Deutschland ist als Hochlohnland im globalisierten Wettbewerb mit einem erheblich gestiegenen Kostendruck bei gleichzeitig wachsender sozialer und umwelttechnischer Verantwortung konfrontiert. Die immer anspruchsvolleren ökonomischen und ökologischen Anforderungen werden im industriellen Umfeld dabei oft als Zielkonflikt (miss)verstanden. Ein Schlüssel, diesen vermeintlichen Zielkonflikt zu lösen, besteht in der Bereitstellung energieeffizienter, industrietauglicher Hochleistungsverfahren, bei denen Ökonomie und Ökologie nicht im Widerspruch stehen. Genau hierfür hat LaVa-X den innovativen Prozess Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa), entwickelt.
Das konventionelle Laserstrahlschweißen ist aufgrund seiner Produktivität, der gezielten Energieeinbringung und der immer preiswerter werdenden Laserquellen, ein in nahezu allen industriellen Branchen etabliertes Fügeverfahren. Aus ökologischer Sicht ist das größte Problem des Lasers der nach wie vor schlechte Strahlquellenwirkungsgrade um 30 %. Der weitaus größte Teil der bereitgestellten Energie wird also in Form von Wärmeverlusten ungenutzt abgeführt.
Energieeffizientere Laserprozesse haben somit enormes Potential, sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile zu realisieren. Neue Verfahren und Verfahrensvarianten werden sich jedoch nur dann großflächig am Markt behaupten können, wenn keine Abstriche bei Qualität, Produktivität; Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Robustheit im industriellen Einsatz gemacht werden müssen.
Vor diesem Hintergrund hat der Aachener Maschinenbauer LaVa-X mit dem Laserstrahlschweißen im Vakuum eine energieeffiziente Technologie entwickelt, mit der die Qualität und Produktivität beim Laserstrahlschweißen gesteigert werden, bei gleichzeitiger Senkung der Investitions- und Energie- bzw. Betriebskosten. Die Senkung der Investitionskosten beruht wesentlich darauf, dass im Vergleich zum konventionellen Laserstrahlschweißen beim LaVa-Prozess für gleiche Schweißergebnisse wesentlich günstigere Laser erheblich geringerer Leistung eingesetzt werden können. Die Senkung der Energie- und Betriebskosten beruht wesentlich auf den damit verbundenen Energieeinsparungen und der signifikanten Reduktion des Schutzgas- und Druckluftverbrauchs. Der LaVa-Prozess vereint somit bereits jetzt umwelttechnische und ökonomische Ziele.
Den zahlreichen nachgewiesenen Vorteilen der Technologie steht jedoch derzeit noch das Problem von entstehenden prozessspezifischen Bauteilverschmutzungen gegenüber, dem derzeit größten Hemmnis, um die LaVa-Technologie als vollständig nacharbeitsfreies Hochleistungsverfahren für den Massenmarkt zu etablieren. Vorversuche haben bereits gezeigt, dass die Verschmutzung durch angepasste Schutzgaszufuhr und Absaugung sowie Anpassung des Druckniveaus verbessert werden kann. Der Projektinhalt ist vor diesem Hintergrund die Optimierung von Schutzgaszufuhr und Absaugung, um Oxidation, Partikelablagerung und Bedampfung zu vermeiden und so kostenintensive und/oder ökologisch bedenkliche Nachbearbeitungsschritte wie Beizen, Strahlen oder Laserreinigen vollständig zu vermeiden.
Wesentliches Projektziel ist die Weiterentwicklung der ressourceneffizienten LaVa-Technologie zum vollständig nacharbeitsfreien Hochleistungsverfahren mit maximalem ökologischen Impact.
Im Fokus des Projektvorhabens liegt die Vermeidung der Bauteilverunreinigungen infolge prozessbedingten Metalldampfes, damit Bauteile nach dem LaVa-Schweißen ohne oberflächliche Verunreinigung oder Bedampfung aus der Vakuumkammer entnommen werden können. Dadurch entfällt zusätzlicher Aufwand für deren zeit- und energieintensive Nacharbeit.
Zur Umsetzung dieser Idee werden die folgenden Arbeitshypothesen postuliert:
1. Die mittlere freie Weglänge, die direkt vom Druck abhängt, bestimmt den Zeitpunkt, wann der aus der Kapillare austretende Metalldampf kondensiert und in der Folge erstarrt. Flüssige Mikrotropfen und Agglomerate von erstarrten Feinst-Tropfen belegen die Umgebung der Fügestelle mehr oder weniger stark. Höhere Drücke führen zu einer sehr schnellen Erstarrung und Agglomeration der Prozessemissionen. Dadurch wird eine Belegung der Oberfläche durch haftende Schichten aus flüssigen Mikrotropfen (Benetzung) vermieden. Bei schneller Kondensation, Erstarrung und Agglomeration steigt der Anteil der Prozessemissionen, die mit dem Schutzgasstrom abgeführt werden und es sinkt der Anteil, der für eine feste Oberflächen-Kontaminierung geeignet ist. Durch die Kombination von höheren Drücken und einer geeigneten Wahl von Schutzgastyp und Durchfluss kann die Oberflächenkontamination verringert oder ganz vermieden werden. Durch die Optimierung des Vakuumdrucks und des Schutzgasstromes kann ein optimaler Kompromiss zwischen Einschweißtiefe, Nahtqualität und Oberflächenkontamination hergestellt werden.
2. Der Restsauerstoffgehalt der Arbeitsatmosphäre in der Vakuumkammer, der durch die ungünstigen thermischen Bedingungen an die heiße Prozesszone gelangt, ist verantwortlich für die Oxidation bei Refraktärmetallen und korrosionsbeständigen Stählen. Der zum Schutz der Optiken eingesetzte Gasstrom kann gezielt zur Abschirmung der Fügezone gegenüber dem Restsauerstoff genutzt werden.
3. Der höhere Druckbereich reduziert zwar den abwischbaren Verschmutzungsanteil, besonders bei der Verwendung von Singlemode Faserlasern lagern sich aber Dampfpartikel neben der Schweißnaht ab. Ursache dafür ist wahrscheinlich eine Verwirbelung des aus der Kapillare austretenden Metalldampfs. Durch den gezielten Einsatz von Schutzgasdüsen und Absaugelementen in der Vakuumkammer lässt sich eine gerichtete Strömung erzeugen, wodurch die Ablagerung von Dampfpartikeln auf der Bauteiloberfläche Verschmutzungen gänzlich vermeiden.
In dem Forschungsprojekt GREEN-Laserweld sollen die Oberflächenverschmutzung beeinflussenden Stellgrößen identifiziert und optimiert werden. Die Optimierung wird dabei durch reale Versuchsreihen er-reicht, wobei unter anderem die Haupt-Einflussgrößen des Arbeitsdrucks, der zugeführten Gasmenge zum Optikschutz und die Größe, Art und Position von Schutzgasdüsen und Absaugelementen in der Kammer variieren. Weitere geometrische und technologische Einflussgrößen werden im Verlauf des Forschungsvorhabens ebenfalls identifiziert und in die Optimierung eingeschlossen.
Mit optimierter Anlagengeometrie und Auswahl geeigneter Parameter werden anschließend an verschiedenen Werkstoffen aus der Gruppe der korrosionsbeständigen Stähle, Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen Schweißnähte mit Einschweißtiefen bis 10 mm erzeugt und deren Nahtqualität validiert.