Nahtgeführtes Laserstrahl-Remoteschweißen mit Strahloszillation

Nahtgeführtes Laserstrahl-Remoteschweißen mit
Strahloszillation
Beeinflussung der Schweißnahtoberflächenstruktur, der Schweißnahtgeometrie
und der Spaltüberbrückbarkeit
A.Müller1; S.F. Goecke1; F.Albert2; P.Sievi2; S.Baum2; Rethmeier, M.
3
1
Brandenburg University of Applied Science, 14770 Brandenburg
2
Scansonic MI GmbH, 13086 Berlin
3
Technische Universität Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb, 10587 Berlin
Das Laserstrahl-Remoteschweißen ermöglicht im Vergleich zum konventionellen Laserstrahlschweißen
teils erhebliche Produktivitätssteigerungen. Verbesserte Bauteilzugänglichkeiten und optimierte
Verfahrwege verkürzen die Taktzeit. Bis dato sind Remote-Applikationen jedoch fast ausschließlich auf
das Schweißen von I-Nähten am Überlappstoß beschränkt. Als Gründe hierfür sind die erreichbare
Positionier- und Verfahrgenauigkeit der Führungsmaschine in Kombination mit der Remote-typischen
langen Brennweite der Optik, vornehmlich aber auch die im Fertigungsprozess entstehenden
Bauteiltoleranzen zu nennen.
Die Weiterentwicklung von Bearbeitungsköpfen zum Laserstrahl-Remoteschweißen mit intelligenter
Sensorik und Nahtführung sowie neue Verfahrensansätze zur Prozessfenstererweiterung/ -stabilisierung
versprechen sowohl neue Anwendungsgebiete mit der Option des Kehlnahtschweißens als auch
Produktivitätssteigerungen. Im folgenden Beitrag wird darauf Bezug genommen.
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1
EINFÜHRUNG
Für das robotergeführte Laserstrahl-Remoteschweißen eröffnen sich kontinuierlich neue
Anwendungsgebiete. Der Laserstrahl wird bei diesem Verfahren zusätzlich zur Roboterbewegung über im
Remote-Bearbeitungskopf integrierte, schnell bewegliche Spiegel abgelenkt. Diese befinden sich in einem
großen Arbeitsabstand – „Remote“ – zum Werkstück. Daraus folgen eine Reduktion der Positionier- und
Taktzeiten, und damit eine bessere Bauteilzugänglichkeit sowie die Verringerung der
Verschmutzungsgefahr der Bearbeitungsoptik.
Ein Nachteil der klassischen Remote-Bearbeitung ist jedoch, dass aufgrund des großen Arbeitsabstands
keine exakte Positionierung des Laserstrahls auf den Werkstücken erreichbar ist. Somit ist das
Hauptanwendungsgebiet des Laserstrahl-Remoteschweißens bislang auf das Schweißen von I-Nähten am
Überlappstoß beschränkt. Sowohl Bauteiltoleranzen als auch Ungenauigkeiten der Führungsmaschine
spielen hier nur eine untergeordnete Rolle.
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OPTISCHE NAHTFÜHRUNG BEIM LASERSTRAHL-REMOTESCHWEIßEN
Gelingt es allerdings, den Laserstrahl selbst bei großem Arbeitsabstand sowie unter Berücksichtigung
aller Toleranzen und Ungenauigkeiten stets an einer genau definierten Position auf den zu schweißenden
Baugruppen zu positionieren, so wären auch Kehlnähte am Überlappstoß oder gar I-Nähte am
Stumpfstoß realisierbar. Übermäßig große Überlappungsbereiche können in Folge reduziert und
Masseeinsparungen erreicht werden. Kritische Werkstoffkombinationen, die einen definierten
Strahlversatz erfordern, lassen sich ebenso verbinden.
Bild 1 verdeutlicht eine zum nahtgeführten Laserstrahl-Remoteschweißen realisierte Lösung, mit der oben
beschriebene Aufgaben erstmalig gelingen. Mittels einer Lichtschnittsensorik wird der Fügestoß
vorlaufend zum Prozess erfasst. Damit wird der Laserstrahl unabhängig von der Roboterbahn im
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Arbeitsfeld genau dorthin abgelenkt, wo sich der Fügestoß befindet. Dabei kann auch ein definierter
seitlicher Abstand zum Stoß berücksichtigt werden, um beispielsweise definiert neben dem Stoß zu
schweißen. Eine ungenaue Roboterprogrammierung oder Werkstücktoleranzen können somit kompensiert
werden.
Bild 1:
Scansonic Remotebearbeitungskopf mit optischer Nahtführung „RLW-A“ und Darstellung der Stoßerkennung vorlaufend 3
Lichtlinien zur Detektion des Fügestoßes; nachlaufend: Laserstrahl am Fügestoß
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LASERSTRAHLOSZILLATION IN VERBINDUNG MIT OPTISCHER
NAHTFÜHRUNG
Zusätzlich kombiniert die in Bild 1 dargestellte Systemtechnik die optische Nahtführung mit einer
Laserstrahloszillation mittels hochdynamischer Galvanometerscanner. Dadurch wird der Einsatz des
Remotefügens an verschiedenen Stoßgeometrien von 3D-Bauteilen ermöglicht. Durch die Strahloszillation
lassen sich zum Beispiel Schmelzbadauswürfe durch eine der Schweißvorschubrichtung kreisförmig
überlagerte Schwingbewegung in X-Y-Richtung reduzieren [1]. Verantwortlich hierfür sind eine
Beeinflussung der Schmelzbaddynamik sowie die Modifikation der beim Schweißen entstehenden
Dampfkapillare hin zu einer ovalen bzw. länglichen Form [2]. Weiterhin wird durch eine Strahloszillation
Einfluss auf die Schmelzbadgeometrie [3] und damit auf den Wirkungsgrad genommen [4] genommen.
Ebenso beeinflusst eine Strahloszillation die Oberflächenstruktur der Schweißnahtraupe.
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BEEINFLUSSUNG DER SCHWEIßOBERFLÄCHENSTRUKTUR, DER
SCHWEIßNAHTGEOMETRIE UND DER SPALTÜBERBRÜCKBARKEIT
4.1
Schweißen mit optischer Nahtführung
Bild 2 verdeutlicht Ergebnisse nahtgeführter Laserstrahlschweißungen anhand von Schweißnahtaufsichten
bzw. Schliffbildern. Links ist das Ergebnis einer Korrektur der Schweißnahtlage an einem Kurvenblech
dargestellt. Die Führungsmaschine wird in diesem Beispiel linear in einer Zwei-Punkte-Fahrt mit
v = 8 m/min über die Werkstücke bewegt. Mit Hilfe der Lichtschnittsensorik werden die Kurven erkannt
und der nachlaufende Laserstrahl über Galvanometerscanner auf die richtige Position abgelenkt. In der
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Mitte von Bild 2 ist erkennbar, dass die Nahtführung selbst die Erzeugung einer stirnsteig
eingeschweißten I-Naht – hier am Beispiel zweier Bleche aus 22MnB5, geschweißt mit v = 4 m/min –
erlaubt. Beim Schweißen verzinkter Stahlbleche lassen sich durch die Möglichkeit der präzisen Einstellung
von Kehlnähten selbst bei vollständiger Durchschweißung Fehler, wie Auswürfe oder Durchschüsse, im
Vergleich zu I-Nähten am Überlappstoß deutlich reduzieren, vgl. Bild 2, rechts. Es wird deutlich, dass
allein die Nahtführung einen großen Einfluss auf die Schweißnahtgeometrie und -oberflächenstruktur
nimmt.
Bild 2:
Versuchsergebnisse zum Laserstrahl-Remoteschweißen mit optischer Nahtführung - links: mäanderförmige Schweißnaht bei
einer Punkt-zu-Punkt-Fahrt der Führungsmaschine mit Nahtführung, Mitte: stirnseitig eingeschweißte I-Naht – mit
Nahtführung erzeugt, rechts: Kehlnaht an verzinkten Blechen mit Nahtführung
4.2
Schweißen mit optischer Nahtführung und Strahloszillation
Durch Einsatz einer lokal der Vorschubgeschwindigkeit überlagerten Strahloszillation nehmen die
Beeinflussungsmöglichkeiten auf die Schweißnahtausbildung erheblich zu. Variiert werden können das
Schwingungsprofil, die Schwingungsrichtung, die Amplitude sowie die Oszillationsfrequenz.
Um eine „Vergleichbarkeit“ von Untersuchungsergebnissen herzustellen, wird nachfolgend zunächst der
Überdeckungsgrad des Schweißfokus entlang der Schweißvorschublängsachse im Abstand einer
Schwingung betrachtet. Wird eine Sinusschwingung mit der Frequenz (f), der Vorschub/Schweißgeschwindigkeit (VS) und dem genutzten Fokusdurchmesser (FD) zu Grunde gelegt, so ergibt
sich die Überdeckungslänge (ÜDL) zu:
Ü𝐷𝐷𝐷𝐷 = 𝐹𝐹𝐷 −
1
𝑓
� �𝑉 ∙2�
𝑆
und der o.g. Überdeckungsgrad (ÜDG) zu:
Ü𝐷𝐷𝐷𝐷 =
Ü𝐷𝐿
𝐹𝐷
∙ 100
Mit dessen Hilfe werden die Parameter Vorschubgeschwindigkeit und Frequenz für einen definierten
Schweißfokusdurchmesser vergleichbar gemacht. Für Schwingungsamplituden (A) mit A = 0,5 ∙ FD wird
für das Verschweißen von Stahlgrundwerkstoffen ein Überdeckungsgrad von mindestens 50 %
empfohlen. Größere Amplituden erfordern entsprechend größere Überdeckungsgrade. Bild 3 stellt die in
Abhängigkeit des Fokusdurchmessers erforderlichen Frequenzen zum Erreichen bestimmter
Überdeckungsgrade bei Schweißgeschwindigkeiten v = 3 m/min und v = 6 m/min dar.
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v = 3 m/min
Bild 3:
v = 6 m/min
Abhängigkeit der Frequenz zum Überdeckungsgrad / Schweißfokusdurchmesser, Schweißgeschwindigkeit links =
3 m/min; rechts = 6 m/min
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Der Berechnungsansatz dient als erste Näherung für den Aufbau eines Modells eines
Versuchsparameterfeldes. Gänzlich separat müssen Werkstoffeigenschaften (Schmelz- und
Verdampfungstemperatur, Viskosität der Schmelze, Wärmeleitung, Beschichtung, etc.) betrachtet
werden. In Verbindung mit der durch die Schwingungsfrequenz beeinflussbaren Schmelzbadströmung ist
es möglich, die Temperaturgradienten im Schmelzbad zu verändern. Die Schmelzbadgeometrie wird
dadurch in bestimmten Grenzen steuerbar. Bild 4 verdeutlicht anhand zweier exemplarischer Beispiele die
Ausbildung des Intensitätsprofils auf der Nahtoberfläche sowie im Nahtquerschnitt.
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Bild 4:
Intensität auf dem Prozessfeld (links) und Intensitätsprofile (rechts) für verschieden gewählte Strahloszillations-Parameter
Der Einstellung verschiedenster Intensitätsprofile sind nahezu keine Grenzen gesetzt. Die Oszillation kann
am Beispiel der in Bild 1 dargestellten Systemtechnik bis zu einer Frequenz von f = 1 kHz erfolgen,
Schwingungsformen sind Sinus, Rechteck oder Dreieck, Amplituden können sich im Bereich weniger
1/10 mm bis mm bewegen. Was kann damit erreicht werden?
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4.2.1
Schweißnahtoberflächenstruktur
Durch eine Laserstrahloszillation kann auf das optische Erscheinungsbild der Nahtraupen Einfluss
genommen werden. Besonders deutlich wird dieser Effekt beim Schweißen von Aluminiumlegierungen.
Bild 5 veranschaulicht anhand von Aufsichten zweier Bleche einer 6000er Legierung in einer Kehlnaht am
Überlappstoß, erste Ergebnisse. Exemplarisch wird gezeigt, dass Oszillationsfrequenzen ab ca. f = 600 Hz
bei Amplituden unter A = 1 mm und unter Verwendung eines sinusförmigen Schwingungsprofils die
Schweißnahtoberfläche signifikant glätten. Hervorzuheben ist an dieser Stelle, dass ohne Einsatz von
Prozessgas gearbeitet wurde. Für die Ergebnisse in Bild 5 kam ein Scheibenlaser mit 
= 1.030 nm und
einer Maximalleistung von P = 5 kW zum Einsatz. Geschweißt wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit
von v = 5 m/min.
Bild 5:
Schweißnahtraupenausbildung an einer Aluminiumlegierung in Abhängigkeit der Oszillationsfrequenz,
λ = 1.030 nm,
P = 3,7 kW, v = 5 m/min, FD = 560 µm, Schwingungsform: Sinus, A = 1,0 mm
4.2.2
Schweißnahtgeometrie
Neben der zuvor beschriebenen Oberflächenstrukturbeeinflussung wird auch die Schweißnahtgeometrie
durch eine der Vorschubrichtung überlagerte Strahloszillation steuerbar. Schliffbilder von
Einschweißergebnissen in Baustahl S355 der Dicke t = 5 mm verdeutlichen erste Ergebnisse, vgl. Bild 6.
In Abhängigkeit der gewählten Schwingungsform, der Oszillationsfrequenz und -amplitude sind die
Einschweißtiefe, der Schweißnahtquerschnitt und die Schweißnahtbreite einstellbar. Die Oszillation erfolgt
in diesem Beispiel quer zur Vorschubrichtung. Der Fokusdurchmesser beträgt 300 µm.
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Bild 6:
Schliffbilder von Einschweißversuchen in Baustahl der Dicke t = 5 mm unter Variation der Schwingungsform, der
Oszillationsfrequenz und Amplitude, λ = 1.030 nm, P = 3 kW, v = 3 m/min
Für die praktische Anwendung ist die Anpassungsmöglichkeit der Einschweißtiefe und Schweißnahtbreite
über die gewählte Amplitude interessant. So lässt sich hierdurch beispielsweise die Einschweißtiefe im
dargestellten Beispiel von einer kompletten Durchschweißung bis hin zu einer Einschweißtiefe von
0,8 mm bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit und Laserleistung steuern.
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4.2.3
Spaltüberbrückung
Die aus der Strahloszillation resultierenden Möglichkeiten bzgl. der definierten Einstellung der
Schweißnahtgeometrie können ebenso genutzt werden, um das typischerweise schmale
Prozessfenster für Kehlnahtschweißungen am Überlappstoß zu erweitern. In der Praxis kommt
es an diesem Fügestoß immer wieder zu Spalten bis zu 1 mm [5] und aus diesem zu
fehlerhaften Schweißnähten.
Nach [6] ist ein Strahlversatz von
y
= 0,4 mm in Richtung des Oberblechs zur Überbrückung
von Spalten um 0,8 mm erforderlich. Zur Transformation der aus Schweißversuchen mit einem
600 µm Spotdurchmesser stammenden Angaben, wird mit Hilfe der Sprunghöhe (hS) die
Hypotenuse c des in Bild 7 eingezeichneten rechtwinkligen Dreiecks berechnet. Die Länge der
Hypotenuse entspricht der notwendigen Auslenkung des Laserstrahls bei lotrechtem Auftreffen.
Verrechnet mit dem realen lateralen Einstrahlwinkel des Lasers, beschreibt die Seitenlänge a´
des ungleichmäßigen Dreiecks (A, B, C`) die tatsächlich notwendige Auslenkung.
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Bild 7:
Strahlversatz auf das Oberblech in Abhängigkeit der per Lasertriangulation gemessenen Sprunghöhe
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Diese Vorgehensweise wird für Kehlnahtschweißungen an Blechen aus MSW1200 + ZE der Dicke t = 1,5
mm bei einem eingestellten Spalt von 0,8 mm und einem lateralen Einschweißwinkel von αl = 10° aus
der Senkrechten heraus untersucht. Die ermittelte Amplitude liegt bei A = 0,41 mm. Bei einem
eingestellten Überdeckungsgrad von ÜDG = 77% stellen sich gute Schweißergebnisse für Amplituden von
A = 0,35 mm bis A = 0,55 mm ein, wobei in diesem Bereich bereits ein verändertes Einschweißverhalten
von einer Durchschweißung zu einer Einschweißung beobachtet werden kann, vgl. Bild 8.
Bild 8:
Schliffbilder von Kehlnähten, geschweißt mit Strahloszillation,
λ = 1.030 nm, P = 4 kW, v = 4 m/min, FD = 300 µm,
Schwingungsform: Sinus, f = 480 Hz, links: A = 0,35 mm; rechts: A = 0,55 mm)
5
AUSBLICK
Prinzipiell können nahtgeführte Remote-Bearbeitungsoptiken erhebliche Verfahrensverbesserungen
bewirken. Die notwendige Prozesszeit wird im Vergleich zu Systemen mit taktiler Nahtführung reduziert
und ist nur wenig größer gegenüber klassischen Remote-Optiken ohne Nahtführung.
Das Potenzial der System- und Prozesstechnik ist jedoch noch lange nicht ausgeschöpft. Aktuell wird im
Laser Application Center der Scansonic MI GmbH an Mischverbindungen gearbeitet, wobei sich wiederum
zeigt, dass eine an die Werkstoffe und die Baugruppengeometrie angepasste Oszillationsstrategie mit
Vorteilen bezüglich der Schweißnahteigenschaften einhergeht. In Kombination mit der Nahtführung wird
das Laserstrahl-Remoteschweißen revolutioniert.
Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung von
Teilen der in diesem Beitrag veröffentlichten Arbeit im Projekt „ECOWELD“ im Rahmen der „Qualifizierung
von Ingenieurnachwuchs an Fachhochschulen“ im Programm „Forschung an Fachhochschulen“.
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[1] ............................................................................................................ N.N.:
http://www.iwb.tum.de/Forschung/Forschungsprojekte/Aktuelle+Forschungsprojekte/
RoboLaSS+_+Robotergef%C3%BChrter+Laser+zum+Schneiden+und+Schwei%C3%9Fen
/Remote_Laserstrahlschwei%C3%9Fen.print; IWB, 2012; letzter Abruf 27.02.13
[2] Pan, Y.; Richardson, I. M.: Keyhole behavior during laser welding of zinc-coated steel. In:
Journal of Physics D: Applied Physics 44, Material Innovation Institute & Department of
Materials Science and Technology, The Netherlands, IOP Publishing, 2011
[3] Standfuß, J.; Klotzbach, A.; Heitmanek, M.; Krätzsch, M.: Laser beam welding with highfrequency beam oscillation: welding of dissimilar materials with brilliant fiber lasers. In:
International Laser Symposium Fiber & Disc (FiSC), Fraunhofer IWS Dresden (Hrsg.),
Dresden, 2010
[4] Thiel, C.; Hess; A.; Weber; R.; Graf; T.: Stabilization of laser welding processes by means
of beam oscillation. In: Proceedings of SPIE Vol. 8433, Laser Sources and Applications,
2012
[5] Albert, F.; Müller, A.; Sievi, P.: Laserstrahl-Remoteschweißen – Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand system- und prozesstechnischer Beispiele. In: Laser Technik
Journal 4/2013; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinhemi, eingereicht
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[6] Reek, A.: Stragien zur Fokuspositionierung beim Laserstrahlschweißen, Technische
Universität München, Dissertation, 2000
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