Entwicklung und experimentelle Untersuchungen des koaxialen Laser-Lichtbogen-Hybridschweißens als additives Verfahren

Additive Fertigungsverfahren sind nach über 30 Jahren in der Industrie und Forschung etabliert. Für die Verarbeitung von drahtförmigen, metallischen Zusatzwerkstoffen in Auftragschweißverfahren werden häufig Lichtbögen (WAAM) und Laserstrahlung (WLMD) als Energieträger eingesetzt. In allen Verfahren sind die eingesetzte Gesamtleistung, die Schweißgeschwindigkeit und die Drahtfördergeschwindigkeit Haupteingangsparameter, mittels derer die Ausgangsgrößen der Auftragrate, der Spurabmaße und der Einbrandtiefe beeinflusst und für einen Einsatzzweck gezielt angepasst werden können. Mittels der AM-Verfahren werden neue, ressourcensparende und effizientere Fertigungsrouten ermöglicht. Die in der Herstellung von Bauteilen eingesetzte Energie pro aufgetragener Bauteilmasse und die Abweichung der Bauteilabmaße von der geplanten Form sollen klein sein. Mittels WLMD-Verfahren werden sehr gute Strukturauflösungen mit Spurbreiten zwischen 1 - 3 mm erreicht, aber die Auftragraten betragen maximal 1 - 2 kg/h. Mittels WAAM-Verfahren können größere Auftragraten von bis zu 6 kg/h erreicht werden. Die Spurbreiten sind selten kleiner als 5 mm und die größte erreichbare Strukturauflösung ist durch diesen Wert direkt begrenzt. Im Rahmen dieser Arbeit werden das WLMD- und das WAAM- Verfahren erstmalig zu einem gleichzeitigen Hybridverfahren mit gemeinsamer Prozesszone zum koaxialen Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen (COLLAR-Hybrid) für die Anwendung als AM-Verfahren kombiniert. Für das neue Verfahren wird ein Funktionsmuster einer Bearbeitungsoptik aufgebaut und das Hybridverfahren wird in Betrieb genommen. Durch das Verändern des Leistungsverhältnisses aus Lichtbogenleistung zu Laserstrahlleistung kann der zugrundeliegende Hybridprozess stufenlos variiert und die Eigenschaften gezielt eingestellt werden. In Parameterstudien werden die Einflüsse von grundlegenden Einstellparametern auf die erreichbaren Spurabmaße und Auftragraten untersucht. In den Versuchen mit dem neuen COLLAR-Hybridverfahren werden Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 3 m/min und Auftragraten von bis zu 3,7 kg/h bei 5 mm breiten Spuren erreicht. Hinsichtlich der geplanten Anwendung als AM-Verfahren werden weiterhin die Möglichkeiten richtungsunabhängigen Schweißens untersucht und das Aufschweißen von Schichten und Volumen demonstriert.