UMFORMtechnik (Blech)

 
 
   

MSG-Schweißen

Neue Symbiose von Laser und Lichtbögen

Die Synthese aus Laser und MSG-Tandem zum Hochleistungsschweißen wird Fronius offiziell erst in zwei Jahren zur Fachmesse Schweissen & Schneiden im September 2009 präsentieren. Heute schon lüftet das führende Unternehmen in Sachen Lichtbogen-Schweißtechnik schon einmal den Schleier über dem perspektivischen Entwicklungsprojekt. Die neue Fügevariante koppelt die Vorzüge beider Ausgangsverfahren. Die Basis für die Anwendungsvielfalt sowie die differenzierten Vorteile resultieren aus dem neuen gemeinsamen Schweißkopf und dem gleichzeitigen Wirken von Laserstrahl und zwei MSG-Lichtbögen in das Schmelzbad.

Die ersten Versuche, die Vorteile des Laser- und Metall-Schutzgas(MSG)-Schweißens in einem Arbeitsprozess zu vereinen, reichen weit in die 80-er Jahre zurück. Dabei wirken der fokussierte Laserstrahl und der Lichtbogen gemeinsam in der Fügestelle. Mit hoher Energiedichte dringt der Laserstrahl tief in den Werkstoff ein; das MSG-Schweißsystem bildet einen breiteren Brennfleck aus und befördert gleichzeitig den Schweißzusatz in das Schmelzbad. Die Kombination vereint die Vorteile des Lasers – hohe Schweißgeschwindigkeit, kleine Wärmeeinflusszone, tiefer Einbrand – mit denen des MSG-Schweißens – gute Überbrückung des Bauteilspalts, höhere Nahtfestigkeit, Möglichkeit, das Gefüge der Schweißnaht mit dem Zusatzwerkstoff gezielt zu beeinflussen.
Anfänglich scheuten viele Marktteilnehmer jedoch die hohen Investitionskosten für die Technologie. Auf der Fachschau Schweissen & Schneiden 2001 in Essen konnte Fronius das erste praxisgerechte und wirtschaftliche Laser-Hybrid-Schweißsystem vorstellen. Bisher arbeiten weltweit 65 Anlagen des Unternehmens vorwiegend in der Serienfertigung der Automobilindustrie. Sie Fügen Achsen, Türen sowie Dachrahmen aus Aluminium oder Stahl bis zu vier Millimeter Dicke.

Laser-MSG + MSG-Tandem

Bald danach wurde das Verfahren um eine Variante zum Laser-MSG + MSG-Tandem erweitert, indem ein MSG-Tandem-Brenner mechanisch an dem Hybridkopf befestigt wurde. Mit diesem Hochleistungs-Schweißprozess lassen sich Stahlbleche bis zu acht Millimeter Dicke mit hoher Geschwindigkeit fügen. Dabei legt der Laser-MSG Prozess die tiefe Nahtwurzel. Ein nacheilendes Paar (Tandem) MSG-Brenner mit zwei Schweiß-Zusatzdrähten füllt die Schweißnaht bei gleicher Geschwindigkeit und hoher Abschmelzleistung. Davon profitieren Branchen wie der Anlagen-, Behälter-, Maschinen-, Stahl- und Schienenfahrzeugbau beim Fügen von Baustählen, ferritischen/austenitischen Chrom-Nickel-Stählen und Duplex-Stählen.

LaserTandem: Die neue Freiheit – ein Schweißkopf, fünf Verfahren

Mit der Entwicklung eines Schweißkopfes, der neben der Laseroptik auch die beiden MSG-Brenner räumlich nahe integriert, vereint das neue LaserTandem-Schweißen nun die Vorteile der bisher eigenständigen Verfahren. Gleichzeitig eliminiert der LaserTandem-Kopf die zwar eingeschränkte Zugänglichkeit bei ebenen und dreidimensionalen Werkstücken: die Achsen von Laserstrahl und Lichtbögen liegen nah zueinander (Grafik). Eine ebenso brandneue Software koordiniert und steuert während des Schweißprozesses alle Parameter.
Eine Triebfeder für die Entwicklungsingenieure aus Wels waren die zu erwartenden vielfältigen Anwendungen des neuen Kopfes in der Praxis. Erweitert er doch die Möglichkeiten gegenüber herkömmlichen Laser-/MSG-Kombisystemen auf fünf Schweißverfahren:

Vorteile des LaserTandems

– Laser solo,
– Laser mit „heißem“ Zusatzdraht zum Löten oder Schweißen,
– Laser mit MSG-Einzeldraht,
– Laser mit MSG-Doppeldraht (Tandem),
– MSG-Schweißen mit einem oder zwei Drähten.

Wirtschaftlichkeit belegt

Schon jetzt sind diese Perspektiven eine Herausforderung für Konstrukteure und Entwickler in den Betrieben. Sie schaffen schließlich auch völlig neue Anwendungsmöglichkeiten!
Aufhorchen sollten auch die „Kostenrechner“ in den Unternehmen: In Zukunft ist nicht mehr die Abschmelzleistung die dominante Größe des Schweißprozesses. Vielmehr werden durch neue Nahtgeometrien und Werkstoffe/Werkstoffkombinationen die Schweißgeschwindigkeit, z.B. in Metern pro Stunde, zur Messlatte der Wirtschaftlichkeit (Kasten: Wirtschaftlichkeitsvergleich).
Gegenüber seinen Vorläufern bietet das Verfahren eine deutlich höhere Produktivität. Die Metallurgie der Schweißnaht ist über den Schweiß-Zusatzwerkstoff hervorragend „einstellbar“. So lässt sich beispielsweise eine Zähigkeit erreichen, wie sie sonst nur der MSG-Prozess liefert. Zudem wird mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten gefügt. Auch die größere Toleranz gegenüber Werkstückspalten zeichnet die Verfahrenskombination aus – was den sonst üblichen Aufwand gegenüber Laser solo für die Schweißnahtvorbereitung stark reduziert. Die Wärmeeinbringung in das Bauteil fällt gegenüber dem MSG-Schweißen geringer aus. Damit reduzieren sich auch der Verzug und somit kostspielige Richtarbeiten. Im Fall einer Kehlnaht kennzeichnet dies bei gleichen Festigkeitsanforderungen das geringere Nahtvolumen. Denn statt z.B. bei einer Kehlnaht die Schweißnaht auf den beiden Flankenoberflächen aufzubauen, liegt sie dank des Lasers tiefer in den gefügten Flanken. Beispielsweise genügen statt 4 mm a-Maß „auf“ den Flanken 2 mm mit teilweise in den Blechen liegender Naht (Grafik). Geringerer Verzug wegen dieses Effekts bedeutet auch passgenauere Bauteile.
Im direkten Vergleich zwischen LaserTandem und LaserHybrid mit einem Lichtbogen sprechen die Zahlen eindeutig für die Tandem-Version:
– 25 % höhere Spaltüberbrückung,
– 50 bis 100 % höhere Geschwindigkeit,
– 50 % höheres Nahtvolumen bei gleicher Geschwindigkeit.
Die digitale Steuerung und die ermittelten Kennlinien gewährleisten reproduzierbare Ergebnisse.
In einer für den Maschinenbau typischen Anwendung – Kehlnaht am Überlappstoß an zwei jeweils 2 mm dicken Blechen – wird der perfekte Einbrand des Verfahrens deutlich. Der fokussierte Laserstrahl erzeugt die mustergültige Nahtwurzel, das MSG-Tandem die optimale Decklage mit ebensolchem seitlichen Einbrand (Schliffbild).
Neben umfangreichen Versuchsreihen im Schweißlabor belegen auch die akribischen Berechnungen der Fronius-Entwickler die Wirtschaftlichkeit des LaserTandem: Allein der hohe Materialpreis, zum Beispiel für G3Si1-Zusatzwerkstoff (ohne dessen zu erwartende Steigerungen), kann die Investition in ein LaserTandem-System in fünf bis zehn Jahren kompensieren. Weitere Beschleunigung erfährt die Amortisation durch die zusätzlichen Anwendungsvorteile. Hier das Beispiel eines Druckbehälters: Er wird bisher auf vier Stationen mit MSG-Eindrahtverfahren gefügt. Mit dem LaserTandem genügt dagegen eine Schweißstation. Statt vier parallel arbeitender reiner MSG-Anlagen kann dementsprechend zukünftig eine LaserTandem-Anlage die Behälter schweißen. Allein die um 75% reduzierte Produktionsfläche würde weiter erheblich die Kosten senken. Hinzu kommen die Auswirkungen der Personaleinsparung von vier auf einen Bediener. Die Gesamtbetrachtung mit allen fixen und variablen Kosten führt dann zu einer Amortisationszeit von weniger als zwei Jahren. Einen Vergleich zwischen den Varianten MSG-Tandem und LaserTandem – allerdings ohne Berücksichtigung der bei LaserTandem praktisch halbierten Raumkosten – zeigt die tabellarische Übersicht.
Nachdem das Projekt dem Entwicklungslabor entwachsen ist, hat es nun im Welser Anwendungstechnikum Einzug gehalten. Das Arbeitsprogramm bis zur offiziellen Präsentation auf der Schweissen & Schneiden in 2009 sieht das Fügen geeigneter Praxisanwendungen, das Optimieren der dazugehörigen Schweißdaten sowie das Optimieren von Prozess und Anlage vor.
Generell werden LaserHybrid-Verfahren künftig hinsichtlich der Investition des Lasergerätes interessanter. Denn aufgrund der gestiegenen Wirkungsgrade der Laser und neuer Faser- sowie Scheibenlaser verringern sich die Anschaffungskosten um 20 bis 30 Prozent!
Gerd Trommer

Fronius Deutschland GmbH Schweißtechnik
Liebigstraße 15
D-67661 Kaiserslautern
Tel.: +49 631 35127-0
Internet: www.fronius.com