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Wednesday, September 16, 2020, Virtueller Raum 2 10:30 AM Stahlbau - Fügeverfahren |
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Laserstrahlschweißen großformatiger Stahlbaustrukturen mit modernen Diodenlasern am Beispiel eines Hallenkransegments |
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Linda Ullmann* / Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Abt. Fügen, Deutschland Robert Strohbach / Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Deutschland Frieder Zimmermann/ Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Deutschland Axel Jahn/ Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Deutschland |
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Im Kranbau bestimmt im Wesentlichen die spätere Anwendung, deren Kostenstruktur und Eigenschaftsprofil, welche Werkstoffe und Schweißverfahren Einsatz finden. Leichtbaukonstruktionen, wie zum Beispiel Mobilkrane, erfordern die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle. Diese lassen sich eigenschaftsbedingt vorteilhaft durch energiearmes Laserstrahl- oder Laserhybridschweißen verarbeiten. Daran geknüpft sind hohe Anforderungen hinsichtlich der Schweißnahtvorbereitung, der einzuhalten Fertigungstoleranzen und der Spanntechnik zur Positionierung der Blechhalbzeuge. Die Fertigung von Hallenkränen hingegen erfolgt nach wie vor üblicherweise mit konventionellen Schweißverfahren. Das Potenzial wärmearmer Laserstrahlschweißverfahren zur Erhöhung der Ferti-gungseffizienz (minimaler Fertigungszeit) und zur Verbesserung der Bauteilqualität (minimaler Schweißverzug) ist hier jedoch enorm. Aus Kostengründen sind allerdings deutlich größere Ferti-gungstoleranzen, z.B. Spaltmaße bis zu 2 mm, bei Verwendung plasmageschnittener Kanten unumgänglich. Um die erzeugte Schweißfuge unabhängig von der Stoßgeometrie mit möglichst wenigen Lagen zu schließen, ist somit bisher eine hohe Abschmelzleistung des eingesetzten Verfahrens erforderlich. Das am Fraunhofer IWS neu entwickelte Laser-Mehrlagenschweißen unter Verwendung eines Hochleistungsdiodenlasers ist geeignet, auf die geänderten Randbedingungen der Stahlbaukonstruktion im Vergleich zu oben genannten Leichtbaukonstruktionen einzugehen. Im Vergleich zum Laserhybridschweißen unterstützt die Fokussierung auf nur eine Energiequelle, den Ansatz, durch geringe Investi-tionskosten das Laserstrahlschweißen für Stahlbauanwendungen attraktiv zu gestalten. Am Beispiel einer 4 Meter langen Kastenstruktur eines Hallenkrans soll gezeigt werden, dass mit dem Laser-Mehrlagenschweiß-Verfahren sowohl T-Stoß als auch Stumpfstoßverbindungen im Blechdi-ckenbereich 15 30 mm effizient gefügt werden können. Durch hohe Schweißgeschwindigkeit (1 bis 1,5 m/min) und reduzierte Lagenanzahl kann gegenüber dem herkömmlichen MAG-Schweißen eine drastische Verringerung der Schweißzeit erreicht werden. Der deutlich reduzierte Öffnungswinkel der Schweißnahtvorbereitung <15°, angepasst an die Strahlkaustik des Lasers, verringert darüber hinaus erheblich die Menge an Schweißzusatzwerkstoff. Erwartet wird ein deutlich reduzierter Verzug der Gesamtkonstruktion, wie flankierend durchgeführte FE-Simulationen prognostizieren. Die Arbeiten fassen die Entwicklung des Laser-Mehrlagenschweißens unter Berücksichtigung der Optimierung aus Wärmeeinbringung, Prozessstabilität (Spaltüberbrückbarkeit), Bauteilqualität (Verzug) und Wirtschaftlichkeit (Schweiß-, Nebenzeiten) zusammen. Mit den am Verbundprojekt beteiligten Partnern wurde gezeigt, wie die 4 Meter lange Kastenstruktur eines modernen Hallenkrans unter praxisnahen Bedingungen mit Hilfe einer mobilen Laserschutzeinhausung, einer sensorgestützten Nahtführung und einer im Schweißkopf integrierten Absaugung erfolgreich verschweißt werden kann. Somit stehen geeignete Lösungsansätze für vielfältige Stahlbaustrukturen zur Verfügung, deren Potenzial gerade für den in Deutschland starken Mittelstand Wettbewerbsvorteile bieten kann. |