Grundlagenuntersuchungen zum Plasma-Laser-Hybridschneiden
Production Automation and Assembly Technology
Final Report Abstract
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zum Hybridschneiden metallischer Werkstoffe mittels einer Kombination aus Plasma- und Laserschneiden um die Schnittqualität und die Schneidgeschwindigkeit zu erhöhen. Der zweite Schwerpunkt ist die gezielte Beeinflussung des Plasmastrahls mit dem Laser, um so eine Führung des Plasmafußpunktes zu erreichen. Damit lassen sich für das Schweißen relevante Fugengeometrien, z.B. HY-Naht, in einem Arbeitsgang erzeugen. Dazu erfolgen zunächst theoretische Betrachtungen und experimentelle Grundlagenuntersuchungen zu den Wechselwirkungen zwischen Laserstrahl, Plasmastrahl und Werkstück. Wesentliche Fragestellungen sind die Analyse der geometrischen Ausbildung des Schnittfugenund Schnittflächenprofils. Dabei werden zwei unterschiedliche Lasertypen, ein Diodenlaser (Wellenlänge ? = 808 und 940 nm) und ein Scheiben-Laser (Wellenlänge ? = 1030 nm) berücksichtigt. Neben der Wellenlänge unterscheiden sich die Laser erheblich in der Strahlqualität, was einen Einfluss auf die Schnittqualität und Schneidgeschwindigkeit erwarten lässt. Ein weiterer entscheidender Parameter ist die geometrische Anordnung des Laser- und Plasmastrahls zueinander. Die Untersuchungen fokussieren sich auf die Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit und der Schnittqualität im mittleren Blechdickenbereich. Im Blickfeld der Untersuchungen steht zunächst unlegierter Stahl. Durch die Kombination des Plasmaschneidens und des Laserschneidens ist es gelungen, ein neues Schneidverfahren zu entwickeln, das die technologischen Stärken der beiden Einzelverfahren nutzt. Dabei werden der Plasmastrahl und der Laserstrahl deckungsgleich zur entstehenden Schnittfuge angeordnet und in einer gemeinsamen Wirkzone zusammengeführt. Da es sich bei diesem Verfahren um eine völlig neue Technologie handelt, wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens Untersuchungen an dem Baustahl 1.0037 (St37) durchgeführt, die eine Beschreibung des Prozesses ermöglichen. Als primäres Bewertungskriterium wird die Schneidgeschwindigkeit, als sekundäres die Qualitätskriterien Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz, gemittelte Rautiefe, mittlerer Flankenwinkel, Breite der Schnittfuge, Fugenfläche, Härte und Wärmeeinflusszone (WEZ) herangezogen. Es zeigte sich, dass durch das zusätzliche Einkoppeln eines Laserstrahls in den Plasmaschneidprozess die Schneidgeschwindigkeit bei einer 40 mm Baustahlplatte deutlich erhöht werden kann. Die durch den Laser eingebrachte thermische Energie ermöglicht eine Aufweitung der Schnittfuge im Einkopplungsbereich. Folglich lässt sich die Schmelze besser aus der Schnittfuge austreiben. Für diesen Effekt ist allerdings ist nur die Laserenergie relevant, die in die entstehende Schnittfuge eingekoppelt werden kann. Laser mit einer geringen Strahlqualität und einer Laseroptik mit geringer Brennweite sind für den Hybridprozess nicht geeignet, da ein großer Teil der Energie schon an der Materialoberfläche absorbiert wird. Plasma-Laser-Hybridschneiden 6 Durch die Verwendung einer Laseroptik mit großer Brennweite kann die Effizienz der Lasereinkopplung aufgrund der geringeren Strahlaufweitung deutlich erhöht werden. Ein weiterer Parameter ist der Fokusdurchmesser. Je kleiner der Fokusdurchmesser, desto mehr Energie kann durch die veränderte Strahlgeometrie in die Fuge eingekoppelt werden und umso höher ist die Strahlintensität. Die Ausgangsleistung der Laseranlage wird auf eine kleinere Fläche gebündelt. Die Energie des Lasers soll zur Unterstützung des Plasmalichtbogens beim Aufschmelzen des Materials dienen. Am Effektivsten wirkte eine Einkopplung im unteren Bereich des Plasmalichtbogens. In diesem Bereich konnte der Rillennachlauf vermindert und die Schnittfugenbreite bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden. Die Schneidgeschwindigkeit zum Trennen eines 40 mm Baustahlbleches konnte mit dem Hybridprozess um ca. 50% und die maximal schneidbare Materialdicke auf 60 mm gesteigert werden. Die Qualität der Schnittfugen konnte mit dem Scheibenlaser und geeigneter Parameterwahl beibehalten werden. Jedoch zeigte sich beim Schneiden von 60 mm Baustahlplatten eine verstärkte Bartbildung, die einer Nachbearbeitung mit deutlich erhöhtem Aufwand bedarf. Eine Beeinflussung des Plasmalichtbogenfußpunktes durch den Laserstrahl konnte nur insoweit nachgewiesen werden, dass der Lichtbogen um 0,5 mm verlängert wurde. Eine gezielte Auslenkung wurde hingegen nicht erreicht. Zusammenfassend kann der Hybridprozess aus technischer Sicht als effektiv beurteilt werden. Es ist eine um 50% höhere Schneidgeschwindigkeit mit einer nur leicht schlechteren Oberflächengüte möglich. Wirtschaftlich müssen jedoch auch die negativen Aspekte wie der erhöhte Nachbearbeitungsaufwand beim Trennen großer Blechstärken und die erheblich höheren Investitionskosten berücksichtigt werden. Die gewonnenen Forschungsergebnisse dienen als Grundlage für eine Weiterentwicklung der Technologie zum Einsatz unter Industriebedingungen. Für eine industrielle Markteinführung muss jedoch neben der Verlängerung des Lichtbogens auch eine gezielte Auslenkung des Fußpunktes erreicht werden. Dazu besteht weiterer Forschungsbedarf. Weiterhin ist eine Integration des Prozesses in die Maschinensteuerung und Automationstechnik notwendig. Dies sollte in Zusammenarbeit mit den Herstellern von, Autogen- und Plasmaschneidanlagen bzw. Führungsmaschinen erfolgen. Weitere Verbesserungsmöglichkeiten liegen in einer integralen Haltevorrichtung. Eine Befestigung der Komponenten in einem Plasma-Laser-Hybridschneid-Modul verbessert die Strahlführung und die Reproduzierbarkeit der Schneidergebnisse speziell zur Schweißnahtvorbereitung. Gerade im Hinblick auf die Modernisierung in der Schiffsfertigung und den dabei eingesetzten aktuellen Schneid- und Schweißtechniken, sind präzise Einstell- und Positioniermöglichkeiten zur Erzeugung der benötigten Maßhaltigkeit von herausragender Bedeutung.
