Laserstrahlschweißen von Titanwerkstoffen unter Berücksichtigung des Einflusses des Sauerstoffes

Authors


Abstract

Im Rahmen dieses Aufsatzes wird erstmalig ein innovatives Konzept zum Laserstrahlschweißen von Titan für die Serienfertigung dargestellt und validiert. Durch den neuartigen Einsatz eines 6-lagigen Metallgewebes ist es möglich, die Strömung vom Schutzgas so stark zu beruhigen, dass die beim Schweißen schädlichen Verwirbelungen vermieden werden können. Der Einbau eines derartigen Gewebes als Boden einer offenen Schweißkammer ermöglicht sowohl das mechanisierte als auch das vollautomatisierte Schweißen von hochreaktiven Werkstoffen, wie zum Beispiel Titanwerkstoffen, unter atmosphärischen Druckbedingungen und unter inerter Abdeckung. Damit wird der für eine industrielle Fertigung, insbesondere für Industrieroboter, notwendige Freiheits- und Zugänglichkeitsgrad zur Fügestelle im Vergleich zu konventionellen geschlossenen WIG-Schweißhauben gewährleistet. Von weitgehender Bedeutung für die Schweißtechnik von Titanwerkstoffen ist es, dass auch die Bereiche, die in der Praxis mittels einer Nachschleppdüse vom Schutzgas nicht erreichbar wären, wie z. B. die Überlappgebiete bei der Überlappnaht, erfolgreich durch das Prinzip der wirbelfreien Schweißkammer geschützt werden können.

Mit Hilfe dieser neuartigen Vorgehensweise und eines modernen Fügeverfahrens, wie dem Nd:YAG-Laserschweißen, konnten erstmalig systematische Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss von Sauerstoff in der Schweißumgebung auf die Mikrostruktur und auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften einer Modellschweißverbindung durchgeführt werden.

Durch die Validierung des gesamten Systems konnte bewiesen werden, dass im Vergleich zum konventionellen WIG-Verfahren geringere Anforderungen an die Reinheit des Schutzgases, um Anlauffarben und unzulässige Aufhärtungen zu vermeiden, gerichtet werden können. Für das Laserstrahlschweißen kann ein maximaler Restsauerstoffgehalt von 1000 ppm in der Schweißumgebung unbedenklich toleriert werden. Für das WIG-Schweißen gilt dagegen ein Höchstwert von etwa 30 ppm.

Ferner konnte nachgewiesen werden, dass die Qualitätsmerkmale der derzeitigen Regelwerke für das WIG-Schweißen für die Luft- und Raumfahrttechnik auf das Verfahren Laserstrahlschweißen mit Nd:YAG-Quellen übertragen werden können.

Abstract

Influence of the oxygen content in the shielding gas on microstructure and mechanical properties of laser welds of titanium and titanium alloys

In the present work, a new tool concept for laser welding of titanium in high volume production has been presented and evaluated. Through the innovative application of a six-layer metal web it is possible to calm the argon gas flow and avoid pernicious turbulences during welding. The integration of the mentioned metal web at the base of an open welding chamber allows the automated welding of highly reactive materials, such as titanium, under atmospheric pressure and inert shielding conditions. The higher density of argon relative to air offers the unique possibility to leave the chamber open on the top, so that a higher degree of flexibility than gas shielding devices for TIG welding, especially for industrial robots, is attained and can be successfully used for industrial mass production. Furthermore this device is important for welding three-dimensional contours or to shield the regions of overlap (in overlapped joints) where shielding gas trailers are unsuccessful. By means of the presented gas shielding procedure and a modern laser welding process such as Nd:YAG laser welding, systematic investigations on the effect of oxygen on the microstructure as well as on the mechanical properties of reference bead-on-plate weldments could be performed for the first time. As a result of these welding trials it can be concluded that in order to avoid discolorations and hardness increase, lower restrictions to the purity of the shielding gas, in comparison to TIG welding condition, can be allowed. The maximum tolerable value of oxygen in the welding atmosphere was found to be approximately 1000 ppm for laser welding. On the contrary the maximum value for TIG welding is about 30 ppm.

Further investigations on the microstructural and mechanical properties of the joints confirm that the optical quality assurance criteria for TIG welding due to the standards of aircraft construction transferable to Nd:YAG welding are.

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