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

Steiner, Max Fabian; Bergs, Thomas; Häfner, Constantin Leon

doi:45587

Entwicklung und experimentelle Untersuchungen des koaxialen Laser-Lichtbogen-Hybridschweißens als additives Verfahren = Development and experimental investigation of the coaxial-laser-arc-hybrid-welding for additive manufacturing

Steiner, Max Fabian^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeMax Fabian Steiner

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-348-8

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Druckausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Lasertechnik. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Häfner, Constantin Leon (Thesis advisor)^RWTH* ; Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06650
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1038638/files/1038638.pdf
URL: https://www.apprimus-verlag.de/entwicklung-und-experimentelle-untersuchungen-des-koaxialen-laser-lichtbogen-hybridschweissens-als-additives-verfahren.html

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laserauftragschweißen (frei) ; Schweißen (frei) ; Schweißverfahren (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
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.

Additive manufacturing processes have been established in industry and research for over 30 years. An arc (WAAM) or laser radiation (WLMD) are often used as energy sources for processing wire-shaped, metallic filler materials in deposition welding processes. In all processes, the total power used, the welding speed and the wire feed speed are the main input parameters by means of which the output variables of the deposition rate, the track dimensions and the penetration depth can be influenced and specifically adapted for an application. AM processes are intended to enable new, resource-saving and more efficient production routes. The energy used in the production of components per applied component mass and the deviation of the component dimensions from the planned shape should be small. By means of the WLMD process particularly good structure resolutions with track widths between 1 and 3 mm can be achieved, but the maximum deposition rates are 1-2 kg/h. Using the WAAM process, higher deposition rates of up to 6 kg/h can be achieved. The track widths are rarely smaller than 5 mm and the smallest achievable structure resolution is directly limited by this value. As part of this work, the WLMD and WAAM processes are combined for the first time into a simultaneous coaxial hybrid process with a common process zone to the Coaxial-Laser-Arc-Hybrid welding process (COLLAR-Hybrid) for use as an AM process. For the new process, a functional model of a welding optic is set up and the hybrid process is put into operation. By changing the power ratio of arc power to laser power, the hybrid process can be varied continuously and characteristics can be changed. Parameter studies are used to investigate the influence of basic setting parameters on the achievable track dimensions and deposition rates. In the tests with the new COLLAR-Hybrid process, welding speeds of up to 3 m/min and deposition rates of up to 3.7 kg/h with 5 mm wide tracks are achieved. Regarding the planned application as an AM process, the possibilities of direction-independent welding are being investigated, and the welding of layers and volumes is demonstrated.

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