4. DSI Innovationstag am 21. Januar 2005 in Maulbronn

>200 Watt-Laser kontra WIG und Plasma<

Die Thematik des 4. DSI Innovationstages in Maulbronn lockte auch in diesem Jahr rund 50 Interessierte Teilnehmer aus ganz Deutschland in die Klosterstadt.

Christian Frank, Geschäftsführer der DSI Laser-Service GmbH, Maulbronn leitete seinen Vortrag nach Vorstellung der Referenten mit einem kurzen Rückblick auf die Entstehung des DSI Innovationstages ein, der sich als Fortbildungsveranstaltung und Expertenforum in den letzten vier Jahren etabliert hat.

Immer stärker werdender Termindruck der Automobilzulieferer und steigende Nachfrage nach großflächigen Laserschweißungen fordern von den Laserherstellern innovative Ideen. Dieser Problematik stellt sich die Alpha Laser GmbH, Puchheim und setzt Kundenanforderungen und Erfahrungswerte in den Produktlinien zeitnah um.

Wie wichtig diese Weiterentwicklung ist und welche Möglichkeiten sich dadurch öffnen war Thema im Vortrag von Christian Frank. Beispiele aus den Anfängen des Laserauftragsschweißen zeigen anschaulich, wie die Laserleistung und das „Machbare“ direkt zusammenhängen. Ist es heute unproblematisch Geräte im Dauerbetrieb einzusetzen und eine wesentlich höhere Abschmelzleistung zu erreichen, entstehen Auftragsschweißungen die Flächenmäßig vor einigen Jahren nur mit WIG oder Plasma - Schweißen zu bewältigen gewesen wären. Sind anfänglich beim Laserschweißen Drähte mit einem Durchmesser von 0,3 mm verwendet worden, kann heute auf Durchmesser bis zu 0,8 mm zurückgegriffen werden.

Bei Materialien wie z. B. Ampcoloy oder Aluminium ist die Laserleistung ebenfalls ein Pluspunkt und doch sind auch mit einem 200 Watt Gerät Feinschweißungen wie bei einem 50 Watt Gerät möglich.

An mehreren Bildern aus der Praxis zeigte Christian Frank, welche optimalen Reparaturen aber auch Design - Änderungen durchgeführt werden. Durch eine fehlerhafte Berechnung wurde an einer Stoßfängermatrize eine insgesamt 4,80 m lange Schweißung notwendig, welche in einem Zeitraum von zehn Tagen durchgeführt werden musste. Die verarbeitete Drahtmenge betrug ca. 520 m bei einem Drahtdurchmesser von 0,7 mm, der Zeitaufwand für diese Arbeit lag bei ca. 120 Stunden. Eine so umfangreiche Arbeit ist nur mit Laserleistung und motivierten Mitarbeitern zu bewältigen. Ebenso die Schweißung eines Heckdeckels, bei dem der Bereich Falzkante neu definiert wurde.

Und doch muss in der Vorbereitung einer solchen Arbeit die Vorgeschichte des Werkzeugs – scherzhaft von Herrn Frank Patient genannt – geklärt werden. Nur wenn die Ursache des Defekts beleuchtet worden ist oder welchen Ansprüchen das Werkzeug in der Anwendung genüge tun muss, kann eine optimale Reparatur erfolgen. Sind die Ursachen nicht vollständig geklärt kann beim Einsatz des reparierten Materials eine Abplatzung oder ein Stressbruch die Folge sein. Hier ist es wichtig Erfahrungen – auch negative – richtig zu analysieren und in der Zukunft umzusetzen. Dadurch kann vermieden werden, dass sich z. B. durch Materialschwund bei einer Reparatur , geschweißte Stelle nach kurzer Zeit abhebt. Bei Umformwerkzeugen muss die Schweißung nicht nur Druck sondern auch Zug-Spannung aushalten.

Bei einer Materialfraktur ist die Lagenschweißung an die Originalfraktur anzupassen, um ein optimales Schweißergebnis zu erhalten.

Im Folgevortrag von Dr. Gerd Kuscher, SLV Hannover, wird die Behauptung von Christian Frank, dass auch bei einem 200 Watt Laser lediglich minimale Wärmeeinflusszonen entstehen, metallurgisch untermauert.

Bei Wärmeeinflusszonen handelt es sich um thermische Belastungen des Werkstoffes. Klassische kritische Wärmeeinflusszonen, wie bei konventionellen Schweißprozessen entstehen bei einer Laserschweißung nicht. Das zu schweißende Material kühlt mit Lasern im vorliegenden Leistungsbereich in der Regel schneller ab, als der Werkstoff in der Wärmeeinflusszone gefügemäßig reagieren kann (keine Grobkornzone). Dadurch sind schmale fast parallele Schweißungen mit einer Schrumpfkraftminimierung möglich.

Die Mikroschliffe einer Stumpfnaht an einem Rohr aus hochwarmfestem Stahl und Werkzeugstählen zeigen, dass ein sehr gutes Schweißergebnis ohne Vorwärmen möglich ist. Bei herkömmlichen Schweißverfahren kann hier nicht auf zeitaufwendige Vorwärmung und z. T. Wärmenachbehandlungen verzichtet werden.

Die Auswertung des Grundmateriales, des Drahtes und der entstandenen Wärmeeinflusszonen macht deutlich, dass beim Laser-Schweißdraht andere Voraussetzungen zum tragen kommen, als bei konventionellen Drähten. Die schnelle Abkühlzeit kann hier zur Optimierung der Festigkeit genutzt werden. Auch ist beim Schweißvorgang eine Härte erzielbar, welche alleine von der Material-Zusammensetzung gar nicht gegeben ist.

Fazit des Vortrages von Herrn Dr. Kuscher ist, dass ein gut ausgebildeter Bediener von Laseranlagen mit fachlichen Kenntnissen Laserschweißungen an schwierigen Werkstoffen erfolgreich durchführen kann, besser als es mit dem WIG Verfahren möglich ist. Die Schweißung ist qualitativ besser zu bewerten, da auch eine Materialschrumpfung minimiert wird. Durch das Wegfallen des u. a. Vorwärmvorganges ist auch der Faktor Zeit in der Gesamtrelation zu sehen. Die geringere Nachbearbeitung durch gezielte Schweißungen ist ein weiterer Pluspunkt.

Cerkez Kaya, Air Liquide Deutschland GmbH, zeigt in einem Diagramm, welche Einflussgrößen generell bei Schweißungen eine Rolle spielen: Strahlführung, Fokussierung, Vorschubgeschwindigkeit, Prozessgas u.s.w.

Der Gedanke, das Schweißergebnis durch Zufuhr von optimierten Misch-Gasen positiv zu verändern, wurde von Herrn Kaya aufgegriffen.

In Zusammenarbeit mit der DSI Laser-Service GmbH wurden verschiedene Testschweißungen gemacht, welche sich lediglich durch die Zusammensetzung des Schutzgas-Gemisches unterscheiden. Grundmaterial, Drahtzusatz und Parametereinstellung waren jedes Mal identisch. Die ersten gelungenen Versuche, welche vor einem Jahr durchgeführt wurden, sollten in einer zweiten Testreihe genauer untersucht werden. Damals wurde an einem ungehärteten Material eine Steigerung von HRC 48 auf HRC 62 erreicht.

In den neuen Tests wurde ein Grundwerkstoff mit einer Härte von ca. 55 – 57 gewählt. Das Ergebnis mit einem Vier-Komponenten Mischgas war wieder mit einer Härte von HRC 62 überzeugend. Man kann also davon ausgehen, dass durch die Wahl eines optimalen Mischgases als Einflussgröße – nicht nur Schutz gegeben ist, sondern tatsächlich die Härte des geschweißten Werkzeuges erhalten bleibt und sogar gesteigert werden kann.

Selbstverständlich ist als Schutzgas nach wie vor Argon universell einsetzbar. Jedoch ist durch diese Versuche das Anwendungsfeld für Laserschweißungen wieder für die Zukunft erweitert. In wie fern diese Mischgase in Zukunft vertrieben werden, hängt sicherlich von der Nachfrage und weiteren Einsatzbereichen ab.

Besonderer Dank für seinen Vortrag, wurde Hans-Wolf Wiederoder von der Hohenloher Formstruktur zuteil. Herr Wiederoder ist kurzfristig für einen Referenten eingesprungen. Zur Einführung in die Thematik wurde an Bildern gezeigt, welche naturnahen Strukturen mittels Ätztechnik nachgebildet werden können. Auch Phantasie-Strukturen, die der Vielfalt keine Grenzen setzen, werden nach Kundenanforderungen ausgearbeitet.

Interessant waren für die Zuhörer die deutlichen Hinweise, dass bei einem Ätzvorgang ganz spezielle Anforderungen an das Reparaturschweißen gestellt werden. Hier ist wichtig, wie sich die geschweißte Stelle beim Ätzen verhält. Ist überhaupt möglich, das Material im Anschluss zu bearbeiten? Auch können trotz eines gelungenen Ätzvorganges im Kunststoff Farbschattierungen auftreten, welche direkt mit der Schweißung einhergehen. In diesen Fällen ist – egal bei welchen Schweißverfahren – eine genaue Absprache zwischen Reparaturbetrieb und Nachbearbeiter erforderlich. Ätztests auf Probestücken helfen, langwierige Versuche auf Kosten des Werkzeuges, der Zeitschiene und der beteiligten Betriebe zu verhindern.

Zentrale Forderung an jede Schweißung ist, dass das Gefüge zwischen Grundwerkstoff und Schweißgut gleiche Eigenschaften aufweist. Diese Anforderung gilt sowohl für Strukturätzungen als auch Hochglanzpolituren.

Die von Herrn Wiederoder gezeigten Negativbeispiele veranschaulichen welche Abhängigkeit zwischen Schweißen und Ätzen bestehen. Die Innovation Laserschweißen im Reparaturbereich ist eine geniale Möglichkeit Fehlerquellen auszuschließen. Können und Wissen muss jedoch beim Anwender vorhanden sein.

Über einen komplett differenten Anwendungsbereich referiert Otmar Giuliani, Theilacker Motoreninstandsetzung, in seinem Vortrag. In seinem Tätigkeitsfeld, der Instandsetzung von Oldtimer-Motoren, trifft Herr Giuliani oft auf Werkstoffe, welche nicht bekannt und exotisch sind. Bei Oldtimer die älter als 30 Jahre sind, kann der Werkstoff oft noch ermittelt werden. Bei den Ur-Oldtimern, nämlich die, die älter als 60 Jahre sind, ist dies kaum mehr möglich.

Die gezeigten Beispiele lassen die Zuhörer staunen. Ein Zylinderkopf eines Austin Haley Baujahr 1963 konnte mittels Laserreparatur wieder voll funktionsfähig gemacht werden. Eine herkömmliche Reparaturweise wäre zu Lasten des Materials gegangen und hätte vermutlich den Schaden vergrößert. Die Verantwortung, wenn ein gebrochenes Stützlager eine Citroens aus dem Jahre 1926 als Patient angeliefert wird ist unermesslich. Ersatzteile sind hier nicht mehr erhältlich – ein Nachbau ist sehr kostspielig. Auch hier konnte der Grauguss mit Hilfe optimalen Schweißzusatzes und angeeignetem Know-how regeneriert werden.

Wohl eines der schönsten Bilder, zeigte einen Buick von 1908. Das Ansaugrohr des Motors hatte einen Riss. Dass das Fahrzeug heute wieder betrieben werden kann – natürlich nur für besondere Fälle, ist ein weiterer Meilenstein in der Laseranwendung.

Der DSI Innovationstag hat sich durch die Themenbeiträge der Referenten zu einem kurzweiligen Fortbildungsprogramm entwickelt. Beim gemeinsamen Mittagessen und der Begehung der Räumlichkeiten blieb genügend Platz Kontakte mit anderen Teilnehmern zu knüpfen und Erfahrungen auszutauschen. Die Produktpalette der Laserschweißgeräte wurde dem interessierten Publikum vorgeführt und Fragen kompetent beantwortet. Die Veranstaltung wird auch im nächsten Januar 2006 wieder mit neuen Themen Ihren angestammten Platz einnehmen.

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