DVS_Bericht_391LP

2024
DVS-BERICHTE
Innovationstag 2024
Transfertage der Fügetechnik
für die Energiewende

Innovationstag 2024
Transfertage der Fügetechnik
für die Energiewende
Langfassung der Vorträge
in Düsseldorf am 10. und 11. April 2024
Kooperation:
FOSTA – Forschungsvereinigung
Stahlanwendung e. V. und
DVS – Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e. V.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de
abrufbar.
DVS-Berichte Band 391
ISBN 978-3-96144-253-9 (Print)
ISBN 978-3-96144-254-6 (E-Book)
Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses
Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2024
Herstellung: Print Media Group GmbH, Hamm

Vorwort
INNOVATIONSTAG 2024 – Transfertage der Fügetechnik für die Energiewende
Die Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS und die FOSTA - Forschungsvereinigung
Stahlanwendung e. V. kooperieren für einen erfolgreichen Ergebnistransfer und laden zum ersten
gemeinsamen INNOVATIONSTAG mit dem Schwerpunkt „Fügetechnik für die Energiewende“ ein.
Im Fokus der Veranstaltung steht die Vorstellung aktueller Forschungsergebnisse aus Projekten der Industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF). Unternehmen in den Forschungsvereinigungen hatten frühzeitig damit begonnen,
gemeinsamen Forschungsbedarf zu Energiewendethemen zu definieren. In den Forschungsvereinigungen entstand so
z.B. die Forschungsinitiative: "Erfolgreiche Energiewende durch zukunftsweisende fügetechnische Innovationen für die
Windenergie“. Ebenfalls wurden die Studien „Fügetechnik für die Windenergie“ und „Fügetechnik für die neue
Wasserstoffökonomie – Werkstoffe, Schweißtechnologien, Perspektiven“ zur Darstellung von Forschungsbedarf
veröffentlicht. Damit war der Grundstein dafür gelegt, im Rahmen der IGF zu den neuen fügetechnischen
Herausforderungen Lösungen zu erarbeiten.
Die Umsetzung der Energiewende erfordert eine Vielzahl von technologischen Innovationen und Anpassungen in
verschiedenen Industriezweigen, um nachhaltige Energiequellen zu fördern und die Umweltauswirkungen zu minimieren.
Die Fügetechnik spielt dabei eine entscheidende Rolle, insbesondere in Bezug auf die Herstellung und Wartung von
Anlagen für erneuerbare Energien wie Windkraftanlagen, Solarkollektoren und Wasserstofftechnologien. Um die
Energiewende erfolgreich umzusetzen, müssen bestimmte Anforderungen an die Fügetechnik erfüllt werden.
Um den unterschiedlichen Anforderungen der erneuerbaren Energietechnologien gerecht zu werden, ist die Nutzung
einer breiten Palette von Materialien und neuer Werkstoffkonzepte einschließlich spezieller Legierungen erforderlich.
Windkraftanlagen bestehen u.a. aus verschiedenen Stahl-, Aluminium- oder Bronzelegierungen, die speziellen
Belastungen standhalten müssen. Die Fügetechnik muss daher in der Lage sein, neue Werkstoffanforderungen z.B. in
den Bereichen des Stahl- und Maschinenbaus oder auch der Leistungselektronik zu erfüllen und eine Vielzahl von
Materialien effizient zu verbinden, ohne ihre strukturelle Integrität und Funktionen zu beeinträchtigen. Leichtbauthemen
erlangen in diesem Zusammenhang stetig an Bedeutung.
Dabei sind auch die Anforderungen an den Korrosionsschutz zu berücksichtigen. Um eine lange Lebensdauer und
Zuverlässigkeit sicherzustellen, müssen die Schweißverbindungen korrosionsbeständig sein. Dies erfordert nicht nur die
Auswahl geeigneter Materialien, sondern auch spezialisierte Schweißtechniken, die eine qualitativ hochwertige
Versiegelung gegen äußere Einflüsse gewährleisten.
Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle in der Energiewende, insbesondere als sauberer Energieträger. Die
Schweißtechnik muss den speziellen Anforderungen gerecht werden, die mit der Herstellung von Wasserstofftanks und
-leitungen verbunden sind. Hierbei sind hohe Drücke und Wasserstoffversprödung zu berücksichtigen, wodurch
spezialisierte Schweißverfahren und Materialien erforderlich sind.
Ergänzend sind auch noch zu nennen: neue Wartungs- und Reparaturkonzepte, die Energieeffizienz der
Schweißprozesse selbst sowie die Qualifikation und Schulung des Personals.
Insgesamt ist die Schweißtechnik ein entscheidender Baustein für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende. Die
Fähigkeit, eine Vielzahl von Materialien zu verbinden, korrosionsbeständige Verbindungen zu gewährleisten, leichte
Strukturen herzustellen und effiziente Schweißprozesse zu implementieren, trägt maßgeblich dazu bei, nachhaltige
Energiequellen zu fördern und die Umweltauswirkungen zu minimieren. Durch kontinuierliche Innovation und Schulung
kann die Schweißtechnik eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung der Herausforderungen im Rahmen der Energiewende
spielen.
Die Bereitstellung und Anwendung von aktuellen Forschungsergebnissen öffentlich geförderter Projekte der IGF ist ein
wesentliches Asset für die Unternehmen und den Wirtschaftsstandort Deutschland. Der INNOVATIONSTAG 2024 bietet
daher einen umfassenden Überblick über aktuelle Forschungsergebnisse zu vielfältigen Themenstellungen der
Energiewende.
Der vorliegende Tagungsband enthält die Vorträge für Ihre weitere Verwendung. Für individuelle Fragen können Sie sich
gerne direkt an die Referenten oder Forschungseinrichtungen wenden.
Wir wünschen Ihnen eine erfolgreiche Veranstaltung, gute Gespräche.
Reiner Salomon
Forschungsvereinigung
Stahlanwendung e. V
Jens Jerzembeck
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort
KEYNOTE
P. Langenberg, Aachen
Qualifizierung von Werkstoffen und Schweißverfahren für die Energiewende –
Status und Ausblick ………………………………………………………………………….. 1
Energieumwandlung
M. Schmitz, A. Breitbarth, Jena; M. Azizi, Dresden
Fügen von mehrdimensionalen und strukturierten Folien aus artgleichen
und artfremden Werkstoffkombinationen …………………………………………………. 3
S. Jahn, M. Schmitz, R. Prowaznik, J. Lange, Jena
Gefährdungen beim handgeführten Laserstrahlschweißen ……………………….……… 15
E. Stammen, D. Weiser, K. Dilger, Braunschweig; F. Bergenthun, M. Kuypers, S. Brokamp, Duisburg;
D. Lukowsky, Braunschweig
Darf’s ein bisschen mehr sein? – Nachhaltige Rohstoffe und ihr Potential
für Anwender ……...………………………………………………..………………………..… 19
M. Zinke, S. Jüttner, Magdeburg
Steigerung der Korrosionsbeständigkeit von Schweißplattierungen durch Einsatz
von MSG-Zweidrahtprozessen mit nicht artgleichen Drahtelektroden ………………..… 28
Additive Fertigung
E. Bethke, T. Rieneckert, S. Jüttner, Magdeburg
Generatives MSG-Schweißen zur geometrischen Modifikation von Aluminium-
Druckgussbauteilen ………………………………………………………………………….. 39
M. Köhler, S. Jüttner, Magdeburg
Wire-Arc-Additive-Manufacturing und schweißtechnische Verarbeitung von
Aluminiumschäumen ….…………………………………………………….………………… 49
M. Gierth, J. Hildebrandt, J. P. Bergmann, Ilmenau;
S. Manzke, T. Ungethüm, U. Füsseld, H. C. Schmale, Dresden
Entwicklung einer Strategie zur Steuerung der Bauteileigenschaften
bei der lichtbogenbasierten additiven Fertigung hochlegierter Stähle
durch aktive Gaskühlung ……………………………………………………………………. 58

Großstrukturen
T. Werner, T. Nitzschke-Pagel, K. Dilger, Braunschweig
Einfluss der Kaltverformung mit anschließendem Schweißen auf die Zähigkeit
hochfester Feinkornbaustähle …………………………………………………..……………. 64
F. Begemann, J. Unglaub, K. Thiele, Braunschweig; K. Höfer, J. Hensel, Chemnitz
Reparaturschweißen an ermüdungsbeanspruchten Details im Betrieb …...………..…… 72
C. Häffner, F. Eyben, D. Lenz, H. Bartsch, M. Feldmann, S. Münstermann, Aachen
Innovative Tragfähigkeitsanalyse geschweißter Stahlbauteile mit Hilfe der
Schädigungsmechanik ……………………………………….……………………………..… 79
J. Hildebrand, S. Eichler, J. P. Bergmann, Ilmenau; M. v. Arnim, U. Kuhlmann, Stuttgart;
O. Brätz, A. Gericke, K.-M. Henkel, Rostock
Effiziente Nachweiskonzepte für Mischverbindungen im Stahlbau ……..………..……… 87
Qualität und Nachweise
K. Wandtke, L. Engelking, D. Schröpfer, A. Hälsig, A. Kromm, T. Kannengießer, Berlin;
R. Scharf-Wildenhain, J. Hensel, Chemnitz
Fertigungsbedingte Beanspruchungen und Kaltrisssicherheit in generativ gefertigten
Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen …………………………………..………… 96
J. Beverförden, M. Köhler, K. Dilger, Braunschweig
Absicherung des Reinigungsstrahlens von Stahlkonstruktionen als
schwingfestigkeitssteigernde Maßnahme …………………………………………… 105
U. Reisgen R. Sharma, B. Ebert, Aachen
Schweißprozessabhängige Steuerung der Absaugleistung unter
Berücksichtigung von Nahtqualität und Prozessstabilität bei Anwendung
von Absaugbrennern für das MSG-Schweißen ………………………………………… 113
D. Schröpfer, L. Reichel, T. Kannengießer, Berlin
Beanspruchungsgerechte Reparatur von Schweißverbindungen bei der Fertigung
von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen ..………………………………….… 120
Wasserstofftechnologien
M. Hayduk, Stralsund
Integriertes Planungstool für die Kosten- und 3D Strukturplanung für Offshore-
Windparks zur Erzeugung von H2 ………………………………………..…….…………… 127
M. Hauer, S. Schmidt, A. Gericke, Rostock
Erhöhung der Speicher- und Transporteffizienz für Flüssigwasserstoff in
Stahl-Faserverbundtanks durch thermisch gespritzte TBC-Schichten
(LH2 Tanks) ……………….…...…………………………………..…………..……………… 134

C. Reppin, A. Gericke, K.-M. Henkel, Rostock; P. Neef, K. Treutler, V. Wesling, Clausthal-Zellerfeld
KryoMangan: Verarbeitung und Qualifizierung mittel- und hochmanganhaltiger
austenitischer Stähle für kryogene Anwendungen …...………………………….……… 143
Windenergie
S. Shojai, T. Brömer, E. Ghafoori, P. Schaumann, Hannover;
C. Woitzik, M. Braun, S. Ehlers, Hamburg; M. Köhler, Braunschweig
Einfluss korrosiver Medien auf die Schwingfestigkeit von Offshore-
Windenergieanlagen ……………………………………..………….………………………… 155
U. Mückenheim, A. Aurin, S. Keitel, M. Clemens, M. Olesch, S. Olschok, R., Sharma, U. Reisgen
Bewerten von Hochleistungsschweißprozessen für die Neufertigung von
Windenergieanlagen (Stahlrohrturm) ………………………………..……………………… 165
B. El-Sari, S. Gook, Ö. Östündağ, M. Biegler, A. Gumenyuk, M. Rethmeier, Berlin
Kombination des Laserhybridschweißens und UP-Engspaltschweißens für
dickwandige Bauteile zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ..…………….……………… 177
T. Ungethüm, P. Schilling, E. Spaniol, H.C. Schmale, U. Füssel, Dresden
Erweiterung des der Prozessgrenzen beim MSG-Heißdrahtschweißen durch
Anpassung von Material- und Energieeintrag mittels einer vorgelagerten
Heißdrahtvorwärmung …………………………………………..…...………..……………… 186
S. Heikebrügge, B. Breidenstein, P. Schaumann, E. Ghafoori, C. Dänekas, Hannover
Festwalzen als innovatives mechanisches Bearbeitungsverfahren zur
Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen in der
Offshore-Windenergie …………………...……………………………………………………. 199
Autorenverzeichnis ……………….…………………………………………..……… 214

Fügetechnik für die Energiewende 2024
KEYNOTE
Qualifizierung von Werkstoffen und Schweißverfahren für die
Energiewende – Status und Ausblick
Peter Langenberg, IWT-Solutions AG, Aachen
Die mit der Energiewende verbundenen Anforderungen an Gesellschaft und Technik sind herausfordernd und
vielfältig. Betrachten wir diese Entwicklung einmal losgelöst von Gesellschaft und Wirtschaft, und tun wir dies
mit dem typischen lösungsorientierten Ansatz ingenieurwissenschaftlicher Arbeitsweisen, so stellen wir
folgendes fest:
Auch die heute wichtigen Aspekte Nachhaltigkeit und Sicherheit haben schon immer in unsere Forschung eine
Rolle gespielt.
Alleine die Umsetzung mancher Ergebnisse hat vielleicht länger gedauert als erhofft. Das heißt, der Willen,
die Befähigung und die Freude auch die Herausforderungen der Energiewende in Zukunft voranzubringen ist
auf jeden Fall vorhanden. Das Forschungskolloquium zeigt dies in der Vielfalt der Themen auf beindruckende
Weise.
Deutlich wird vor allem die inzwischen selbstverständliche interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen
Werkstoff, Fertigung und Konstruktion. Diese drei Begriffe finden sich auch im sogenannten Schweißer-
Dreieck zur Schweißbarkeit wieder. Sie werden dort als Schweißeignung, Schweißmöglichkeit und
Schweißsicherheit aufgeführt. Ins Zentrum dieses Dreiecks, als Ziel sozusagen, können die oben genannten
Begriffe Nachhaltigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit eingeordnet. Und verleihen wir dem Dreieck noch
einen dynamischen Impuls, so können wir Innovation als treibende und beschleunigende Kraft hinzufügen.
Vor diesem Hintergrund wird der Beitrag stellvertretend für andere Einzelaspekte auf die Frage der
Anforderung an die Werkstoffe und Schweißverfahren eingehen. Dabei wird deutlich, dass eine
vordergründige Reduzierung dieses Themas allein auf den Werkstoff viel zu kurz greift. Vielmehr wird
klargestellt, dass nur eine integrale Betrachtung im Sinne des oben genannten Schweißer-Dreiecks gute
Lösungen liefern kann.
Verbunden damit ist naturgemäß ein kurzer retrospektiver Blick auf neue Methoden, Schweißverfahren und
Werkstoffe, die in den letzten 30 Jahren des gemeinsamen Europäischen Marktes in zahllosen
Forschungsvorhaben auf nationaler und internationaler Ebene erzielt wurden. Dabei wird auch die wichtige
Rolle der technischen Normen erörtert.
Wesentlich ist aber der Blick in die Zukunft, die uns alle im Sinne der Energiewende und für unsere Kinder und
Enkel mehr interessieren sollte, die aber auch aus den Errungenschaften und Erfahrungen der Vergangenheit
Nektar schöpfen sollte.
DVS 391 1

Fügen von mehrdimensionalen und strukturierten Folien aus
artgleichen und artfremden Werkstoffkombinationen
M. Azizi, Dresden; A. Breitbarth, Jena; M. Schmitz, Jena;
In der Fertigungstechnik stellt das Fügen dünner Folien eine Herausforderung dar. Der Laser bietet hier einen
Lösungsansatz. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen sowohl das Laserstrahlpunktschweißen verdeckter
Stöße an artgleichen Folienpaarungen, als auch das Korrosionsverhalten laserstrahlgeschweißter Folien
aus artgleichen und artfremden Materialpaarungen. Als Materialien kommen 1.4404, Cu-HCP (2.0070)
sowie Al der 1000er Reihe zum Einsatz.
1 Einleitung
Im Zuge der Energiewende spielen strukturierte Folienstapel eine bedeutende Rolle. Sie finden sowohl Verwendung
in Rotationswärmetauschern, Mikrowärmetauschern und Mikrostrukturapparaten, als auch in Brennstoffzellen.
Das Laserstrahlschweißen kann hier eine kosteneffiziente Alternative zu konventionellen Fertigungsverfahren,
wie bspw. dem Kleben, darstellen. Durch das detektieren der verdeckten Stöße mittels bildgebender
oder thermographischer Verfahren und das anschließende Schweißen an den detektierten Stellen
eröffnen sich neue Möglichkeiten, bspw. für die Fertigung von Rotationswärmetauschern. Bild 1 verdeutlicht
dieses Vorgehen. Diese Schweißungen wurden artgleich an den Materialien 1.4404, Cu-HCP (2.0070) sowie
Al der 1000er Reihe durchgeführt. Die Folienstärke betrug 25 µm und 50µm.
Bild 1. Prinzipielles Vorgehen für das Schweißen der verdeckten Stöße
Bei artfremden Schweißungen sind sowohl die (häufig spröden) interkristallinen Phasen kritisch, welche sich
negativ auf die erzielbaren Festigkeiten auswirken, als auch das Korrosionsverhalten. Letzteres stellt vor allem
aufgrund von Bimetallkorrosion eine besondere Herausforderung beim Laserstrahlschweißen solcher Verbindungen
dar. Um dieses Verhalten besser erfassen und beurteilen zu können, wurde eine neue Korrosionsmesszelle
entwickelt, mit deren Hilfe die Korrosionsmessungen gezielt an der Schweißnaht erfolgen können.
2 Entwicklung einer Spann- sowie einer Prägevorrichtung
2.1 Spannvorrichtung
Zum Spannen der Folien wurde eine entsprechende Vorrichtung benötigt. Diese wurde so konzipiert und gefertigt,
dass sowohl geschlossene, als auch offene Strukturen gespannt werden können. Kommen geschlossene
Folien zum Einsatz, so wird mittels Unterdruck gespannt. Bei offenen Strukturen wird die Spannkraft über
einen Pneumatikzylinder erzeugt. Bild 2 zeigt das Wirkprinzip dieser hybriden Spannvorrichtung.
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Bild 2. Wirkprinzip der hybriden Spannvorrichtung, links: über Unterdruck bei geschlossenen Folien, rechts: über pneumatisch
generierte Anpresskraft bei offenen Strukturen
In die Spannvorrichtung wurde eine flächendeckende Schutzbegasung integriert. Die dafür notwendigen Düsen
wurden durch rechnergestützte Simulation optimiert. Bild 3 zeigt links das Konzept der Schutzbegasung
und rechts die Messung seiner Wirksamkeit über die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes.
Bild 3. Schweißvorrichtung, links: Schnittbild, rechts: Test der Schutzbegasung an der realen Vorrichtung
2.2 Prägevorrichtung
Da strukturierte Folien auf dem Markt nicht in den geplanten Stärken und Materialarten erhältlich waren, wurde
eine Prägevorrichtung konzipiert, konstruiert und gefertigt, die das Prägen solcher Folien aus Glattband als
Ausgangsmaterial ermöglicht. Ziel war es dabei eine Sinusprägung zu generieren, da diese in der Regel bei
Rotationswärmetauschern Verwendung findet. Es zeigte sich sehr schnell, dass Sinusprofile auf den Prägewalzen
mit sehr hohen Fertigungskosten verbunden sind. Daher wurde ein Dreiecksprofil gewählt. Bild 4 zeigt
links eine Zeichnung der Walze in der Seitenansicht und Mitte das Verwendete Profil. Rechts sieht man die
gefertigte Prägevorrichtung mit einer eingelegten Folie. Über die Veränderung der Anpressdrucks ist es möglich
Einfluss auf die Kontur der geprägten Folie zu nehmen.
Bild 4. Kontur der Prägewalze (links, mitte) sowie Prägevorrichtung (rechts)
4
DVS 391

3 Entwicklung einer Korrosionsmesszelle
Bimetallkorrosion, auch bekannt als Kontaktkorrosion oder galvanische Korrosion, entsteht, wenn zwei metallische
Werkstoffe – entweder artgleiche oder artfremde – elektrisch sowie elektrolytisch durch einen ionenleitfähigen
Elektrolyten miteinander verbunden sind und die Potenzialdifferenz zwischen den Werkstoffen mindestens
50 mV beträgt. Diese Potenzialdifferenz kann auch zwischen zwei artgleichen Werkstoffen auftreten,
wenn einer von ihnen durch Herstellungsprozesse thermisch oder mechanisch stärker beansprucht wird als
der andere. Die Korrosionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Potenzialdifferenz zu. In dieser Konfiguration
dient der weniger edle Werkstoff als Anode und unterliegt der Korrosion, indem er Ionen in den Elektrolyten
freisetzt und Elektronen zur Kathode – dem edleren Werkstoff – sendet, wo sie je nach Umgebungsmedium
mit Sauerstoff reagieren und reduziert werden. Dies führt zu einem Ionenstrom im Elektrolyten und einem
Elektronenstrom in der elektrischen Verbindung zwischen Anode und Kathode. Die Intensität dieses Stroms,
bekannt als Elementstrom, gibt die Tendenz zur Korrosion an. Die Messung des Elementstroms erfolgt im
Labor durch das Eintauchen der beiden verschiedenen Werkstoffe in einen gemeinsamen Elektrolyten, die
anschließend mit einem Strommessgerät ohne Innenwiderstand verbunden werden. Der gemessene Strom
entspricht dem Elementstrom [1].
Sowohl bei artgleichen als auch bei artfremden Folienpaarungen, die mittels Laserstrahlschweißen verbunden
werden, führt die zugeführte Wärme zu einer Veränderung des Gefüges beider Folien. Diese strukturellen
Änderungen führen dazu, dass beide Werkstoffe ein neues, individuelles Potenzial entwickeln. Da die beiden
durch Laser geschweißten Folien in elektrischem Kontakt miteinander stehen und bei Anwesenheit eines
Elektrolyten die neu entstandenen Potenziale zur Bildung einer Potentialdifferenz führen, kommt es zur Entstehung
der Bimetallkorrosion.
Um die Korrosionsrate in diesem besonderen Fall zu ermitteln, ist eine Messung des Elementstroms nicht
durchführbar, da eine einfache Trennung der beiden Folien nicht möglich ist. Eine mechanische Trennung
könnte die Schweißnähte beschädigen und dadurch die individuellen Potenziale der Folien verändern. Aus
diesem Grund war die Entwicklung einer neuen Messzelle erforderlich, um den Einfluss der Laserschweißparameter
auf die Bimetallkorrosion charakterisieren zu können.
Wenn eine Elektrode in einen Elektrolyten eingetaucht wird, gelangen einige Metallionen in den Elektrolyten,
wobei sie Elektronen auf dem Metallstreifen zurücklassen. Dadurch bildet sich das Potential des Werkstoffs.
Wenn sich nun ein anderer inerter Werkstoff, wie beispielsweise Platin, in der Nähe des ersten Werkstoffs
befindet, wird die Platinelektrode polarisiert und erhält ein neues Potential. Dieses neue Potential ist abhängig
vom Potential des ersten Werkstoffs und weist eine umgekehrte Polarität auf. Wenn eine zweite Elektrode in
den Elektrolyten eingetaucht wird, erhält die benachbarte Platinelektrode ein eigenes Potential. Zwischen den
beiden Platinpotentialen entsteht eine Potentialdifferenz. Die Größe dieser Potentialdifferenz ist ein Indikator
für die Stärke der Bimetallkorrosion zwischen den beiden Werkstoffen, da beide Platinpotentiale durch die
Eigenschaften der Werkstoffe bedingt sind und von diesen abhängen.
Die neu entwickelte Messzelle basiert auf der Messung der Potentialdifferenz zwischen zwei polarisierten Platinelektroden.
Diese Messung erfolgt kontaktlos und ohne Berührung der angeschweißten Folien.
Um diese Hypothese zu realisieren, wurde eine neue Messzelle aus Polytetrafluorethylen (PTFE) konstruiert,
um Beständigkeit gegen aggressive Elektrolyte zu gewährleisten (Bild 5). Die Zelle setzt sich hauptsächlich
aus zwei getrennten Elektrolytkammern zusammen, die seitlich mit Platinnetzen als Elektroden bestückt sind.
Zwischen diesen Elektrolytkammern sind zwei Scheiben mit O-Ringen positioniert, die es ermöglichen, die
untersuchte Probe zentral zu fixieren. Die Abdichtung der Zelle wird durch vier Gewinde und Flügelschrauben
sichergestellt. Der fließende Strom wird zwischen den polarisierten Platinelektroden gemessen. Um den Einfluss
des Abstands zwischen den Platinelektroden und der Probe zu untersuchen, wurden Zwischenscheiben
mit unterschiedlichen Breiten (3, 6, 12 und 24 mm) angefertigt.
Bild 5. Die neu entwickelte elektrochemische Messzelle
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4 Experimentelles Vorgehen
4.1 Detektion verdeckter Stöße
Zur Untersuchung der Folien wurden verschiedene Messverfahren herangezogen: Laserlichtschnitt, ein stereoskopisches
Messsystem mit aktiver Musterprojektion im VIS-Spektrum sowie aktive Thermografie. Mit den
Messverfahren wurden Folien verschiedener Stärken und Materialien untersucht. Hierbei wurde ein Wellenband
mit einem Glattband abgedeckt und ein Unterdruck von -0,08 bar erzeugt. Die untersuchten Materialien
haben folgenden Eigenschaften (Tabelle 1).
Tabelle 1. Spezifikationen der untersuchten Materialien.
Glattband
Material Aluminium Kupfer Stahl
Stärke [µm] 25, 50, 100 50, 100 50, 100
Wellenfolie (Material: Aluminium; Stärke: 100 µm)
Wellenlänge [mm] ~3,2
P-V Höhe [mm] ~1,6
Das Verfahren des Laserlichtschnitts ermöglicht die Erfassung von Schnittprofilen vor allem linear bewegter
Messobjekte bei gleichzeitig hoher Tiefenauflösung. Das stereoskopische Messsystem mit aktiver Musterprojektion
arbeitet mit flächenhaft abtastenden Kameras und ermöglicht eine dreidimensionale Erfassung des
gesamten Messbereichs ohne eine Relativbewegung zum Messobjekt.
Zur Kontaktpunktbestimmung mittels aktiver Thermografie wurden die geschichteten und mit Unterdruck beaufschlagten
Folien sowohl kurzzeitig mit Heißluft (~5 s) als auch impulsartig mit Blitzlampen erwärmt. Die
Abkühlung der Oberfläche wurde mit einer Wärmebildsensorik aufgezeichnet. Die Erwärmung mittels Heißluft
erfolgte manuell mit einer Heißluftpistole, welche 500 l/min bei 550°C zur Verfügung stellt. Zur Blitzanregung
wurden drei baugleiche Blitzlampen mit einer jeweiligen Pulsenergie von 500 Joule verwendet. Diese wurden
entsprechend Bild 6 (rechts) um das Messobjekt positioniert und gleichzeitig mittels Fernbedienung ausgelöst.
Bei der Blitzanregung wurden zwei verschiedene Modi verfolgt: Zum einen der Einzelimpuls und zum anderen
eine Impulsfolge von fünf Blitzen mit einem Abstand von jeweils ~0,5 s.
Bild 6. Demonstrator: links: Konstruktion des Messaufbaus mit Folienspannvorrichtung und Thermografiekamera; Mitte:
Seitenansicht mit um 6° geneigter Kamera zur Normalen der Messoberfläche; rechts: Messstand mit Folienspannvorrichtung,
Thermografiekamera und Blitzanregungsquellen bei reduziertem Arbeitsabstand
Ein Demonstrator zur Anwendung des Verfahrens der aktiven Thermografie wurde aus Aluminiumprofilen gefertigt.
Der Reflexionsgrad der Materialien verhält sich im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10 µm sehr
unterschiedlich. Im Sensitivitätsbereich der IR-Kamera (2,2 µm bis 5,0 µm) liegt der Reflexionsgrad von Aluminium
und Kuper bei ~98% und wirkt damit wie ein Spiegel. [2] Aus diesem Grund wurde die Thermografiekamera
leicht geneigt über dem Messobjekt platziert. Ohne diese Verkippung würde die Kamera vorwiegend
eine Selbstreflektion aufzeichnen. Empirische Untersuchungen haben einen geeigneten Neigungswinkel zur
6
DVS 391

Normalen der Messoberfläche von 6° ergeben (Bild 6, links und Mitte). Die Kamera wurde oberhalb des Messobjektes
in einem Abstand von ~1,60 m platziert. Zusätzlich zur Kamera mussten die Anregungsquellen für
die aktive Thermografie angeordnet werden. Die Blitzquellen wurden möglichst nah an dem Messobjekt platziert,
um eine zuverlässige Wärmeübertragung auf geringer Anregungsstrecke zu erreichen. Die Blitzlampen
wurden dabei so angeordnet, dass diese die Messaufnahme nicht beeinflussen.
Die Wärmebildkamera wurde in Verbindung mit einem Teleobjektiv mit 100 mm Brennweite eingesetzt. Dieses
erlaubt eine nahezu verzeichnungsfreie Aufnahme und liefert bei dem gewählten Arbeitsabstand von ~1,60 m
eine Auflösung (MFOV) von 0,72 mm. Die Wellenlänge der Wellenfolie beträgt ~3,2 mm und kann mit der
bereitgestellten Auflösung zuverlässig erfasst werden.
4.2 Punktschweißungen
Für die Punktschweißungen kamen artgleiche Materialpaarungen aus 1.4404, Cu-HCP (2.0070) sowie Al der
1000er Reihe zum Einsatz. Die Materialstärken betrugen 25 bzw. 50 µm. Als Referenzverfahren kam das
Kleben zum Einsatz. Bei den Schweißungen für die Zugproben wurden 8 Schweißpunkte einschnittig, zweireihig
appliziert. Bild 7 links veranschaulicht dies. Bild 7 rechts zeigt den Versuchsaufbau für die Schweißungen
am Beispiel von Kupfer. Hierfür wurde die Bearbeitungsoptik leicht angestellt, um Rückreflexe auf die
Optik zu vermeiden. Bei den Schweißungen kamen sowohl Rechteckpulse, als auch Pulsformung zum Einsatz.
Bild 7. links: Aufbau der Zugproben für die Punktschweißversuche (einschnittig, zweireihig) rechts: Versuchsaufbau für
das Schweißen von Zugproben (Modifikation für Kupfer)
Später wurden die Punktschweißungen auf reale Stoßkonfigurationen an Glattband/Welle/Glattbandverbindungen
übertragen.
Für die Referenzklebung wurde eine Fläche herangezogen, die der Klebefläche entspricht, welche bei einem
konventionell gefertigten Rotationswärmetauscher für die Glattbandfläche von 200 mm * 300 mm vorgesehen
ist. Diese Klebefläche entspricht jener, die durch 8 Schweißpunkte ersetzt werden soll. Sie beträgt ca.
160 mm 2 . Daher wurde die Geometrie für die Zugproben wie folgt festgelegt: Probengröße: 20mm (Breite) *
50 mm (Länge). Die Überlappung beträgt 8 mm. Es kamen 2 verschiedene Klebstoffe zum Einsatz. Bei beiden
Klebstoffen handelte es sich um Hotmelt- Industrieklebstoffe, die sich durch sehr kurze Abbindezeiten auszeichen.
Zur Beurteilung der Klebung wurden sowohl Schäl- als auch Scherzugversuche durchgeführt. Geprüft
wurde mit einem 500 N Kraftsensor, einer Geschwindigkeit von 1 mm/min unter Erfassung der Maximalkraft.
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Bild 8 zeigt beispielhaft zwei Schälzugversuche.
Bild 8. Schälzugversuche an geklebten Proben, links 1.4404 rechts Cu
4.3 Nahtschweißungen
Für die Nahtweißungen kamen artgleiche Materialpaarungen aus 1.4404, als auch artfremde Materialpaarungen
aus 1.4404/Cu-HCP sowie 1.4404/Al zum Einsatz. Die Materialstärken betrugen 50 bzw. 100 µm. Es
wurden sowohl cw-Schweißungen, als auch pw-Schweißungen betrachtet. Darüber hinaus wurden Ansätze
der Leistungsmodulation erprobt. Als Referenzverfahren kam das Diffusionsschweißen zum Einsatz.
4.4 Korrosionsuntersuchungen
Vor den Untersuchungen wurden Vorversuche mit variierenden Abständen zwischen der Probe und den Platinelektroden
durchgeführt, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Bild 9 illustriert den Einfluss des Abstands
zwischen den Platinelektroden und einer Referenzprobe auf die Messergebnisse für die Materialkombination
1.4404-Cu in VE-Wasser. Dabei wird deutlich, dass der gemessene Strom mit zunehmendem Abstand abnimmt.
Aufgrund dieser Erkenntnisse wird für zukünftige Messungen die Nutzung der schmalsten Zwischenscheibe,
die einen Abstand von 3 mm aufweist, bevorzugt.
Bild 9. Einfluss der Scheibenbreite auf den gemessenen Strom
Die primäre Anwendung der mittels Lasertechnik geschweißten Folien zielt auf Brennstoffzellen und Wärmetauscher
ab. Gemäß der Fachliteratur kommen als flüssige und elektrisch leitfähige Elektrolyte üblicherweise
eine 30%ige Kalilauge in alkalischen Brennstoffzellen (AFC) oder eine hochkonzentrierte Phosphorsäure
(85%) in phosphorsauren Brennstoffzellen (PAFC) zum Einsatz [3]. Während alkalische Brennstoffzellen im
Niedertemperaturbereich von 20 bis 90°C operieren, erreicht die Betriebstemperatur der phosphorsauren
Brennstoffzellen etwa 180°C. Zusätzlich zu den spezifischen alkalischen und sauren Elektrolyten ist geplant,
elektrochemische Untersuchungen sowohl in Deionisiertem Wasser als auch in Trinkwasser durchzuführen,
die beide oft als Wärmeträger in Wärmetauschern genutzt werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens
wurde nichtrostender Stahl der Sorte 1.4404 als Hauptpartner für die Werkstoffpaarungen ausgewählt. Aufgrund
der ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit gegenüber den zuvor genannten Elektrolyten soll die Korrosionsbeständigkeit
von lasergeschweißtem nichtrostendem Stahl 1.4404 zusätzlich in einem chloridhaltigen
Elektrolyt mit 1% NaCl untersucht werden.
8
DVS 391

Darüber hinaus, und in Unabhängigkeit von der Werkstoffpaarung sowie der Bildung von Bimetallkorrosion,
wurde der seitlich angeschweißte nichtrostende Stahl 1.4404 elektrochemisch charakterisiert. Hierfür wurden
Strom-Spannungs-Kurven unter Verwendung einer Aufsatzmesszelle in einer 1% NaCl-Lösung erstellt, um
das Durchbruchspotential bei einer Stromdichte von 10 µA/cm² zu bestimmen [4]. Diese Methode ermöglicht
es, den Einfluss der beim Laserschweißen entstehenden Wärme auf die Passivschicht der Schweißnähte zu
untersuchen und deren Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit zu bewerten. Vor der Untersuchung
wurde der nichtrostende Stahl 1.4404 gebeizt, um Oberflächenverunreinigungen und eventuelle Oxidschichten
zu entfernen.
Die lasergeschweißten Proben aus der Kombination 1.4404-Cu, jede mit einer Stärke von 50 µm, wurden
unter Verwendung verschiedener Schweißparameter gefertigt und anschließend anhand der Schweißleistung
in sieben Gruppen eingeteilt. Die Einteilung erfolgte von 100 W bis 350 W in Schritten von 50 W, mit einer
Ausnahme bei 175 W. Innerhalb jeder Gruppe wurde die Geschwindigkeit des Laserschweißens schrittweise
und zunehmend variiert.
5 Ergebnisse
5.1 Detektion verdeckter Stöße
In vorangegangenen Experimenten wurden drei Messverfahren untersucht. Die Aufnahme des gesamten
Messbereiches mit einem zeilenhaft abtastenden System (Laserlichtschnittverfahren) würde die Erfassungszeit
deutlich steigern. Zusätzlich müsste eine zweidimensionale translatorische Bewegung des Sensors mit
der erforderlichen Genauigkeit realisiert werden. Die hohe Reflektivität der untersuchten Materialien erschwert
die Detektion der Wellenberge und -täler mittels des stereoskopisches Messsystem mit aktiver Musterprojektion
und führte somit zu Fehlstellen im 3D-Abbild. Nachteil dieser 3D-Messverfahren ist ebenfalls, dass für die
Erfassung der verborgenen Struktur eine tatsächliche Verformung des aufliegenden Glattbandes erforderlich
ist. Bei steigender Folienstärke des Glattbandes (>35 µm) musste der Unterdruck erhöht werden. Diese notwendige
geometrische Verformung führte letztlich zu einem höheren Material- und Ressourcenverbrauch. Daher
wurde im Rahmen des Projektes das Messverfahren der aktiven Thermografie eingesetzt und im Folgenden
werden die Ergebnisse präsentiert.
Bild 10. Aktive Anregung unterschiedlicher Materialien und Folienstärke mit Heißluft (500 l/min, 500°C) für 5s und einzelnen
Blitzimpulsen (3x 500 Ws)
Bild 10 zeigt die Erwärmung des Folienstapels sowohl mit Heißluft als auch Blitzimpulsen. Bei beiden Methoden
wurde ein vergleichbarer Betrag an Energie in das Material eingetragen. Stahlfolien verhielten sich bzgl.
beider Anregungsquellen sehr kooperativ. Aluminiumfolien ließen eine Detektion der Wellenstruktur bis max.
50 µm zu. Bei Kupferfolien konnte bisher kein Ergebnis erzielt werden. Vermutlich ist dieses Verhalten auf die
unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der Materialien (Tabelle 2) zurückzuführen. Vor allem die hohe Leitfähigkeit
von Aluminium und Kupfer führen zu einem schnellen Abfluss der Energie in die darunterliegende Wellenfolie.
Zusätzlich wurde, durch den Versuchsaufbau notwendigen Unterdruck, Konvektion an der Unterseite des
Glattbandes erzeugt, womit der Wärmeabfluss beschleunigt wird. Außerdem ist zu prüfen, wie sich verschiedene
Legierungen und Vorverarbeitungsprozesse auf die Energieabsorptionsfähigkeit der Materialien auswirken.
DVS 391 9

Tabelle 2. Wärmeleitfähigkeit der untersuchten Stoffklassen.
Material Wärmeleitfähigkeit (W/(m*K)) [5,6]
Aluminium (99,5 %) 236
Aluminiumlegierungen 75 - 235
Kupferlegierungen (Sn, Zn, Ni, Pb) 30 - 110
Kupfer (Handelsware) 240 - 380
Kupfer (rein) 401
Eisen 80,2
Zur Detektion verdeckter Kontaktpunkte erfolgte eine algorithmische Kantendetektion mit Hilfe des Sobel-Operators.
Die Analyse wurde zur Vergleichbarkeit auf normalisierten Bildern durchgeführt. Dabei traten deutlich
die verborgenen Wellenberge (Kontaktlinien zum Glattband) bei Aluminium 25 µm sowie Stahl 50 µm und
100 µm hervor. Des Weiteren wurden die Kantenbilder mittels eines datengetriebenen Schwellwertes binarisiert
und zeigen deutlich die verdeckten Kontaktlinien (Bild 11). Auf Grundlage dieser Ergebnisse können über
den gesamten Messbereich vertrauenswürdige Kontaktpunkte festgelegt und an das Laserschweißsystem
übergeben werden. Im weiteren Projektverlauf soll diese Analysekette bspw. mit anderen Operatoren zur Kantendetektion
verglichen und durch eine Fourier-Transformation erweitert werden.
Bild 11. Binarisierung mittels datengetriebenem Schwellwert nach Kantendetektion mit Sobel-Operator
5.2 Punktschweißungen
Gegenüber den Referenzklebungen sind die übertragbaren Spannungen größer, die übertragbaren Kräfte jedoch
um eine Größenordnung schlechter. Da die Schweißpunkte lediglich der Fixierung während des Montagevorgangs
dienen, werden die übertragbaren Kräfte als ausreichend groß angesehen. Bild°12 veranschaulicht
die Ergebnisse exemplarisch für 50 µm dicke Kupferfolien. Bild 13 zeigt Ausknüpfungen (Versagen im
Grundwerkstoff) an Kuper (links) und Aluminium (rechts).
Bild 12. Übertragbare Maximalkräfte an Überlappstößen von 50 µm dicken Kupferfolien (links: Rechteckpulse, rechts:
mit Pulsformung
10
DVS 391

Bild 13. Ausknüpfungen bei den Scherzugversuchen, links: Cu, Rechteckpuls, t=1 ms, P=2000 W, rechts: Al, Pulsformung
Für Kuper- und Stahlfolien sind Rechteckpulse mit 2 ms Pulsdauer zu empfehlen. Die Laserleistung ist dem
optischen Setup anzupassen und sollte bei einem Fokusdurchmesser von 85 µm an Kupfer mindestens 900 W
betragen. An Aluminiumfolien ist für Materialstärken von 25 µm Pulsformung mit einem überhöhten Pulsbeginn
und einer abfallenden Rampe zu Pulsende zu empfehlen. Ab einer Folienstärke von 50 µm kann auch ein
Rechteckpuls Verwendung finden.
5.3 Nahtschweißungen
Es konnten Schweißnähte generiert werden, welche den diffusionsgeschweißten Referenzproben bzgl. ihrer
Zugfestigkeit deutlich überlegen sind. Dies liegt daran, dass nicht die Diffusionsschweißnaht selbst versagt,
sondern der (durch den Prozess geschwächte) Grundwerkstoff am Übergang zur Diffusionsschweißzone. Darüber
hinaus konnten für die Durchschweißung Parameter ermittelt werden, die sich tolerant gegenüber Spaltbildung
zeigten (siehe Bild 14).
Bild 14. Durchschweißung trotz Spaltbildung, 1.4404 artgleich, t=100 µm, P=200 W, v=37 m/min, dF=56 µm
Aufgrund der höheren umsetzbaren Schweißgeschwindigkeiten sind cw-Schweißungen den gepulsten zur Erreichung
dieses Vorhabenziels vorzuziehen. Es gelang, Nähte zu generieren, welche in den Scherzugversuchen
im Grundwerksoff des weicheren Fügepartners (Cu bzw. Al) versagten. Einschnüren und Versagen erfolgten
am Übergang zur Schweißnaht. Bild 15 zeigt exemplarisch Querschliffe an 100 µm-Folien aus Stahl
und Kupfer, links als Einschweißung und rechts als Durchschweißung, wobei die ausgewählte Durchschweißung
durch Wurzeleinfall gekennzeichnet ist.
Bild 15. Schweißungen an 100µm 1.4404/Cu-HCP, links: Einschweißung, rechts Durchschweißung mit Wurzelrückfall
DVS 391 11

5.4 Korrosionsuntersuchungen
Die Ergebnisse zur Bestimmung des Durchbruchpotentials aus Bild 16 zeigen, dass in jeder Gruppe mit zunehmender
Laserschweißgeschwindigkeit das Durchbruchpotential steigt und ein Maximum erreicht, welches
dem Durchbruchpotential der Referenzprobe entspricht. Die Referenzprobe (Probenummer 58) ist ein nicht
angeschweißter 1.4404 Stahl. Ein Anstieg des Durchbruchpotentials deutet darauf hin, dass der Werkstoff
korrosionsbeständiger wird. Daraus lässt sich schließen, dass eine langsamere Schweißgeschwindigkeit zu
einer stärkeren Wärmeeinwirkung und somit zu umfangreicheren Strukturveränderungen im 1.4404 Werkstoff
führt, was wiederum eine negative Auswirkung auf die Korrosionsbeständigkeit hat und die Passivschicht beschädigen
kann.
Bild 16. Durchbruchpotential der lasergeschweißten Proben in 1%NaCl-Lösung
Jedoch zeigt die Korrelation des Durchbruchpotentials mit der Haftung der gepaarten Folien, dass mit zunehmender
Laserschweißgeschwindigkeit die Haftung der verbundenen Folien deutlich abnimmt. Beispielsweise
verdeutlicht Bild 17, dass in der Gruppe mit einer Laserleistung von 175 W bei einer Laserschweißgeschwindigkeit
von 110x10 3 mm/min keine adäquate Haftung zwischen den Folien erzielt wird.
50.000 [mm/min] 80.000 [mm/min] 110.000 [mm/min]
Bild 17. Durchbruchpotential und Querschliffbilder der lasergeschweißten Proben aus der Gruppe mit 175 W
12
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Nach den Untersuchungen mit der neu entwickelten Messzelle unter Verwendung von Referenzproben und
dem Vergleich der Ergebnisse mit den Elementstrommessungen derselben Referenzproben wurde eine sehr
gute Korrelation festgestellt. Dadurch kann die ordnungsgemäße Funktionalität der neu aufgebauten Messzelle
gewährleistet werden.
Bild 18 präsentiert die Ergebnisse, die mit der neu entwickelten Messzelle für lasergeschweißte Proben der
Materialkombination FE-Cu, jeweils mit einer Dicke von 50 µm, erzielt wurden.
Bild 18. Messergebnisse mit der neu entwickelten Messzelle in 1% NaCl-Lösung
Die erste Probe, als Referenzprobe gekennzeichnet und mit der Nummer Null versehen, besteht aus zwei
Folien aus Cu und Fe 1.4404. Diese sind zwar nicht miteinander verschweißt, aber elektrisch verbunden und
dienen als Vergleichsbasis. Die beim Laserschweißen entstehende Wärme beeinflusst beide Materialien und
führt zu Veränderungen in der Gefügestruktur der Folien, was wiederum die Potenziale beider Werkstoffe
modifiziert. Durch die neu entstandenen Potenziale und ihre Differenz entsteht ein elektrischer Stromfluss,
dessen Intensität direkt von der Größe der Potentialdifferenz abhängt: Je größer die Differenz, desto stärker
der Stromfluss, was auf eine geringere Korrosionsbeständigkeit der Materialkombination hinweist. Die durchgeführten
Messungen der Ruhepotenziale von Kupfer (Cu) und 1.4404 in einer 1%igen NaCl-Lösung haben
gezeigt, dass 1.4404 gegenüber Kupfer ein leicht edleres Verhalten aufweist. In einer 1%igen NaCl-Lösung
fungiert Kupfer daher im Vergleich zu 1.4404 als Anode.
Die Ergebnisse aus Bild 18 zeigen, dass der Stromfluss zwischen den zwei polarisierten Platinelektroden stark
von der Laserleistung und der Laserschweißgeschwindigkeit beeinflusst wird. Dies deutet darauf hin, dass der
Elementstrom ebenfalls stark beeinflusst wird, was wiederum die Bildung von Bimetallkorrosion begünstigen
kann. Die Kurve zeigt, dass der maximale Strom bei einer Laserleistung von 250 [W] fließt und bei der Probe
35 einen Wert von 350,75 [nA/cm²] erreicht. Probe 35 wurde mit einer Laserleistung von 250 [W] und einer
Lasergeschwindigkeit von 2500 [mm/s] bearbeitet. Bei einigen Proben, wie z.B. den Nummern 5, 12 und 13,
wurde eine Umkehrung des Stromflusses festgestellt. Der absolute Stromwert dieser Proben entspricht grundsätzlich
den Strömen der übrigen Proben. Dieses Phänomen resultiert aus der beim Laserschweißen erzeugten
Wärme, welche bewirkt, dass der Werkstoff 1.4404 gegenüber Kupfer unedler wird und somit die Anode
bildet.
6 Danksagung
Das Verbundvorhaben wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter den IGF-Fördernummern
48 LBR und 49 LBR nach einem Beschluss des Deutschen Bundestages unterstützt. Für diese Förderung
und Unterstützung sei gedankt.
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Schrifttum
[1] DIN 50919:2022-02. Korrosion der Metalle - Korrosionsuntersuchungen der Bimetallkorrosion in Elektrolytlösungen.
Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2022-02.
[2] D. Tiberto, U. E. Klotz, F. Held. Einfluss der thermophysikalischen Eigenschaften auf die Verarbeitbarkeit
von CuSn-Legierungen durch das selektive Laserschmelzen. Metall, vol. 71, S. 452-458, 11/2017.
[3] Kurzweil, Peter. Brennstoffzellentechnik: Grundlagen, Materialien, Anwendungen, Gaserzeugung. 3.,
überarbeitete und aktualisierte Auflage. Unter Mitarbeit von Ottmar Schmid. Wiesbaden: Springer Vieweg,
2016. ISBN 978-3-658-14935-2.
[4] ISO 15158:2014-02. Korrosion der Metalle und Legierungen - Potentiodynamische Methode zur Ermittlung
des Lochkorrosionspotentials nichtrostender Stähle in Natriumchloridlösung.
[5] H. J. Bargel, G. Schulze. Werkstoffkunde. VDI-Buch. Springer, Berlin, Heidelberg. (2008).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-79297-0_3.
[6] C. Sigli, H. Terryn, I. De Graeve, H. Shercliff, M. Ryckeboer. Thermische Leitfähigkeit. aluMATTER
(2016). https://web.archive.org/web/20160311181206/http://aluminium.matter.org.uk/content/html/ger/default.asp?catid=159&pageid=2144416493.
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Gefährdungen beim handgeführten Laserstrahlschweißen
M. Schmitz, Jena, Deutschland
S. Jahn, Jena, Deutschland
R. Prowaznik, Jena, Deutschland
J. Lange, Jena, Deutschland
Spätestens seit der letzten Weltleitmesse – Fügen, Trennen, Beschichten (Schweißen & Schneiden) im Jahr
2023 sind handgeführte Laserstrahlschweißsysteme (engl. handheld laser welding) in das Interesse von
Anwendern gerückt. Dies ist im Wesentlichen auf zwei Faktoren zurückzuführen: Zum ersten sind die Kosten
für ein entsprechendes System in den letzten Jahren signifikant gefallen, zum anderen besteht wirtschaftlicher
Druck bei der Herstellung von Schweißerzeugnissen, auch aufgrund des Fachkräftemangels. Im Bericht
wird auf verschiedene Aspekte des handgeführten Laserstrahlschweißens eingegangen, insbesondere auf
Gefährdungen.
1 Trend?
Die Laserstrahlquelle stellt einen wesentlichen Kostenpunkt bei handgeführten Laserschweißsystemen dar.
War bis vor wenigen Jahren der Preis von einem Kilowatt Laserstrahlleistung weit im sechsstelligen Bereich,
so sind heute Strahlquellen mit 1 kW bereits im mittleren vierstelligen Bereich auf dem Markt verfügbar.
Dadurch können Systeme bereits um zehntausend Euro angeboten werden.
Um wirtschaftlich auftreten zu können, besteht ein hohes Interesse, die Produktivität beim manuellen
Schweißen zu erhöhen. Hier bietet das handgeführte Laserstrahlschweißen ebenso Vorteile. Es kann
schneller geschweißt und dabei der Verzug reduziert werden. Dadurch ist es möglich, den Durchsatz zu
erhöhen, wenn die Randbedingungen stimmen. Weiterhin belegen Berichte und Erfahrungen der Autoren,
dass auch weniger erfahreneres Personal prüfgerechte Schweißnähte erzielen kann.
2 Begriff
Im Allgemeinen werden unter dem Begriff „Handschweißlaser“ Systeme verstanden, bei denen der Laserkopf
feststeht und die Schweißbewegung durch händisches Verschieben des Werkstücks erfolgt. Auch werden
darunter Anlagen verstanden, bei denen der Laserkopf mechanisiert/teilautomatisiert verfahren wird und
die Bewegung des Laserkopfs oder des Werkstücks über einen Joystick gesteuert wird.
Das handgeführte Laserstrahlschweißen ist dagegen vergleichbar mit handgeführten Lichtbogenschweißprozessen.
Ein Handstück/Schweißkopf/Pistole wird über das Werkstück geführt, als Energie zum Aufschmelzen
des Werkstoffs kommt jedoch kein Lichtbogen, sondern kohärente Strahlung zum Einsatz. Der
Schweißkopf wird vom Schweißer in der Hand gehalten („Handstück“) und von diesem geführt.
Bild 1. Handgeführte Laserstrahlschweißsysteme
DVS 391 15

3 Sicherheitsanforderungen
Zum Betrieb eines handgeführten Laserstrahlschweißsystems ist organisatorisch ein Laserschutzbeauftragter
im Unternehmen zwingend erforderlich. Die Systeme sind der Laserklasse 4 („offenes Lasersystem“)
zuzuordnen. Daher sind beim Betrieb die Vorschriften der Lasersicherheit besonders zu betrachten. Es wird
dabei unterschieden zwischen dem Schutz des Schweißers und dem Schutz von Dritten. Firmen, die bereits
eine Laseranlage einsetzen, beispielsweise zum Schneiden, erfüllen die Anforderung bereits. Neueinsteigern
ist dies jedoch oft nicht bekannt, was ein Risiko darstellt.
Schweißer-seitig muss das System Sicherheitsanforderungen erfüllen und darf die Laserstrahlung nur unter
bestimmten Sicherheitsbedingungen freigeben. Die meisten Systeme bieten eine mehrstufige Überwachung.
Die erste Stufe ist Kontaktüberwachung: der Laserstrahl wird nur freigegeben, wenn elektrischer Kontakt
zwischen Handstück und Werkstück besteht („Massekabel“ zwischen Werkstück und System). Als zweite
Stufe fungiert eine Freigabetaste am Handstück mit Signalisierung „Laser an“. Für einen sicheren Einsatz
besitzen die Systeme die geforderte dritte Stufe, um den Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich Laserschutzverordnung
(Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung - OStrV) oder der Berufsgenossenschaften
(Hand-Laser-Maschinen (HLM) - Checkliste (Entwurf), BG ETEM), zu erfüllen. Ausgeführt
werden kann diese in Form eines Fußschalters oder einer Plasmaüberwachung.
Bild 2. Handstücke zum einachsigen (links) und zweiachsigen (Mitte) Pendeln sowie mit aktiver Plasmaüberwachung
(rechts)
Der Schweißer muss persönliche Schutzausrüstung tragen. Es kann die Kleidung verwendet werden, die
auch beim Lichtbogenschweißen genutzt wird. Aufgrund der Reflexion der gestreuten Laserstrahlung und
der werkstoffbedingten Entstehung von UV-Strahlung („UV-Strahlung bei der Handlasermaterialbearbeitung“
(DGUV-FP439)“) [6] ist jedoch darauf zu achten, dass die Haut des Schweißers bedeckt ist (Handschuhe!).
Tabelle 1. UV-Belastung und Zeit bis zum Erreichen der Expositionsgrenzwerte [6]
Hinsichtlich der Handschuhe liegen Anforderungen von mehreren Seiten vor. So existiert eine DIN SPEC,
die Vorgaben hinsichtlich Schutz gegen Laserstrahlung trifft. „Die Untersuchung von Schutzhandschuhmaterialien
gegenüber nichtkohärenter UV-Strahlung ist vorerst nicht Bestandteil dieser Norm.“ [7].
„Die Sekundärstrahlung wird im Allgemeinen bei allen betrachteten Werkstoffen sehr stark divergent in die
Hemisphäre über der jeweils bearbeiteten Werkstoffprobe emittiert. Bei den verwendeten Lasersystemen
sind UV-Sekundärstrahlungsexpositionswerte, die für die Haut und die Hornhaut kritisch sind, in einer ähnlichen
Größenordnung zu beobachten. Der relevante Expositionsgrenzwert Heff wird vor allem im Fall von
Titan bei geringem Abstand von der Laserprozesszone teilweise nach weniger als einer Minute erreicht.
Entsprechend sind lichtdichte Arbeitshandschuhe zu tragen. Dabei sollte der Schutz der Hände gegen emittierte
Laserstrahlung nicht unberücksichtigt bleiben.“ [6] Eine Herausforderung ist aktuell daher, beide Forderungen
nach Schutz gegen Primär- und Sekundärstrahlung zu erfüllen, da typische IR-Schutzwerkstoffe
unter UV-Belastung zu einer schnellen Alterung neigen.
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