Metallgas- und Laserschweißen

Ausbruchsicherer Lichtbogen

28. September 2022, 10:31 Uhr | Nicole Wörner
Schematischer Aufbau des COLLAR Hybrid (koaxialen Laser Lichtbogen Hybrid) Bearbeitungskopfes.
Schematischer Aufbau des COLLAR Hybrid (koaxialen Laser Lichtbogen Hybrid) Bearbeitungskopfes.
© Fraunhofer ILT, Aachen / Max Fabian Steiner und Lukas Rießner

Eine optische Hybridlösung mit Glassubstraten und einem Lichtbogenbrenner soll künftig das Metallschutzgas-Schweißen und das Laserauftragsschweißen mit Ringstrahl zu einem völlig neuen Verfahren vereinen. Herzstück: ein von Laserstrahlen umschlossener – und damit ausbruchssicherer – Lichtbogen.

Ziel des so genannten Collar-Hybrid-Verfahrens, das Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT im Rahmen des Forschungsprojekts »KoaxHybrid« entwickelt und gebaut haben, ist es, die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen und die Auftragrate beim metallischen 3D-Druck zu erhöhen.

Das neue Verfahren verbindet das Beste aus zwei Welten, eine Kombination zweier additiver Verfahren mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff. Die Rede ist vom Lichtbogenauftragschweißen (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) und vom Laserauftragschweißen (Wire Laser Material Deposition, WLMD).

Beide Verfahren besitzen systembedingt Vor- und Nachteile: Der Laserprozess ist im Vergleich zu WAAM ein kostspieliges Verfahren mit niedrigen Auftragraten, zeichnet sich aber durch einen geringen Wärmeeintrag und präzisen Schichtaufbau exakt an der gewünschten Stelle aus. Daher ist er besonders in der Luft- und Raumfahrt gefragt. Soll die Auftragrate größer sein, bietet sich das WAAM an, wobei die erreichbaren Oberflächen welliger und der Schichtaufbau deutlich grober ist.

Beim Fügen ist die Kopplung in lateraler Anordnung unter der Bezeichnung LB-MSG-Hybridschweißen etabliert (Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen). Jedoch ist dieses Verfahren richtungsabhängig oder für das Fügen von dreidimensionalen Nähten nur bedingt geeignet.

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Bis zu 150 % Steigerung möglich

Mit der Kombination der Verfahren lassen sich die Auftragraten um bis zu 150 Prozent steigern, sodass das neue richtungsunabhängige 3D-Druckverfahren auch für große Bauteile infrage kommt. »Weil die Oberflächenwelligkeit abnimmt, sinkt der Nachbearbeitungsaufwand im Vergleich zum Lichtbogenverfahren WAAM deutlich«, erklärt Max Fabian Steiner, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT.

Kombinierter Prozess sorgt für Synergieeffekte

Das Lichtbogenauftragsschweißen ist ein etablierter und robuster Prozess, die notwendige Systemtechnik ist günstig zu erwerben und die meisten metallischen Werkstoffe lassen sich damit verarbeiten. Steiner: »Der Lichtbogen lässt sich aber nicht so exakt fokussieren wie einen Laserstrahl. Damit lassen sich nicht so feine und genaue Spuren herstellen wie mit dem Laser.«

Mit seiner Institutskollegin Jana Kelbassa entwickelte und baute Steiner als Gegenmaßnahme eine wassergekühlte Spezial-Optik mit Glassubstraten und einen wassergekühlten Lichtbogenbrenner zum Schweißen und für die additive Fertigung mit großen Leistungen. In der neuen Optik werden beide Energiequellen überlagert und die Stärken der beiden Einzelverfahren gewinnbringend kombiniert.


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