Ziel der Entwicklung

Die schweißtechnische Fertigung dickwandiger Stahlprofile zur Herstellung hochbelastbarer Strukturen erfolgt in der Regel unter der Anwendung von Hochleistungslichtbogenschweißverfahren wie zum Beispiel dem Mehrdraht-Unterpulverschweißen oder dem MSG-Tandemschweißen. Die verfahrenstypischen Nachteile dieser Verfahren sind:
- aufwendige Nahtvorbereitungen,
- hoher Bedarf an entsprechenden Schweißzusatzwerkstoffen,
- sehr lange Schweißzeiten aufgrund der verwendeten Mehrlagentechnik,
- Einbringung hoher Streckenenergien in das Bauteil, resultierend aus der langen Schweißzeit und der benötigten elektrischen Leistung.
Diese hohe thermische Belastung der Bauteile führt einerseits zu hohen Schweißeigenspannungen im Bauteil, andererseits zum Bauteilverzug, der aufwendiger Richtarbeiten bedarf, um die Maß- und Geometrietoleranzen einzuhalten.
Eine Alternative bieten die Strahlschweißverfahren wie das Laser- und Elektronenstrahlschweißen. Diese zeichnen sich durch den geringen, auf den Fügequerschnitt bezogenen Energieeintrag, die vergleichsweise einfache Nahtvorbereitung, die Schweißmöglichkeit ohne Zusatzwerkstoff und die hohen möglichen Schweißgeschwindigkeiten aus. Wird das Laserstrahlschweißen zudem unter Niederdruck angewendet, führt dies zu erheblichen Steigerungen der Einschweißtiefe. Die geringere Wärmeeinbringung in das Material und die schmale, nahezu parallele Nahtform verursachen weniger Eigenspannungen und Verzug in den Bauteilen. Der Richtaufwand reduziert sich erheblich bzw. kann unter Umständen völlig entfallen. Die Fertigungszeiten und damit die Kosten können aufgrund der verkürzten Schweißzeit rapide gesenkt werden.
Für die industrielle Anwendung im Bereich des Laserstrahlschweißens unter Vakuum werden bereits von einigen Firmen Laseranlagen sowie Lohnfertigung angeboten. Diese Systeme ermöglichen jedoch nur eine Bearbeitung in einer stationären Vakuumkammer, sind des Weiteren an eine spezielle Fertigungsaufgabe angepasst und daher nicht flexibel einsetzbar. Das Schweißen von großen Bauteilen im Dickblechbereich in einer stationären Kammer wäre mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden. Umso größer das zu bearbeitende Werkstück ist, desto größer muss die Vakuumkammer ausgelegt sein. Die dadurch zu evakuierenden großen Volumina führen zu langen Verweil- und Taktzeiten. In Bezug auf die Wirtschaftlichkeit stellt dies gravierende Nachteile dar. Die Entwicklung eines praxistauglichen Systems für die mobile Vakuumerzeugung für das Laserstrahlschweißen kann daher maßgeblich die Wirtschaftlichkeit, die Flexibilität sowie die Anwendungsmöglichkeiten des Laservakuumverfahrens verbessern.

Vorteile und Lösungen

Im Rahmen des Forschungsprojektes „MoVaLas“ wurde an der SLV M-V GmbH in Rostock auf Basis additiver Fertigungstechnologien das Konzept einer mobilen Vakuumkammer entwickelt, gefertigt und erprobt. Das verwendete additive Fertigungsverfahren Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB), mit dem komplexe 3D-Bauteile aus Metall aus einem Pulverbett generiert werden, spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Vakuumkammer. Damit war es möglich, verschiedene Lösungskonzepte innerhalb kürzester Zeit zu fertigen und zu erproben. Schritt für Schritt wurde das Design immer wieder angepasst, optimiert und neu gefertigt. Das Hauptziel der Arbeit war die Entwicklung einer mobilen Vakuumkammer zum Verschweißen von dicken Profilen aus den Materialien Baustahl (S355 NL2), nicht rostendem Stahl (X5CrNil8-10) und einer Aluminiumlegierung (AIMg4,5Mn0,7). Die größte Problematik bei der Auslegung einer mobilen Vakuumkammer ist die Handhabung der Relativbewegung zwischen Vakuumkammer und Bauteiloberfläche. Ein besonderer Fokus lag auf der Realisierung eines Dichtsystems, welches ohne verschleißende Dichtelemente auskommt, da diese zu einem Festsaugen der Kammer auf der Bauteiloberfläche führen würden. Die Kammer ließe sich in diesem Fall nur mit starken Kräften über das Bauteil „schleifend“ bewegen. Die Folge wäre starker Verschleiß der Dichtungen, welche eines ständigen Wechsels bedürfen, wodurch die Kosten für Verbrauchsmaterial, Stillstandzeiten sowie damit verbundene Personalkosten steigen würden.

Durch die gewonnene Gestaltungsfreiheit durch die Nutzung des additive Fertigungsverfahren Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) konnten unkonventionelle Gestaltungsmöglichkeiten in die Planung und Konstruktion einfließen und schnell erprobt werden. Es wurden Konzepte für eine mobile Vakuumkammer erarbeitet und mehrere CAD – Modelle der unterschiedlichen Varianten erstellt. Die mobile Kammer ist so aufgebaut, dass sie zwei verschiedene Vakuum-Zonen beinhaltet (siehe Abb.1). Zum einen ist das die Feinvakuum-Zone (5) und zum anderen die Grobvakuum-Zone (3), welche gleichzeitig der Arbeitszone bzw. Schweißzone entspricht. Durch das Anlegen der Druckluft in (2) bildet sich einerseits der Cross-Jet, um die Optik vor Schweißrauch zu schützen. Zudem wird durch das Venturi-Prinzip die Luft aus der Arbeitszone gepumpt, sodass sich ein Unterdruck in diesem Bereich der Schweißzone einstellen sollte. Bei diesem System spricht man von einem aerodynamischen Fenster. Die Feinvakuum-Zone ist direkt mit einer zweistufigen Drehschieberpumpe verbunden und sollte den Druckanstieg bzw. die Luftzufuhr in unmittelbarer Umgebung der Arbeitszone verhindern. Der Vakuumschutz in (4) bildet die Hauptdichtung zur Atmosphäre. Die dort anliegende Druckluft sollte beim seitlichen Ausströmen ebenfalls einen Venturieffekt erzeugen und somit den Druckanstieg in der Feinvakuumzone verhindern. Die Verwendung von Kugellager, sollte eine leichtgängige Bewegung der Vakuumkammer ermöglichen und gleichzeitig den Abstand der Vakuumkammer zur Oberfläche konstant halten.

Um die Funktion der gedruckten Kammersegmente zu überprüfen, wurden diese auf eine Testplatte montiert und ohne die Verwendung von Laserstrahlung wurden Vakuumpumpe und Druckluft angeschlossen. Mit Hilfe eines Manometers wurde das erreichte Druckniveau ermittelt. Als zweite Funktionsprüfung dienten die Schlierenuntersuchungen, welche zur Strömungsanalyse dienten. Diese konnten zum technischen Verständnis der Vakuumerzeugung beitragen und so aufzeigen, warum das jeweilige Bauteil gut oder weniger gut funktionierte.

Nach der Optimierung der Vakuumkammer wurden Schweißversuche durchgeführt. Zur Vorbereitung der ersten Schweißversuche mit der mobilen Vakuumkammer wurden die Bleche mit einer Schweißnahtvorbereitung (Y-Nahtvorbereitung mit dem Maß 50° x 5 mm) versehen. Dies war notwendig, da zwangsläufig eine Nahtüberhöhung beim Schweißen entsteht, welche mit der Kammer kollidieren würde. Die Nahtvorbereitung musste so ausgebildet sein, dass sie die Nahtüberwölbung kompensiert. Weiter wurde eine Dichtschweißung mit sehr geringer Leistung vorgenommen, um eine Luftzufuhr über den Fügespalt zu verhindern.

Mit der finalen optimierten Vakuumkammer wurden weitere Versuche durchgeführt. Geschweißt wurden 800 mm lange Nähte an Stumpfstößen mit den Blechdicken 30 mm und 50 mm, sowie 200 mm lange Nähte an Eckstößen der Dicke 30/50 mm. Um an den 50 mm dicken Blechen einen Vollanschluss erzielen zu können, musste die Gegenlagenschweißung auch mittels mobiler Vakuumkammer erfolgen. Die Versuchsbleche wurden vorbereitet und entsprechend wurde auf beiden Seiten des Bleches eine Y-Naht gefräst. Die finalen Schweißversuche, an dem Material S355 NL2, verliefen sauber und störungsfrei bei einem gleichmäßigen Druck von 250 mbar.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die ambitionierten Ziele der Bundesregierung für den Ausbau der erneuerbaren Energien erfordern eine konsequente Weiterentwicklung der Schweißtechnologien und der Fertigungsprozesse. Besonders rasant entwickeln sich die Dimensionen der Off-Shore- Windkraftanlagen. Der Trend zeigt eine kontinuierliche Vergrößerung der Turbinen und der gesamten Anlagenstruktur. Während in den letzten Jahren Materialstärken von 30 – 90 mm üblich waren, werden sich diese in den kommenden Jahren in Richtung 120 – 180 mm entwickeln. Die Stumpfnahtverbindungen an solch dicken Blechen erfordern eine großvolumige Schweißnahtvorbereitung in Form von V, HV oder U – Fugen, welche mit viel Zusatzmaterial und Zeitaufwand aufgefüllt werden müssen. Durch die Kombination fortschrittlicher Schweißverfahren, wie dem Laser-Vakuumschweißen, mit konventionellen Verfahren wie dem UP- und MSG-Schweißen sowie geeigneter Automatisierung, können die Schweißzeiten erheblich verkürzt und die Fertigungsproduktivität deutlich gesteigert werden.

Auch in Industriebranchen wie dem Druckbehälterbau sowie dem Rohrleitungsbau werden Materialstärken zwischen 20 und 90 mm teilweise noch manuell verschweißt. Hier könnten neue Systeme, wie das mobile Laservakuumschweißen deutlich die Wirtschaftlichkeit sowie die Wettbewerbstauglichkeit erhöhen. Die im Projekt anvisierten industriellen Bereiche und Aufgabenstellungen für die Entwicklung der Verfahren bleiben daher weiterhin aktuell. Durch die ansteigende Verbreitung der Hochleistungs-Feststoffkörperlaser als Werkzeug auch in KMU-Unternehmen und ihrer flexiblen Einsatzmöglichkeiten wird es attraktiver, die Laserquellen für immer mehr Arbeitsaufgaben einzusetzen. Insbesondere die Hersteller von dickwandigen Konstruktionen mit einfacher Bauteilgeometrie sind intensiv auf der Suche nach alternativen Fertigungsverfahren, um die Prozesszeiten und den Richtaufwand zu minimieren.

Die im Rahmen des Vorhabens erzielten Ergebnisse konnten dabei das rege Interesse mehrerer Unternehmen wecken, wobei auch kommuniziert wird, dass es noch eine Lücke zu den Ansprüchen der Fertigung entsprechenden Umsetzung für Produktionsanlagen zu schließen gilt.