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Festkörperlaser: Doppelte Geschwindigkeit beim Schweißen

Hohe Qualitätsanforderungen

Der komplexe Aufbau von Getriebe, Antriebsstrang und Fahrwerk eines modernen Automobils erfordert eine Vielzahl unterschiedlicher Fügeprozesse. Das Strahlschweißen konnte sich dabei in den letzten Jahrzehnten als Schlüsseltechnologie etablieren. Speziell im Getriebebau werden die Vorteile von Strahlschweißverfahren – hohe Präzision, geringe Wärmeeinbringung und minimaler Verzug – deutlich. Dadurch können Verformungen auf ein Minimum beschränkt und ein ruhiger, vibrationsarmer Lauf der Bauteile gewährleistet werden. Derzeit werden im Getriebebau vorrangig das Elektronenstrahlschweißen sowie das Laserstrahlschweißen eingesetzt und zwar mit CO2-Lasern.

Industrielle Anwender würden alternativ gerne Festkörperlaser nutzen, da diese eine höhere Energieeffizienz und größere Flexibilität aufweisen. Allerdings führt derzeit die sehr starke Spritzerbildung, die während des Schweißprozesses auftritt, noch zu einer Vielzahl von Problemen.

Lösung: Unterdruck

Das AiF-Mitglied Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren des DVS  initiierte vor diesem Hintergrund ein Vorhaben der vorwettbewerblichen Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF), um Festkörperlaser zukünftig auch im Getriebebau einsetzen zu können. Dazu klärten Wissenschaftler des Instituts für Füge- und Schweißtechnik der Technischen Universität (TU) Braunschweig zunächst die Gründe für die Entstehung von Schweißspritzern beim konventionellen Laserstrahlschweißen mit Festkörperlasern. Auf dieser Basis ermittelten sie einen erfolgversprechenden Lösungsansatz: die Anwendung einer Unterdruck-Atmosphäre von 10 mbar in der Umgebung des Schweißvorgangs. Dadurch ließ sich ein sehr stabiler, robuster und dauerhaft reproduzierbarer Schweißprozess mit minimaler Spritzerbildung einstellen. Die hohe Schweißnahtqualität von CO2-Laser- und elektronenstrahlgeschweißten Bauteilen kann damit auch beim Einsatz von Festkörperlasern erreicht werden.

Optimierte Wirtschaftlichkeit

Das im Rahmen des IGF-Projekts entwickelte Schweißverfahren trägt in jeder Hinsicht zu einer effizienteren, kostengünstigeren und ressourcenschonenderen Produktion bei.

Ein entscheidender Vorteil des Festkörperlasers im Vergleich zum CO2-Laser ist der deutlich höhere Wirkungsgrad: Festkörperlaser besitzen einen Wirkungsgrad größer 30 Prozent, CO2-Laser dagegen unter 20 Prozent. Das verringert den Energie- und den Prozessgasverbrauch maßgeblich.

Außerdem kann die Schweißgeschwindigkeit bei gleichzeitig höherer Qualität verdoppelt werden. Der potenzielle Wegfall aufwendiger, dem Schweißprozess nachgelagerter mechanischer Reinigungsprozesse, wie Bürsten oder Zerspanen, steigert die Effizienz in der Gesamtprozesskette zusätzlich.

Weitere betriebswirtschaftliche Vorteile von Festkörperlasern sind der deutlich geringere Platzbedarf, ein geringerer Justage- und Wartungsaufwand sowie die Möglichkeit, ein Bearbeitungsnetzwerk mit einer einzigen Laserstrahlquelle zu eröffnen. Bis zu sechs Lichtleitkabel können von einem Laser bedient werden, wodurch Investitionskosten sinken.

Einsatz in der Praxis

Das neue Schweißverfahren für den Getriebebau birgt enormes Marktpotenzial, denn allein die Automobilindustrie ist für die deutsche Wirtschaft mit einem Umsatz von 368 Milliarden Euro und 775.000 Beschäftigten im Jahr 2014 eine der bedeutendsten Branchen. Sie leistet einen erheblichen Beitrag zur industriellen Bruttowertschöpfung, erwirtschaftet einen großen  Teil der Exportüberschüsse Deutschlands und verfügt über eine hohe Innovationskraft. Die IGF setzt auch hier – insbesondere zum Wohle der mittelständischen Zulieferbetriebe – wichtige Impulse.

Die überwiegend mittelständisch geprägten Anlagenbauer haben das neue Verfahren bereits in ihr Portfolio aufgenommen. Schon während der Projektlaufzeit hat ein Unternehmen, das dem Projektbegleitenden Ausschuss (PA) dieses IGF-Vorhabens angehörte, ein Grundkonzept für eine neue Fertigungslinie konzipiert, in der ein Festkörperlaser unter reduziertem Druck zum Schweißen genutzt wird. Zu Beginn des Jahres 2016 wird die Anlage in den Serienbetrieb gehen und bis zu 3.000 Schalträder pro Tag schweißen. Ein weiterer mittelständischer Anlagenbauer, der Mitglied im PA war, hat ebenfalls schon eine Vakuumanlage gebaut und verkauft, die den hochbrillanten Festkörperlaser zum Schweißen nutzt.

Ihr Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Markus Köhler
Institut für Füge- und Schweißtechnik, TU Braunschweig
markus.koehler(at)tu-braunschweig(.)de
Tel. +49 531 391-95575

Projekttitel: Verbesserung der Schweißnahtqualität beim Laserstrahlschweißen von Stählen mit Festkörperlasern durch reduzierten Umgebungsdruck am Beispiel des Getriebebaus

Laufzeit 11/2012 – 11/2014
Fördersumme: 197.000 Euro
Programm: Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)
Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Forschungsvereinigung

Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS

Eingebundene Unternehmen

  • BLS Lasertechnology GmbH, Grafenau-Döffingen
  • Daimler AG, Stuttgart
  • Dietrich Aldinger GmbH, Nagold
  • evobeam GmbH, Mainz
  • ILV Ingenieurbüro für Lasertechnik + Verschleißschutz, Schwalbach a. Ts.
  • pro-beam AG & Co. KGaA, Planegg
  • Robert Bosch AG, Schwieberdingen
  • Scansonic MI GmbH, Berlin
  • SITEC Industrietechnologie GmbH, Chemnitz
  • TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH, Ditzingen
  • VOGT Ultrasonics GmbH, Burgwedel
  • Volkswagen AG, Baunatal
  • WESSNER Engineering GmbH, Neufra

Forschungseinrichtung

Foto: © TU Braunschweig

Festkörperlaser – Flyer