01 Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen dicker Bleche
Das Schweißen dicker Bleche (Dicke ≥ 20 mm) spielt eine Schlüsselrolle bei der Fertigung großer Anlagen in wichtigen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Schiffbau, Schienenverkehr usw. Diese Bauteile zeichnen sich typischerweise durch große Dicke, komplexe Verbindungsformen und anspruchsvolle Einsatzbedingungen aus. Die Schweißqualität hat direkten Einfluss auf die Leistung und Lebensdauer der Anlagen. Aufgrund der geringen Schweißgeschwindigkeit und starker Spritzerbildung stößt das traditionelle Schutzgasschweißen an seine Grenzen. Dazu zählen geringe Schweißeffizienz, hoher Energieverbrauch und hohe Eigenspannungen, wodurch es schwierig wird, die stetig steigenden Fertigungsanforderungen zu erfüllen. Die Laser-Lichtbogen-Hybridschweißtechnologie unterscheidet sich jedoch von traditionellen Schweißverfahren. Sie vereint erfolgreich die Vorteile von Schutzgasschweißen und Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen.Laserschweißenund Lichtbogenschweißen und zeichnet sich durch große Einbrandtiefe, hohe Schweißgeschwindigkeit, hohe Effizienz und bessere Schweißnahtqualität aus, wie in Abbildung 1 dargestellt. Daher hat diese Technologie breite Aufmerksamkeit erregt und findet bereits Anwendung in einigen Schlüsselbereichen.
Abbildung 1: Funktionsprinzip des Laser-Lichtbogen-Hybridschweißens
02Forschung zum Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen dicker Platten
Das Norwegische Institut für Industrietechnologie und die Technische Universität Lule in Schweden untersuchten die Strukturhomogenität von Verbundschweißverbindungen bei einer Leistung von unter 15 kW für 45 mm dicken, mikrolegierten, hochfesten, niedriglegierten Stahl. Die Universität Osaka und das Zentrale Metallurgische Forschungsinstitut Ägyptens erforschten mit einem 20-kW-Faserlaser das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren für dicke Bleche (25 mm) und verwendeten eine Unterlage, um die Bildung von Wölbungen an der Schweißnahtunterseite zu verhindern. Die dänische Firma Force Technology setzte zwei in Reihe geschaltete 16-kW-Scheibenlaser ein, um das Hybridschweißen von 40 mm dicken Stahlblechen bei 32 kW zu untersuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Hochleistungs-Laser-Lichtbogenschweißen voraussichtlich beim Schweißen von Offshore-Windkraftanlagen-Turmfundamenten Anwendung finden wird (siehe Abbildung 2). Harbin Welding Co., Ltd. beherrscht als erstes Unternehmen in Dänemark die Kerntechnologie und die Anlagenintegration für das Hochleistungs-Festkörperlaser-Schmelzelektroden-Lichtbogenschweißen mit Hybridwärmequelle. Es ist das erste Mal, dass in meinem Land die Technologie und Ausrüstung für das Hybrid-Schweißen von Hochleistungs-Feststofflasern mit zwei Drahtschmelzelektroden erfolgreich bei der Herstellung von High-End-Anlagen eingesetzt wurden.
Abbildung 2. Layoutplan für die Laserinstallation
Dem aktuellen Forschungsstand zum Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen dicker Bleche im In- und Ausland zufolge ermöglicht die Kombination dieses Verfahrens mit einer schmalen Nut das Schweißen dicker Bleche. Steigt die Laserleistung auf über 10.000 Watt, verändern sich unter der Bestrahlung mit hochenergetischem Laser das Verdampfungsverhalten des Materials, die Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma, der stabile Zustand der Schmelzbadströmung, der Wärmetransportmechanismus und das metallurgische Verhalten der Schweißnaht in unterschiedlichem Ausmaß. Mit steigender Leistung über 10.000 Watt verstärkt die erhöhte Leistungsdichte die Verdampfung im Bereich der kleinen Öffnung. Die Rückstoßkraft beeinflusst direkt die Stabilität der Öffnung und die Schmelzbadströmung und somit den Schweißprozess. Diese Veränderungen haben einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Anwendung von Laser- und Hybridschweißverfahren. Diese charakteristischen Phänomene im Schweißprozess spiegeln direkt oder indirekt dessen Stabilität wider und können sogar die Schweißnahtqualität bestimmen. Die Kopplung der beiden Wärmequellen Laser und Lichtbogen ermöglicht es beiden, ihre jeweiligen Eigenschaften voll auszuschöpfen und bessere Schweißergebnisse als beim reinen Laser- oder Lichtbogenschweißen zu erzielen. Im Vergleich zum laserautogenen Schweißen bietet dieses Verfahren die Vorteile einer hohen Spaltanpassungsfähigkeit und großer Schweißdicken. Im Vergleich zum Laser-Drahtfüllschweißen dicker Bleche mit schmalem Spalt zeichnet es sich durch eine hohe Drahtschmelzeffizienz und eine gute Nahtverschmelzung aus. Darüber hinaus erhöht die Anziehungskraft des Lasers auf den Lichtbogen dessen Stabilität, wodurch das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen schneller als das herkömmliche Lichtbogenschweißen ist.Laser-Fülldrahtschweißenmit relativ hoher Schweißleistung.
03 Hochleistungs-Laser-Lichtbogen-Hybridschweißanwendung
Die Hochleistungs-Laser-Lichtbogen-Hybridschweißtechnologie findet breite Anwendung im Schiffbau. Die Meyer Werft in Deutschland hat eine 12-kW-CO₂-Laser-Lichtbogen-Hybridschweißanlage zur Herstellung von Rumpfplatten und Versteifungen errichtet. Diese ermöglicht die Fertigung von 20 m langen Kehlnähten in einem Arbeitsgang und reduziert den Verformungsgrad um zwei Drittel. GE entwickelte ein Faserlaser-Lichtbogen-Hybridschweißsystem mit einer maximalen Ausgangsleistung von 20 kW für die Schweißarbeiten am Flugzeugträger USS Saratoga. Dadurch konnten 800 Tonnen Schweißgut eingespart und der Arbeitsaufwand um 80 % reduziert werden (siehe Abbildung 3). Die CSSC 725 nutzt ein 20-kW-Faserlaser-Hochleistungs-Laser-Lichtbogen-Hybridschweißsystem, das die Schweißverformung um 60 % verringert und die Schweißeffizienz um 300 % steigert. Die Shanghai Waigaoqiao Werft setzt ein 16-kW-Faserlaser-Hochleistungs-Laser-Lichtbogen-Hybridschweißsystem ein. Die Produktionslinie nutzt ein neues Verfahren aus Laser-Hybrid- und MAG-Schweißen, um einseitiges Einlagenschweißen und beidseitiges Umformen von 4–25 mm dicken Stahlplatten zu ermöglichen. Die Hochleistungs-Laser-Lichtbogen-Hybrid-Schweißtechnologie findet breite Anwendung im Bereich gepanzerter Fahrzeuge. Ihre Vorteile sind: Schweißen komplexer Metallstrukturen mit großer Dicke, kostengünstige und hocheffiziente Fertigung.
Abbildung 3. Flugzeugträger USS Sara Toga
Die Hochleistungslaser-Lichtbogen-Hybridschweißtechnologie findet bereits in einigen Industriezweigen Anwendung und wird sich zu einem wichtigen Verfahren für die effiziente Fertigung großer Strukturen mit mittleren und großen Wandstärken entwickeln. Derzeit besteht jedoch noch Forschungsbedarf hinsichtlich des Mechanismus des Hochleistungslaser-Lichtbogen-Hybridschweißens, insbesondere der Wechselwirkung zwischen Photoplasma und Lichtbogen sowie zwischen Lichtbogen und Schmelzbad. Auch die Herausforderungen des Prozesses sind noch nicht vollständig gelöst, beispielsweise das enge Prozessfenster, die uneinheitlichen mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht und die komplexe Qualitätskontrolle. Mit der stetig steigenden Ausgangsleistung industrietauglicher Laser wird sich die Hochleistungslaser-Lichtbogen-Hybridschweißtechnologie rasant weiterentwickeln und eine Vielzahl neuer Laser-Hybrid-Schweißverfahren hervorbringen. Lokalisierung, Skalierung und Automatisierung werden zukünftig wichtige Entwicklungstrends für Hochleistungslaser-Schweißanlagen darstellen.
Veröffentlichungsdatum: 24. April 2024
