechnik ist der berührungslos wirkende Laser- oder Elektronenstrahl. Beide Verfahren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte des Strahls im Fokuspunkt sowie die dadurch im Werkstück entstehende Dampfkapillare aus. Aufgrund der bei einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Strahl einsetzenden Umströmung der Dampfkapillare mit flüssiger Schmelze entwickelt sich der Tiefschweißeffekt. Dies führt zu einem Verhältnis von Schweißnahttiefe zu Nahtbreite von bis zu 40:1, die das charakteristische Verfahrensmerkmal der strahltechnischen Schweißverfahren im Vergleich zu konventionellen Schmelzschweißverfahren darstellt.

Der Elektronenstrahl bietet eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten. Dazu zählen nicht nur das Schweißen metallischer Werkstoffe, sondern auch die Oberflächenbehandlung sowie das Elektronenstrahlbohren. Das EB-Schweißen zeichnet sich dabei durch besonders schlanke und zugleich tiefe Nähte sowie eine hohe Reproduzierbarkeit der Schweißungen aus. Das Fügen unzähliger Werkstoffkombinationen ist mit diesem Verfahren möglich. Beim Schweißen reaktiver Metalle dient das Vakuum dabei als ideale Schutzgasatmosphäre. Durch die nahezu unbegrenzten Ablenkmöglichkeiten und extrem hohen Ablenkgeschwindigkeiten des Elektronenstrahls ist ein „gleichzeitiges“ Arbeiten an mehreren Stellen eines Werkstücks möglich. Dies kann beispielsweise als eine prozessintegrierte Wärmebehandlung bei aufhärtungsempfindlichen Werkstoffen, zur Verzugsminimierung durch eine optimierte Nahtfolge oder zur Reduzierung der Porengehalte beim Schweißen von Bauteilen aus Aluminium-Druckguss genutzt werden.

Auch der Laserstrahl wird für vielfältige Anwendungen wie das Laserstrahlschweißen, -schneiden, - bohren oder das gezielte Abtragen von Oberflächen eingesetzt. Es sind daher Strahlquellen mit nahezu beliebiger Leistung und Strahlqualität am Markt verfügbar, die in den letzten Jahren aus der enormen Weiterentwicklung der Scheiben- und Faser- sowie der Kurzpulslasertechnologie hervorgegangen sind. Der Prozess des Laserstrahlschweißens zeichnet sich durch hohe Schweißgeschwindigkeiten, geringe Wärmeeinbringung und demzufolge durch kleine Wärmeeinflusszonen und minimalem Verzug aus. Darüber hinaus stehen derzeit Laser-Hybridschweißverfahren im Fokus der Entwicklung. Diese Schweißtechnologien verbinden die Vorteile des Laser- und Lichtbogenschweißens. Der Lichtbogen wirkt an der Oberfläche und sorgt für eine breitere Naht und damit für eine bessere Spaltüberbrückbarkeit. Durch den Transport von Zusatzwerkstoff in die Schmelze können außerdem die metallurgischen Eigenschaften gezielt beeinflusst werden.

Eine Erweiterung der Strahlschweißverfahren bietet das aktuelle Forschungsgebiet des „Laserstrahlschweißens im Unterdruck“, welches in verschiedenen sowohl öffentlich geförderten als auch bilateralen Forschungsprojekten am ifs erforscht wird und viele Vorteile bzgl. der Reduzierung der Spritzerbildung sowie der Verfahrgeschwindigkeit darstellt.

Weiterhin ist die Oberflächenvorbehandlung von metallischen, mineralischen und polymeren Werkstoffen mittels den am ifs vorhandenen gepulsten Lasersysteme unter Berücksichtigung der Absorptionseigenschaften durch den Einsatz der passenden Wellenlänge ein Bereich aktueller Forschung.

Forschungsschwerpunkte und Kompetenzbereiche

  • Elektronen- und Laserstrahlschweißen von:

    • Duplex-Werkstoffen
    • Aluminium-Druckguss
    • Nickelbasiswerkstoffen

  • Laserstrahlschweißen von hoch- und höchstfesten Stählen des Karosseriebaus
  • Laserunterstütztes WIG- und MIG-Schweißen
  • Laserstrahlschneiden
  • Laseroberflächenvorbehandlung
  • Simulation und Modellierung von Strahlwerkzeugen
  • Fügegerechtes Konstruieren

Leistungsspektrum

  • Fügeconsulting
  • Verfahrensentwicklung
  • Parameterentwicklung und -optimierung für Elektronen- und Laserstrahlanwendungen
  • Gutachten für Schadensfälle

Ausstattung

  • 3 kW cw Nd:YAG-Festkörperlaser zum Schweißen
  • 60 W gepulster, Nd:YAG-Laser Schweißen und Schneiden
  • 5 W gütegeschalteter Scheibenlaser für Beschriftungs- und Feingravurapplikationen
  • 12,5 W gepulster Nd:YAG-Laser zum Feinstschweißen- und Mikrolöten
  • Linearfahrwerke mit CNC-Steuerungen, 6-Achs-Roboter mit 30 kg Traglast
  • Laserstrahlvermessungssystem
  • 15 kW Elektronenstrahlschweißanlage
  • 6 kW Scheibenlaser
  • 5-Achs-Laserbearbeitungszentrum zum Schweißen und Schneiden
  • 400W CO2-Laser, gepulst/modulierbar
  • 70W IR-Faserlaser, Pulslänge 9-250ns
  • 28W UV-Laser, Pulslänge 25ns
  • 28W „Grüner“-Laser, Pulslänge 25ns

Kontakt

Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik

Langer Kamp 8
38106 Braunschweig

Tel: 0531 391 - 95501
Fax: 0531 391 - 95599

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