Das Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist die Bereitstellung einer Laser-MSG-Hybrid-Verfahrensstrategie und der notwendigen Prozesstechnik zum fehlertoleranten Einseiten-Schweißen von Grobblechen im Blechdickenbereich ≥ 20 mm (Aluminium bis 15 mm). Durch die Verbindung entsprechend hoher Materialstärken in einer Schweißoperation soll gegenüber konventionellen Mehrlagen-Lichtbogenverfahren erhebliche Fertigungszeit und durch neue konstruktive Freiheiten Zusatzwerkstoff eingespart werden. Zur Überwindung der bisherigen schweißtechnischen Prozessgrenzen, die eine Ausreizung der seit kurzem verfügbaren Festkörperlaser mit hohen Strahlleistungen bislang verhinderten, sollen neue Lösungsansätze mit Querpendelung von Laserstrahl und MSG-Brennern untersucht und bis zur Anwendungsreife entwickelt werden. Diese Lösungsansätze zielen auf die robuste Einsetzbarkeit des Verfahrens bei praxisüblichen Schweißpositionen, Spalt- und Toleranzmaßen ab, um das Potenzial brillianter Hochleistungsstrahlquellen industriell nutzbar zu machen und dadurch die resultierenden wirtschaftlichen Vorteile anwenderseitig auszuschöpfen. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit soll aufgrund des Einsatzes von Festkörperlasern mit entsprechenden Leistungsreserven in Verbindung mit bis zu zwei MSG-Teilprozessen konventionellen Fügeprozessen deutlich überlegen sein. Der Einsatz einer angepassten Prozessüberwachung und -regelung dient der robusten Prozessführung, um gegen Ende des Projektes ein leistungsfähiges und praxistaugliches Verfahren in die Anwendung überführen zu können. Letztlich wird dadurch ein wesentlicher Beitrag für die noch nicht erfolgte Marktdurchdringung von Hochleistungs-Festkörperlasern geleistet.
Bislang existiert kein laserbasiertes Schweißverfahren, mit dem Blechdicken von 20 mm und mehr in einer Lage verschweißt werden können, obwohl moderne Festkörperlaser mit einem exzellenten Verhältnis aus Leistung und Strahlqualität genau für diese Anwendung entwickelt wurden. Obwohl auch seitens der beteiligten Industriepartner erste Versuche in diese Richtung unternommen worden sind, muss in der industriellen Praxis auf zeitintensive Mehrlagen-MSG- und Unterpulverschweißprozesse in Wannenlage zurückgegriffen werden. Diese Prozesse sind mit erheblichem Aufwand an Nahtvorbereitung, Schweißzeit und Zusatzwerkstoffvolumen verbunden, so dass industrieseitig die Forderung nach schlanken Schweißnähten besteht, die ihre technologischen und wirtschaftlichen Vorteile durch kürzere Fertigungszeiten und geringere Verzüge im Feinblechbereich seit Jahren bewiesen haben. Die besondere Innovation des geplanten Vorhabens besteht in der robusten Prozessauslegung, um bei den genannten Blechdicken eine höhere Toleranz bezüglich der Spaltmaße zu ermöglichen. Bisher dürfen bei Blechdicken zwischen 20 und 35 mm Spaltweiten von maximal einem Millimeter und eine Kantenversatz von 1,5 Millimeter für Heftschweißungen vorliegen, die durch spanende Bearbeitung erzielt werden. Die mit 7,5 bis 10 m/min erzeugten Heftnähte lassen sich nicht als tragende Naht verwenden und dienen nur der Positionierung der Fügepartner zueinander. Erstmalig soll beim Hybridschweißen mit unabhängig voneinander gependeltem Laserstrahl und Lichtbogen gearbeitet werden, um die Spaltüberbrückbarkeit zu verbessern und um eine vollständige Anbindung der Blechkanten über der gesamten Blechdicke sicherzustellen. Es werden nachfolgend weiterführende Lösungsansätze vorgestellt, die letztlich aufgrund einer ganzheitlichen Prozessbetrachtung die industrielle Nutzung moderner Strahlquellen für dickwandige Bauteile ermöglichen sollen.
Um der Zielstellung gerecht zu werden, muss die brilliante Strahlqualität moderner Hochleistungs-Festkörperlaser konsequent ausgenutzt werden, da durch verlängerte Brennweiten ausreichend lange Rayleighlängen entstehen, die für die angestrebten Blechdicken unabdingbar sind.
Der Einsatz von fasergekoppelten Festkörperlasern verbessert die Automatisierbarkeit des Schweißprozesses im Vergleich zu CO2-Lasern mit ihrer aufwändigen Spiegelführung entscheidend. Erheblicher Entwicklungsaufwand besteht jedoch zusätzlich hinsichtlich der Auslegung geeigneter Prozessköpfe, die bisher unverändert von den deutlich leistungsschwächeren Nd:YAG-Lasern übernommen wurden. Den Verbesserungsbedarf hinsichtlich effektiver Schutzmechanismen gegen thermisch bedingte Fokuslagenverschiebungen und vor allem beim Hybridschweißen vermehrt auftretende Schweißspritzer gilt es demnach auszuschöpfen.
Die umfassende Erarbeitung des Prozessverständnisses liefert die Grundlage für die Industrietauglichkeit des Verfahrens, die mittels einer angepassten Prozessüberwachung und -regelung erreicht werden soll. Um eine Schweißnahtqualität sicherzustellen, die den hohen Anforderungen beispielsweise in der Großrohrfertigung genügt, wird eine kamerabasierte Durchschweißungskontrolle realisiert, deren Entwicklung mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und der Messung des transmittierenden Strahlungsanteils erfolgt. Abschließend dient der Aufbau einer produktionsähnlichen Pilotanlage zur Herstellung von Rohren zur Demonstration der Leistungsfähigkeit des neuen Verfahrens unter realen Fertigungsbedingungen als Beleg der Praxistauglichkeit des Verfahrens. Parallel dazu erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, um das Einsparpotenzial durch die aus den technologischen Vorteilen resultierende Optimierung der Fertigungskette für Grobblech-Schweißkonstruktionen zu quantifizieren. In der Großrohrfertigung lassen sich zum Beispiel durch Zusatzwerkstoffeinsparungen von wenigen Prozent jährliche Kosteneinsparungen in 6-stelligen Eurobeträgen abschätzen. Dazu kommt weiteres Einsparpotenzial durch erhöhte Prozessgeschwindigkeiten und verringerten Aufwand bei der Nahtvorbereitung, was zusammenfassend eine erhebliche Verringerung der Gesamtfertigungszeit bedeutet.