Laser­schweissen im Unterdruck

© Foto: TRUMPF

pro-beam, TRUMPF und das ifs bringen das spritzerfreie Unterdruck-Schweißen von Powertrainbauteilen mit Festkörperlasern zur industriellen Reife.

Es ist eine uralte Liebe. Seit sich die ersten sprühenden Funken in glänzenden Augen gespiegelt haben, freuen sich Menschen, wenn es blitzt und bratzelt. So kommt es wohl, dass diese spezielle Laserschweißdemonstration im Münchner Vorort Planegg selbst beim erfahrenen Zuschauer etwas wie Bedauern auslöst. Dabei zeigt sie einen technischen Sieg über die unerwünschten Begleiterscheinungen des Tiefschweißens mit Festkörperlasern: über Funken und Spritzer, die sich teilweise als Ablagerung auf der Werkstückoberfläche festsetzen.

Hinter der dicken Sichtscheibe der Unterdruckkammer regneten grade noch die goldenen Funken und über der Schweißnaht stand eine flackernde Metalldampffackel. Das war Schweißen mit einem Sechs-Kilowatt-Scheibenlaser bei Atmosphärendruck. Nun zittert da nur noch etwas wie ein Streichholzflämmchen über dem Metall und hier und da ziehen einzelne Funken ihre Bahn.

So läuft das von pro-beam, TRUMPF und ifs entwickelte Laserschweißen im Unterdruck ab. Video: pro-beam.

Das ist alles, was bei einem Zehntel des normalen Atmosphärendrucks noch bleibt. Und bei einem Hundertstel ist es dann ganz vorbei. Kaum ein Funke ist zu sehen und dieser Hauch eines Leuchtens über dem Zahnrad schafft es gerade noch durch den Blendfilter in der Sichtscheibe.

Gemeinsames Forschung­sprojekt

Die Anlagen-Technologie

Das Unternehmen pro-beam ist mit 249 Mitarbeitern der größte Anbieter für Elektronenstrahl-Technik weltweit. Seit 1974 entwickelt es Anlagen und Verfahren für die Materialbearbeitung mit Elektronenstrahltechnik.

Die Unterdruckkammer, in der das verlöschende Feuerwerk zu sehen war, steht in der Versuchsabteilung von pro-beam, einem Unternehmen, das die meisten nicht mit Lasern sondern mit Elektronen­strahl­schweißen in Verbindung bringen. Für Dr. Thorsten Löwer, Vorstandschef von pro-beam, ist das allerdings kein Konflikt sondern nur Konsequenz: „Wenn Sie sich unser Logo genau anschauen, werden sie sehen, dass dort schon immer ‚Laser und Elektronenstrahl‘ stand.“ Diese Offenheit ermöglichte ein Gemeinschaftsprojekt, mit dem zwei Unternehmen und eine Forschergruppe dem Festkörperlaser ganz neue Perspektiven im Tiefschweißen eröffnen.

Die Wurzeln des Projekts finden sich im Jahr 2009. TRUMPF, das andere Unternehmen im Bunde, hatte kurz zuvor neue, hochbrillante Scheibenlaser auf den Markt gebracht. „Wir sahen die Festkörperlaser an die Fokussierbarkeit des Elektronenstrahl heranrücken“, erinnert Löwer sich. „Klaus Löffler von TRUMPF und ich begannen deshalb bei einem Treffen zu phantasieren. Wir fragten uns, was wohl passiert, wenn der Scheibenlaser in einer ähnlichen Umgebung schweißt wie der Elektronenstrahl – also im Vakuum oder zumindest im Unterdruck.“

Wissenslücke geschlossen

Die Laser-Technik

TRUMPF ist Technologie- und Marktführer bei industriellen Lasern und bei Werkzeugmaschinen für die flexible Blechbearbeitung.

Die Antwort auf die Frage hat der Blick durch das Sichtglas der Vakuumkammer im oberen Stockwerk des pro-beam-Gebäudes gezeigt. Was daraus werden kann, präsentieren Dr. Löwer und der bei TRUMPF für Powertrain-Applikationen verantwortliche Branchenmanager Hakan Kendirci dann ein Stockwerk tiefer. Zwischen den Elektronenstrahlanlagen der Lohnfertigung von pro-beam steht dort eine kompakte Fertigungszelle, zu der ein gelbes Laserleitkabel führt. Hier gibt es keine Sichtscheiben mehr.

Es geht nicht um Laser gegen Elektronenstrahl. Wir wollten gemeinsam eine Lücke schließen.“

Hakan Kendirci, bei TRUMPF verantwortlich für Powertrain-Applikationen

Dafür eine Taktanlage mit einem Drehtisch. Wenn sie ausgeliefert ist, wird die Anlage täglich im Takt der Produktionslinie Zahnräder für Pkw-Getriebe schweißen, wie Kendirci erzählt. „Das ließe sich jetzt als Sieg des Lasers über den Elektronenstrahl missverstehen. Tatsächlich haben wir hier aber etwas ganz anderes geschaffen: Wir haben gemeinsam eine Lücke geschlossen.“

Schnell im Takt

Das Forschungsinstitut

Das Institut für Füge- und Schweisstechnik IFS der Universität Braunschweig hat sich auf die Erforschung der Verbindung von Bauteilen spezialisiert.

Die Taktanlage beim ifs in Braunschweig. Foto | ifs

Die Taktanlage beim ifs in Braunschweig. Foto | ifs

Tatsächlich geht es beim Laserschweißen im Unterdruck um Einschweißtiefen über drei Millimetern bei hohen Stückzahlen. Das sind die Tiefen und Geschwindigkeiten, bei denen der Festkörperlaser bereits zur Spritzerbildung neigt, während das Elektronen­strahl­schweißen Hochvakuum und die dafür notwendige technische Ausstattung der Anlage erfordert.

Gleichzeitig sind es die Anwendungen, bei denen ein Lasernetzwerk deutliche Effizienzgewinne erzeugen kann: Eine Strahlquelle könnte dann abwechselnd mehrere Schweißzellen versorgen und würde so optimal genutzt. Das wiederum lässt sich aber mit CO2-Laser und Elektronenstrahl nicht oder nur schwer realisieren.

Klingt sehr speziell? Dann sagen wir es mit den Worten von Dr. Löwer und Hakan Kendirci: „Es geht um die Millionen von Powertrainbauteilen, die sich genau in diesem Bereich bewegen. Da gibt es einen enormen Bedarf.“

Es ist extrem selten, dass die Anlagen bei einem solchen Forschungsprojekt schon nach zwei Jahren in die Serienfertigung gehen. Doch hier ist es so.“

Christian Börner, Projektleiter am IFS

Wie recht die beiden Vertreter von pro-beam und TRUMPF damit haben, bestätigt der dritte Partner im Projekt, Christian Börner. Börner ist der Projektleiter am Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs) der Universität Braunschweig. Er sagt: „Wir erleben selten, dass nur zwei Jahre nach dem Beginn eines solchen Applikationsforschungsprojekts tatsächlich Anlagen in der Serienfertigung arbeiten. Doch hier ist es so.“

Wunderschöne, spritzerfreie Schweißnähte

Das ifs kam etwa zwei Jahre nach jenem Phantasieren ins Spiel. Institutsleiter Prof. Klaus Dilger forscht sowohl an Laser- als auch an Elektronenstrahlverfahren. Als er 2011 die vorhandene pro-beam-Elektronenstrahlanlage durch eine neue ersetzte, blieb eine Vakuumkammer „übrig“: Dr. Löwer und Klaus Löffler sahen das als Gelegenheit und verständigten sich mit Prof. Dilger. pro-beam stellte dem Institut die Vakuumkammer weiterhin zur Verfügung und TRUMPF einen TruDisk 6002 mit sechs Kilowatt Leistung sowie die Optiken und Laserlichtkabel.

Verbesserung der Schweißnahtqualität beim Laserstrahlschweißen von Stählen mit Festkörperlasern durch reduzierten Umgebungsdruck am Beispiel des Getriebebaus. Video: ifs – Institut für Füge- und Schweißtechnik TU Braunschweig

Schon die ersten Versuche brachten saubere, praktisch spritzerfreie Schweißnähte hervor. Im Querschliff zeigten sie ein sehr schlankes Profil mit parallelen Wänden. Der typische Nagelkopf verschwand. „ Wir sahen wunderschöne, extrem saubere Schweißungen“, sagt Börner. „Und das brachte uns auf die entscheidende Idee. Statt auf maximale Einschweißtiefe zu zielen, konzentrierten wir uns darauf, ein neues, komplett nachbearbeitungsfreies Verfahren für das Schweißen am Antriebsstrang zu entwickeln.“

Ursache für Spritzer gefunden

In dem zweijährigen, öffentlich geförderten Forschungsprojekt mit dem Namen „Laserstrahlschweißen bei reduziertem Umgebungsdruck (IGF 17.560°N) im Niederdruck“ gelang es Börner und seinem Team den Wirkmechanismus weitgehend zu klären. Die Ursache für Spritzer und Fackel fanden sie in den Strömungen des austretenden Metalldampfs.

Er verwirbelt mit der Umgebungsluft und erzeugt so eine von Turbulenzen umgebene Metalldampffackel. Die Turbulenzen lassen die Fackel tanzen und sie klatscht dabei immer wieder auf die Schmelze hinter der Kapillare. Dort reißt sie Material mit sich, wirbelt es durch die Luft und lässt es als glühende Spritzer auf das Werkstück regnen.

Die Hochgeschwindigkeitskameras des ifs zeigen: Je schneller der Strahl durch das Metall pflügt, umso mehr neigt sich die Kapillare gegen die Schweißrichtung. Und je schräger die Gase dadurch ausströmen, umso heftiger klatscht die Fackel auf die Schmelze.

UND Das ist der Unterschied

 

„Wenn wir nun den Druck absenken, vergrößern wir die mittlere freie Weglänge der Metallatome in der Metalldampffackel – also die mittlere Strecke, die sie ohne jeden Zusammenstoß mit einem anderen Atom oder Molekül zurücklegen können“, erklärt Börner. „Bei Atmosphärendruck beträgt diese Weglänge ungefähr 68 Nanometer. Wenn wir den Druck auf ein Millibar absenken, wächst sie um das 1500-fache auf 100 Mikrometer.“

Makroskopisch gesehen heißt das: Das Metallgas strömt freier und geradliniger aus und die dichte Verwirbelungszone über dem Keyhole löst sich auf. Damit verschwinden die Turbulenzen und mit ihnen das Klatschen und so auch das Spritzen. Und: „Der Effekt entfaltet bereits zwischen zehn und einem Millibar seine volle Wirkung. Wir reden also über einen Nieder- oder Unterdruck und möchten uns so vom Hochvakuum des Elektronen­strahl­schweißens abgrenzen“, sagt Börner.

Automobil­industrie führt Verfahren ein

An der Schweißzelle in Planegg legt Hakan Kendirci ein frisch geschweißtes Zahnrad auf die Schleusenkammer der Taktanlage. „Das ist es worum es geht: Keine Spritzer, saubere Bauteile. Dabei können wir die Taktzeiten besser nutzen, indem wir mit der gleichen Strahlquelle abwechselnd in verschiedenen Kammern schweißen“, sagt er. „Und dafür reicht ein einfacher Unterdruck, der sich für Bauteile dieser Größenordnung in wenigen Sekunden herstellen lässt. Das verkürzt die Taktzeit gegenüber der Arbeit mit Feinvakuum ganz erheblich.“

Kein Wunder, dass zwei große Automobilhersteller im projektbegleitenden Ausschuss des Forschungsvorhabens vertreten waren und gerade beide daran arbeiten, das Verfahren einzuführen. Und kein Wunder, dass der Laserhersteller TRUMPF im eigenen Applikationszentrum schon länger selbst eine Unterdruckkammer betreibt.

Sie dient der praxisnahen weiteren Erkundung des Prozesses. Hakan Kendirci erklärt: „Bei nachlassendem Druck verschwindet nicht nur die Metalldampffackel. Es gibt noch andere vielversprechende Veränderungen. Wir untersuchen deshalb Parameter wie Spaltüberbrückbarkeit und das Verhalten verschiedener Werkstoffe beim Schweißen mit gleichen Partnern oder in unterschiedlichen Werkstoffkombinationen.“

Ich kann mir sehr gut effiziente Anlagen vorstellen, die Laserschweißen an der Atmosphäre mit Schweißen im Unterdruck kombinieren.“

Dr. Thorsten Löwer, Vorstandschef von pro-beam

Zukunft von Laser und Elektronen­strahl

Das Zukunftsbild sieht bei Hakan Kendirci und Dr. Löwer ähnlich aus. Während Laser und Elektronenstrahl in den Köpfen vieler noch Rivalen sind, ist die Verfahrensfrage auch hier nur eine Frage der Effizienz, der Kosten und des Invests.

„Warum immer entweder oder?“ fragt Dr. Löwer sich. „Es gibt viele Teile, bei denen sich Montageschritte mit unterschiedlich anspruchsvollen Schweißungen abwechseln. Mit unserem Know-how zu Unterdruck- und Schleustechnik kann ich mir sehr effiziente Anlagen vorstellen, die Laserschweißen an der Atmosphäre mit Schweißen im Unterdruck kombinieren.“ Er tippt nochmal auf das Logo von pro-beam, das Laser und Elektronenstrahl schon so lange vereint.

 

Kontakt

Hakan Kendirci
TRUMPF Branchenmanagement Automobil Powertrain
Tel.: +49 7156 303-36890
hakan.kendirci@de.trumpf.com

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  • Sehr geehrte Damen und Herren,
    mehr zufällig bin ich über diese Publikation gestolpert.
    Zugegebenermaßen bin ich schon etwas irritiert, dass man sich hier damit „schmückt“ der Erfinder des Laserstrahlschweißens im Vakuum zu sein.
    Daher würde ich sie gerne auf o.g. Website verweisen.
    http://www.leibinger-stiftung.de/de/foerderaktivitaeten/laser-forschungs-innovationspreis/innovationspreis/nominierte2014.html
    Es ist ja in Ordnung, wenn in ihrem Hause, aus welchen Gründen auch immer, eine Parallelentwicklung mit einem anderen Konsortium angestossen wurde.
    M.E. hat die Fa. Trumpf es aber nicht nötig sich mit fremden Lorbeeren zu schmücken.
    Beste Grüße

    Uwe Reisgen

  • Lieber Herr Prof. Reisgen,
    vielen Dank für Ihre Nachricht. In dem Artikel behaupten wir nicht, dass wir das Laserschweißen im Vakuum erfunden haben. Wir stellen dar, wie drei Partner einen funktionierenden industriellen Prozess für das Schweißen von Powertrain-Bauteilen entwickelt haben. Der Prozess funktioniert gut und stabil und ist so überzeugend, dass die Industrie mit der Implementierung begonnen hat.
    Mit freundlichen Grüßen,
    Hakan Kendirci
    TRUMPF Branchenmanagement Automobil Powertrain