Schweißen von Multilagen-Blechstapeln

Auch beim Umfangsschweißen von Multilagen-Blechstapeln kommt dem Vorrichtungsbau große Bedeutung zu. Entworfen und gebaut wurde eine Vorrichtung, die zugleich das versatzarme Stapeln von Blechen ermöglicht. Mittels eines Hydraulikzylinders können wahlweise Stapel von 100 x 100 mm oder 100 x 200 mm mit einer maximalen Kraft von 20 t verspannt werden. Das Blechpaket kann unter dieser Kraft um bestimmte Winkel gekippt bzw. gedreht werden, so dass alle Seiten für das Laserschweißen zugänglich sind (Abb. 1). Die zeitliche Abfolge und Richtung der einzelnen Schweißnähte sind wichtig, um innere Spannungen der Bauteile zu minimieren.

Abb. 1: Spannvorrichtung zum Ausrichten und Verpressen von Multilagen-Blechstapeln mit Kräften bis 20 t für das Umfangsschweißen.

In der Mikrotechnik ist es oft erforderlich mit kleinen Streckenergien zu schweißen um Wärmeeintrag und Bauteilverzug minimal zu halten. Ein Beispiel für eine entsprechend angepasste Schweißnahtform ist in Abb. 2 gezeigt: Einerseits muss die Naht für mikrotechnische Anwendungen an der Oberfläche so schmal wie möglich sein, andererseits muss der Anbindungsquerschnitt in der Hälfte der Einschweißtiefe ausreichen, um technologische Schwankungen wie

• vom Herstellungsprozess fluktuierende Blechdicke (Δd=30 µm)
• die Positionierungenauigkeit der Werkzeugmaschine (±15 µm) sowie
• des thermischen Bauteilverzugs (abhängig von Design und Schweißstrategie)

über viele Lagen auszugleichen. Dies ist wichtig, um den Schweißprozess automatisieren zu können.

Abb. 2: Für Umfangsschweißnähte optimierte, nahezu rechteckige Nahtform

Je nach Schweißrichtung muss die Schutzgasabdeckung im Nahtbereich sichergestellt werden. Wenn zweidimensionale Konturen geschweißt werden, reicht eine einfache Schutzgasdüse oft nicht mehr aus, um Oxidation zu vermeiden. Für mikrostrukturierte Bleche mit eingeschränkter Wärmeableitung kann die Schweißgeschwindigkeit unerwartete Auswirkungen auf die Nahtgeometrie haben (Abb. 3).

Abb. 3: Auswirkungen mangelhafter Schutzgasabdeckung sowie der Schweißgeschwindigkeit auf die Morphologie der Schweißnaht bei mikrostrukturierten dünnen Blechen.

Werden Stapel aus Blechen durch Laserschweißen verbunden, kann im Gegensatz zum Diffusionsschweißen nur am Umfang geschweißt werden. Die Druckbeständigkeit ist oft nicht ausreichend. Es müssen Gehäuse verwendet werden, um dem geforderten Prozessdruck zu widerstehen (Abb. 18). Der im unteren Bild gezeigte Stapel wurde aus ca. 300 mikrostrukturierten Blechen aus Hastelloy C-22 (2.4602) mit Dicken von 0,63 und 1 mm aufgebaut. Durch einen Heliumlecktest wurde Hochvakuumdichtheit im Bereich 10E-07 mbar*l/s sowie eine Druckfestigkeit von 25 bar nachgewiesen.

Abb. 4: Links: Verschweißter Multilagenstapel vor dem Einschweißen. Mitte. In Gehäuse adaptierter Stapel. Rechts: verschiedene Vergrößerungen der Mikrostrukturierung. Kanalbreite 2 mm, Kanalhöhe 0,5 mm.