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Im Labor wurde von Laserschweißstromquellen mit bis zu 100 kW berichtet, die mehr als 50 mm Stahl in einem Durchgang schweißen können. Auf diesem Foto sehen wir einen Hochgeschwindigkeits-Faserlaser, der ultrahochfeste Stähle für Automobilanwendungen schweißt.

Die meisten Experten würden das Schweißen als eine ausgereifte Technologie betrachten. Doch in den letzten zwei Jahrzehnten wurden erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung neuer Technologien zum Verbinden neuer hochfester Materialien, der Integration intelligenter Automatisierung und der Anwendung verschiedener Schweißverfahren in der additiven Fertigung (AM) von Bauteilen erzielt. Die Untersuchung der Trends im Forschungs- und Industriesektor bietet einen Einblick in die Bereiche, in denen möglicherweise wachsende Wissenslücken für Innovationen und potenzielle Qualifikationslücken für zukünftige Schweißer und Ingenieure bestehen.

Heiße Themen

Im Jahr 2012 führte das International Institute of Welding (IIW) eine Umfrage unter mehr als 60 Experten auf der ganzen Welt durch, um die Innovationen zu ermitteln, die den größten Einfluss auf das Schweißen hatten [1]. Es befasste sich mit den aktuellen Herausforderungen im Zusammenhang mit neuen Materialien und deren Schweißbarkeit. Einige der neuen Technologien, die als Wachstumsbereiche angegeben wurden, waren Roboter-, Elektronenstrahl-, Laser-, Hybridlaser-, Reibrühr- und Magnetimpulsschweißen. Die zwischen 2013 und 2018 veröffentlichte Literatur legt nahe, dass es sich weiterhin um aktuelle Themen in der wissenschaftlichen Forschung handelt. Beispielsweise befassen sich in diesem Zeitraum die zehn am häufigsten zitierten Arbeiten, die „Schweißen“ als Thema behandeln [2-11], alle mit Laser-, Elektronenstrahl- oder Reibrührprozessen; Acht dieser Arbeiten wenden diese Prozesse jedoch auf den AM- oder 3D-Druck von Metallkomponenten an. Dies ist nicht besonders überraschend, da sowohl im öffentlichen als auch im privaten Sektor erstaunlich hohe Investitionen in die AM-Forschung getätigt wurden, um das Drucken großer Metallkomponenten und -strukturen zu ermöglichen.

Obwohl kommerzielle Systeme, die auf der Lasererwärmung eines Pulverbetts basieren, in einer Reihe von Branchen eingesetzt werden, setzt sich Drahtlichtbogen-AM [12] in der Fertigung erst langsam durch. Eine der bemerkenswertesten Anwendungen des Verfahrens ist die Fußgängerbrücke, die MX3D [13] mithilfe von Roboter-Schutzgasschweißen herstellt. Obwohl es sich bei diesem Beispiel um ein beeindruckendes Einzelstück handelt, wird diese Technologie auch für andere große Komponenten wie Schiffspropeller als wirtschaftlich sinnvoll anerkannt. Tatsächlich wurde ein Propeller mit 1,35 m Durchmesser und einer Masse von 400 kg in 3D gedruckt [14]. Es wird erwartet, dass weitere Anwendungen auf den Markt kommen werden, die qualifizierte Arbeitskräfte erfordern, die in der Lage sind, Schweißkenntnisse mit Roboterautomatisierung und Feedback-Steuerungen zu kombinieren. Fortgeschrittenere Systeme verwenden Elektronenstrahl-Wärmequellen, um Metall mit geschlossener Geometriesteuerung abzuscheiden [15], und einige davon werden jetzt bei AM-Dienstleistern in Kanada installiert [16].

Kürzlich wurde das Reibrührschweißen angepasst, um die Materialabscheidung für AM zu erleichtern [17]; Dies bietet einige einzigartige Vorteile hinsichtlich der Baugeschwindigkeit und der Materialeigenschaften. Das Reibrührschweißen wurde in der Automobilindustrie von Honda und Mazda für Anwendungen wie die Verbindung von unterschiedlichem Aluminium mit Stahl kommerziell eingesetzt [18]. Die Anwendung des Rührreibschweißens dürfte im Automobilsektor beim Bau von Elektrofahrzeugen zunehmen [19], wo beim Schweißen des Batterieträgers normalerweise mehrere extrudierte und geformte Aluminiumkomponenten beteiligt sind, die beim Schweißen hermetisch abgedichtet werden müssen.

Eines der exotischsten Materialien, die in jüngster Zeit durch Rührreibschweißen verbunden wurden, ist CoCrFeNiMn, eine hochentropische Legierung, die Festigkeiten von mehr als 600 MPa und Bruchdehnungen von über 60 Prozent erreichen kann [20]. Diese hochentropischen Legierungen haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer Kombination von Eigenschaften und ihres Potenzials, hochwertige Stähle und Titanlegierungen in Luft- und Raumfahrtanwendungen oder in Energieanwendungen, bei denen harte Beschichtungsmaterialien benötigt werden, zu ersetzen, erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Die Reichweite des Laserschweißens erweitern

Was traditionellere Verbindungsanwendungen betrifft, haben Fortschritte in der Fertigungstechnologie dazu geführt, dass die Kosten für Hochleistungslaserquellen weiter gesenkt und gleichzeitig deren Qualität gesteigert wurde. Im Labor wurde von Laserschweißstromquellen mit bis zu 100 kW berichtet, die mehr als 50 mm Stahl in einem Durchgang schweißen können [21]. Allerdings wird es immer schwieriger, mit solchen Hochleistungslaserquellen hohe Eindringtiefen zu erreichen. Typischerweise kann eine Eindringtiefe von etwa 1 mm pro Kilowatt erreicht werden, während diese bei über 20 kW aufgrund von Einbußen bei der Energieeffizienz auf etwa 0,5 mm pro Kilowatt abnimmt. Die Kontrolle der Eindringtiefe für solche Hochleistungslaser ist von entscheidender Bedeutung, und die Technologie hat ein Hochgeschwindigkeits-Feedbacksystem entwickelt, um die Eindringtiefe eines Laser-Schlüssellochs während des Schweißens zu überwachen und zu steuern [22].

Um dicke Abschnitte mit geringerer Leistung zu schweißen, haben sich Techniken wie Hybridschweißen [23] und Laserscanning oder Hochgeschwindigkeitsoszillation [24] als Ansätze zur Reduzierung der erforderlichen Leistung für viele Spezialanwendungen erwiesen. Der Einsatz des Hybrid-Laser-Lichtbogenschweißens hat die Leistungsfähigkeit des Laserschweißens für dickere Materialien erhöht, die Komplexität des Prozesses nimmt jedoch aufgrund der zusätzlichen Variablen wie Drahtvorschubgeschwindigkeit und Lichtbogenstrom, Lichtbogenabstand, Brennerwinkel usw. erheblich zu Auswahl des Schutzgases [25].

Die Vorteile des Hybrid-Laserlichtbogenschweißens zur Reduzierung des Wärmeeintrags und zur Verringerung der thermischen Verformung wurden in der Schiffbauindustrie erkannt [26], und dies hat in den letzten zwei Jahrzehnten zum Einsatz dieser Technologie auf vielen Werften in ganz Europa geführt. Dies ist eine logische Nischenanwendung, da die Verbindung von Strukturen in Marineanwendungen typischerweise aus großen Platten besteht, die anfällig für Verformungen sind, und die Korrektur dieser Verformungen traditionell einen erheblichen Prozentsatz der manuellen Arbeitskosten ausmacht.

Hier erhöht das Hybrid-Gas-Metalllichtbogenschweißen mit Kaltdrahtzusätzen die Metallauftragsrate und verändert die Schweißmetallchemie in Echtzeit.

Reduzierter Verzug ist auch für die Automobilindustrie eine wichtige Anforderung und hat das Hybrid-Laserlichtbogenschweißen zu einer beliebten Wahl für das Verbinden hochfester dünner Bleche in Automobilkarosserien und das Hartlöten von Dachblechen gemacht. Der Einsatz von Lasern im Automobilbereich geht auf den Ford Torino von 1976 zurück, bei dem CO2-Laser zum Verbinden von Karosserieteilen eingesetzt wurden; Zur Großserienfertigung kam es jedoch erst mit dem Einsatz des Laserschweißens für das Dach der BMW 3er-Reihe im Jahr 1985 [27]. Die Automobilindustrie hat das Remote-Laserschweißen seit 2007 weit verbreitet [28], bei dem der Laser viel schneller gescannt wird als die Bewegung des Roboterarms. Diese Technologie hat begonnen, traditionelle Widerstandspunktschweißmethoden in Situationen zu verdrängen, in denen höhere Produktionsraten erforderlich sind [29], da eine kleine kreisförmige oder C-förmige Laserschweißnaht eine vergleichbare Festigkeit bieten kann. Diese Scanstrategien wurden auch beim Lasernahtschweißen eingesetzt, bei dem das Oszillieren in einem Kreis- oder Webprofil Fehler bei der Aluminiumverbindung reduzieren oder das Verbinden unterschiedlicher Materialien erleichtern kann [30].

Angesichts der Tatsache, dass die Festigkeit vieler Stähle im Automobilbereich mittlerweile zwischen 980 und 1.500 MPa liegt, können die hohe Energie und die schnellen Schweißgeschwindigkeiten von Lasern die Verschlechterung der Wärmeeinflusszone in diesen Materialien verhindern. Allerdings bleibt es in anderen Branchen, in denen dickere Materialien verwendet werden, eine Herausforderung, diese Erweichung zu vermeiden und gleichzeitig die Zähigkeitsanforderungen in neuen hochfesten Stählen mit Streckgrenzen über 1.200 MPa zu erfüllen [31]. In Japan gab es einen erheblichen Vorstoß in Richtung der Anwendung sowohl autogener Laser als auch von Laser-Heißdraht-unterstützten Prozessen für großflächige Strukturanwendungen, wobei diese Methoden seit 2014 für Brückenfahrbahnplatten eingesetzt werden [32]. Diese Anwendungen stellen erhebliche Anforderungen an die Ermüdung, und das Laser-Heißdrahtschweißen bietet neue Möglichkeiten zur Steuerung der Geometrie der Kehlkopfgeometrie [33], was einen großen Vorteil darstellt, da diese Form einen direkten Einfluss auf die Entstehung von Ermüdungsrissen hat.

Feedback und Überwachung in Echtzeit

Andere Kostensenkungen in den Bereichen Robotik, Sensorik und Signalverarbeitung ermöglichen seit mehr als zwei Jahrzehnten Funktionen wie die automatisierte Nahtverfolgung (entweder durch den Lichtbogen oder mithilfe eines externen Lasers) in der Automatisierung [34, 35]. Die Miniaturisierung von Sensoren und Rechenleistung hat neue Möglichkeiten ermöglicht, wie z. B. Trainingssysteme, die Augmented Reality [36] und Echtzeitüberwachung nutzen, um Schweißern Rückmeldung über ihre Fahrgeschwindigkeit oder mögliche Fehlerbildung zu geben [37].

Einige jüngste Fortschritte bei Wärmebildkameras haben auch die Kosten der Sensoren gesenkt und gleichzeitig ihre Robustheit für industrielle Anwendungen erhöht. Es wurden kommerzielle Systeme entwickelt, die sowohl eine thermische Überwachung [38, 39] als auch eine adaptive Steuerung des Schweißens mithilfe einer thermischen Rückmeldung auf Basis der Pyrometer-Sensortechnologie ermöglichen [40, 41]. Parallel zur Wärmebildtechnik haben Fortschritte bei der High-Dynamic-Range-Bildgebung zur herkömmlichen Bildüberwachung der Schweißnaht wesentlich zuverlässigere und klarere Beobachtungen des Schweißprozesses ermöglicht und die Überwachung anspruchsvoller Bereiche ermöglicht, auf die Bediener keinen direkten Zugriff haben. [42].

Bei all diesen Innovationen in der Sensorik werden Datenverarbeitung und -speicherung zu einer Herausforderung. Speicher wird für Überwachungsanwendungen wichtig; Hier werden die Möglichkeiten der Qualitätskontrolle sehr attraktiv. Im Fall der Überwachung thermischer Signaturen kann man beispielsweise zerstörungsfreie Prüfgeräte koordinieren, die später in der Produktion eingesetzt werden, um nur Bereiche zu prüfen, in denen das thermische Profil von einem Sollwert abweicht. Mit der kombinierten visuellen, thermischen und elektrischen Signalüberwachung werden neue Möglichkeiten zur Fehlererkennung entstehen, da alle beteiligten Systeme im Zuge der Industrie 4.0-Revolution immer stärker miteinander verbunden werden.

Erwarten Sie jedoch nicht, dass das gesamte manuelle Schweißen überflüssig wird. Wir sind noch weit davon entfernt, die meisten sich nicht wiederholenden Schweißvorgänge durch Automatisierung ersetzen zu können. Diese Fortschritte in der Sensorik können jedoch immer noch Auswirkungen auf diesen Bereich haben. Beispielsweise kann ein miniaturisiertes Spektrometer am Helm eines Schweißers anzeigen, dass sich die Zusammensetzung des Schweißguts oder des Schutzgases geändert hat. Dieses Signal kann ihnen über ein Augmented-Reality-Display übermittelt werden, das ihre Fackelposition überwacht [43]. Es gibt eindeutig ein erhebliches Innovationsfeld, das durch neue Schweißtechnologien eröffnet wird, die derzeit entwickelt werden oder bereits in der Industrie eingesetzt werden.

Adrian Gerlich ist außerordentlicher Professor am Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik der University of Waterloo ([email protected]).

Verweise: