Aufgabenstellung

Das Vorhaben hatte zum Ziel, ein neuartiges Filtergerät für das Laserstrahlschweißen hochlegierter Stähle und Aluminiumlegierungen für den Leichtbau zu entwickeln. Diese enthalten kanzerogenes Mangan, Magnesium und Zink in hohen Konzentrationen, weshalb beim Schweißen auf die Einhaltung der Grenzstaubwerte geachtet werden muss. Hinzu kommt, dass hochlegierte Leichtbauwerkstoffe zu Schweißnahtdefekten neigen und deshalb häufig mit überlagerter Strahloszillation geschweißt werden. Im Projekt sollten die Auswirkungen der Strahloszillation auf die Partikelgröße und Emissionsrichtung des Schweißrauchs bestimmt werden, um die Entwicklung eines darauf optimierten Filtergeräts und die Konzeption von Erfassungselementen zu ermöglichen.

Vorgehensweise

Im Rahmen des Projekts wurden Messungen der entstehenden Partikel niedriglegierter Referenzproben und hochlegierter Werkstoffe wie TWIP-Stahl und EN AW-7075 durchgeführt. Für die Untersuchungen wurde eine Messhaube konstruiert und aufgebaut. Es wurden Schweißungen mit und ohne Strahloszillation durchgeführt, um festzustellen, welche Änderungen hinsichtlich der Partikelgrößen und -verteilung sowie der Gesamtstaubmenge einhergehen. Das im Projekt zu entwickelnde Filtergerät und Erfassungselement wurde nach dem Aufbau eines Funktionsmusters auf seine Wirksamkeit hin geprüft.

Ergebnisse

Es zeigte sich, dass die Streckenenergie signifikanten Einfluss auf die resultierende Gesamtstaubemission beim Laserstrahlschweißen besitzt. Im Messaufbau erfasste Emissionen unterscheiden sich werkstoffabhängig in Farbe der festgestellten Oxidationsprodukte (Bild links) sowie Partikelmengen deutlich. Mengenmäßige Anstiege von bis zu 80 % beim Einsatz hochlegierter Werkstoffe im Vergleich zum Referenzmaterial wurden ermittelt. Die Analyse der Schweißrauchtrajektorie und deren Vorzugsrichtung mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigte, dass die Strahloszillation eine wesentlich breitere Verteilung der Emissionen im Raum (bis zu 3-fach) bewirkt, welche mitunter periodisch beobachtet werden konnte. Die Erkenntnisse wurden für die Entwicklung einer effizienten Schweißraucherfassung (Erfassungsgrad >95 %, Bild rechts) für das Filtergerät genutzt.