Steuerung von Geometrie und Metallurgie beim Laserstrahl-Mikroschweißen durch Beeinflussung der Schmelzbaddynamik über örtlich und zeitlich angepassten Energieeintrag

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1. Allgemeines

Die schmelzflüssige Phase beeinflusst beim Laserstrahl-Mikroschweißen in Wechselwirkung mit der Stabilität der Dampfkapillare in erheblichem Maße Präzision und Qualität der resultierenden Schweißnaht. Dies äußert sich sowohl in geometrischen Größen, wie Nahttiefe und -breite, metallurgischen Größen, wie der Ausbildung intermetallischer Phasen, als auch in funktionalen Größen, wie bspw. Festigkeiten.

Nach derzeitigem Stand der Forschung existiert heute keine Methodik, um die durch die Dynamik der schmelzflüssigen Phase verursachten Prozessinstabilitäten beim Lasermikroschweißen zu unterbinden oder zu kompensieren. Der Ansatz der zeitlich und örtlich angepassten Energiedeposition bietet hierfür das größte Potenzial.

Ziel dieses Projekts ist die Analyse der einzelnen präzisionsbestimmenden Teilaspekte des Laserstrahl-Mikroschweißens, eine modellbasierte Bewertung der unterschiedlichen Einflussgrößen und daraus die Ableitung von Vorgehensweisen und Prozessführungsstrategien für eine deutliche Steigerung von Qualität und Präzision. Für das Projekt wird eine zweistufige Zielsetzung definiert:

  • Ermittlung der präzisionsbestimmenden Zeitkonstanten und Prozess-Randbedingungen durch hochauflösende Prozessvisualisierung bei gleichzeitig hoher zeitlicher Auflösung und Steigerung des Prozessverständnisses (in Kooperation mit A03).

  • Erhöhung der Schweißnahtpräzision bzgl. geometrischer Eigenschaften (Einschweißtiefenkonstanz ≤ 10%, Einschweißtiefenkontrolle ≤ 10%, Oberflächenrauheit Ra ≤ 10 µm und Porosität ≤ 5%

Diese Ziele sollen durch eine Modulation der Energiedeposition erreicht werden, bei der sowohl Schmelzbadgröße und damit Einschweißtiefe und Schweißnahtbreite als auch die Dynamik des Schmelzbads mit dem konvektiven Energietransfer beeinflusst werden. Verschiedene Strategien der örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation sollen dabei Erkenntnisse zur Kontrollierbarkeit der Nahtgeometrie und Schmelzbaddynamik bringen und zur Stabilisierung der Dampfkapillare beitragen. Um ein durchgängiges Verständnis der physikalischen Vorgänge zur Bewertung und Gewichtung der qualitätsbestimmenden Faktoren zu erhalten, muss eine detaillierte Analyse der Energieeinkopplung, des Schmelzprozesses und der Schmelzbaddynamik durch innovative methodische Diagnostikansätze beim Laserstrahl-Mikroschweißen technisch relevanter Metalllegierungen (insb. Cu-, Al-Werkstoffe) erfolgen.

2. Phase 2

2.1 Analyse mittels Synchrotron Strahlung

Die präzise Analyse von schmelzbasierten Prozessen ist in Phase 2 des SFB1120 Hauptaugenmerk der Teilprojektes. In Teilprojekt A01 wurde dafür erstmalig am Deutschen-Elektronen Synchrotron in Hamburg eine vollumfängliche Laserstrahl-Bearbeitungsanlage aufgebaut, mit welche In situ Durchstrahlversuche durchgeführt werden können. Diese erlaubt die Durchführung von stationären und hochdyanmischen Laserstrahl-Schweiß-, Schneid- und Bohrprozessen mittels einer Hochgeschwindigkeitsachse. In der ersten Iterationsschleife der Versuche wurden bisher eine örtliche Auflösung von 5 µm und eine zeitliche Auflösung von 1 ms erreicht. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit auch mikroskopische Prozesse mit einem Dampfkapillardurchmesser von nur 35 µm aufzunehmen. In Bild 1 sind die bisherigen In situ Röntgen-Phasenkontrast-Versuche dargestellt.

 
  Bild 1: Darstellung der Synchrotron-Versuche am Deutschen-Elektronen Synchrotron (DESY), a) Experimenteller Aufbau entwickelt und implementiert vom LLT; b) Laserstrahlschweißversuch auf Al99,5 mit dF = 100 µm, PL = 2000 W, v = 600 mm/s, λ = 1030 nm; b) L Urheberrecht: © SFB 1120
 
 

Bild 1: Darstellung der Synchrotron-Versuche am Deutschen-Elektronen Synchrotron (DESY), a) Experimenteller Aufbau entwickelt und implementiert vom LLT; b) Laserstrahlschweißversuch auf Al99,5 mit d F = 100 µm, P L = 2000 W, v = 600 mm/s, λ = 1030 nm; b) Laserstrahlschweißversuch auf Al99,5 mit d F = 35 µm, P L = 500 W, v = 200 mm/s, λ = 1070 nm; d) 3D Rekonstruktion aus 2D Bilddaten mittels Lambert-Beerschem Gesetz und numerisches Raytracing auf der Dampfkapillar-Oberfläche – Falschfarbendarstellung der Laser-Belichtungsstärke in W/cm²

 
 

Der experimentelle Aufbau ermöglicht die flexible Durchführung der In situ Röntgen-Phasenkontrast-Versuche durch rechtwinklige Anordnung von Materialprobe, Laserstrahl und Synchrotronstrahl. Die über den Scintillator aufgenommenen Bilder (Bild 1, b) und c)) zeigen die im Prozess entstehenden Phasengrenzen (fest-flüssig und flüssig-gasförmig) sowie die Materialoberfläche. Aus den gewonnenen 2D-Daten können dann im Nachgang mittels dem Lambert-Beerschen Gesetz die 3D-Geometrie der Dampfkapillare gewonnen werden. Diese 3D-Oberflächenstruktur dient abschließend als Vorlage zur Durchführung von Raytracing-Simulationen in Zusammenarbeit mit TP A03 und A09, mit denen die Propagation der Laserstrahlung im Dampfkanal berechnet werden kann, um daraus die Einflussgröße der Belichtungsstärke auf den Prozess zu ermitteln.

  Exemplarische Darstellung und Vergleich von Wärmeleitungsschweißung und Tiefschweißung durch Aufnahmen mittels Synchrotronstrahlung
 
 

2.2 Örtliche und Zeitliche Leistungsmodulation

Funktionsprinzip einer örtlichen Leistungsmodulation beim Laserstrahlmikroschweißen. Der Laserstrahl wird dabei, anders als beim herkömmlichen Laserstrahlschweißen, spiralförmig über die zu fügende Bauteiloberfläche bewegt. Die Bewegungsform entsteht durch eine kreisförmige Überlagerung der linearen Vorschubbewegung. Neben einer Stabilisierung des Schweißprozesses führt die örtliche Leistungsmodulation zu einer Erhöhung der Effizienz und des Anbindungsquerschnittes.

 
  Vergleich von konventionellem Laserstrahl-Mikroschweißen und Laserstrahl-Mikroschweißen mit örtlicher Leistungsmodulation auf Kupfer.
 
 

Gleichzeitig jedoch entsteht auf Grund der unterschiedlichen Bahngeschwindigkeit entlang der Schweißnaht, hervorgerufen durch die Oszillationsbewegung, eine Verkippung des Nahtgrunds Bild 2 a). Ein Ansatz zur Kompensation dieser Prozessfluktuationen ist die synchronisierte Überlagerung einer örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation. Die resultierenden Schweißnähte sind in Bild 2 b-c) dargestellt.

  Bild 2: Präzise Einstellung der Schweißnahtgeometrie durch Überlagerungen von örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation: a) Schweißnaht mit örtlicher Leistungsmodulation; b) Schweißnaht mit örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation „W“-Geometrie; c Urheberrecht: © SFB 1120

Bild 2: Präzise Einstellung der Schweißnahtgeometrie durch Überlagerungen von örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation: a) Schweißnaht mit örtlicher Leistungsmodulation; b) Schweißnaht mit örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation „W“-Geometrie; c) Schweißnaht mit örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation „V“-Geometrie; d)+e) Ausgleich der Nahtkippung in artungleicher Materialkombination hervorgerufen durch unterschiedliche Materialeigenschaften

 
 

Durch die gezielte Überlagerung einer örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation konnten neben der Steigerung des Anbindungsquerschnitt nun auch weitere Schweißnahtgeometrien im Querschnitt (W- oder V-Form) erzeugt werden. Die Ausgangsgeometrie, dargestellt in Bild 2 a), zeigt eine Verkippung zur rechten Seite im Querschliff. Diese Verkippung konnte bereits zum Ende der Phase 1 ausgeglichen werden. Durch eine Erweiterung der Überlagerung der örtlichen Leistungsmodulation mit einer zeitlichen Leistungsmodulation können nun „W“- und „V“-förmige Profile im Querschnitt der Schweißnaht erzeugt werden. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um in sensiblen Bauteilen in I-Stoß-Anordnung die Fügepartner mit noch gezielterem Energieeintrag zu fügen. Gleiche Systematik kann für artungleiche Materialsysteme angewandt werden (Bild 2 d) und e)).

2.3 Infrarote und grüne Laserstrahlung für das Laserstrahlschweißen

In der heutigen Zeit, in der der Klimawandel und die Erschöpfung der fossilen Brennstoffe ein tägliches Gesprächsthema sind, wird die Bedeutung des Umstiegs auf erneuerbare elektrische Energiequellen immer dringlicher. Für diesen Wandel werden zum einen neue elektrische Speichertechnologien benötigt, zum anderen Fertigungsverfahren, um beispielsweise die elektrischen Kontakte von Batteriepacks fehlerfrei und mit kurzen Prozesszeiten zu verbinden.

Mit dem verbreiteten Einsatz von Laserstrahlquellen in der Fertigungsindustrie wird eine weitere Steigerung der Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beim Laserstrahlschweißen immer wichtiger. Dies ist notwendig, um Kosten zu senken und Ressourcen zu sparen. Darüber hinaus wird eine Optimierung der Energieeffizienz angestrebt, um weitere Kosten zu sparen. Laserstrahlquellen mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich zwischen 1030 und 1070 nm sind heute für die Bearbeitung metallischer Werkstoffe weit verbreitet.

 
  Bild 3: Laserstrahlschweißen von elektronischen Bauteilen und Energiespeichern mit Laserstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich Urheberrecht: © Fraunhofer ILT Bild 3: Laserstrahlschweißen von elektronischen Bauteilen und Energiespeichern mit Laserstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich
 
 

Dank ihrer hohen Brillanz bieten sie die Möglichkeit, den Laserstrahl auf wenige 10 Mikrometer Strahldurchmesser zu fokussieren. Laserstrahlquellen mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich scheinen aufgrund der erhöhten Absorption von 5% (IR) auf bis zu 60% (VIS) der Laserstrahlung auf Kupfer eine ideale Alternative zu sein welche in diesem Teilprojekt detailliert in ihrer Wirkungsweise mit dem Material utnersucht werden.

 
  Laserstrahl-Schweißen mit sichtbaren Wellenlängen
 
 

2.4 Laserpolieren von Schweißnähten

Das Laserpolieren wird als Möglichkeit untersucht, die Oberflächenqualität von Laserschweißnähten nachträglich zu verbessern. Dabei wird zeitlich und räumlich versetzt die Schweißnahtoberfläche erneut mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen. Dabei können die Laserparameter so gewählt werden, dass das Schmelzbad möglichst homogen und ungestört geführt wird und somit die Oberfläche durch die Oberflächenspannung der Schmelze geglättet erstarrt. Im Gegensatz zum herkömmlichen mechanischen Polieren wird nicht durch Abtrag sondern durch Materialumverteilung in der Schmelze poliert.

In diesem Projekt ist es das Ziel, den zeitlichen und räumlichen Versatz des nachfolgenden Laserpolierprozesses zu minimieren, indem die beiden Prozesse kombiniert werden. Dazu wurde eine Zweistrahloptik entwickelt, die es ermöglicht einen zweiten Polier-Laserstrahl simultan zum Schweiß-Laserstrahl mit einstellbarem Abstand auf der Werkstückoberfläche zu fokussieren.

Die Untersuchungen wurden auf Kupfer (Cu-ETP) und der Kupferbasislegierung CuSn6 ohne Schutzgas durchgeführt. Zum Laserpolieren wurde grüne (515 nm) und blaue (450 nm) Laserstrahlung verwendet, da sich mit industrieüblicher infraroter (1 µm) Wellenlänge auf Grund der Absorptionseigenschaften von Kupfer kein stabiles Schmelzbad erzeugen lässt. Zunächst wurde die separate, d.h. nicht-simultane Laserpolitur von Schweißnähten untersucht und geeignete Prozessparameter identifiziert. Auf beiden Werkstoffen konnte die Rauheit halbiert werden, wie es in Bild 4 exemplarisch dargestellt ist. Durch Verwendung des selben Laserspots für beide Prozesse war das Polierschmelzbad kleiner als das Schweißschmelzbad, weshalb überlappend poliert wurde.

 
  Bild 4: Separate Laserpolitur (links Rauheit Ra 5 µm) einer Laserschweißnaht (rechts unpoliert Ra 11 µm) auf Kupfer (Cu-ETP). Beide Bearbeitungen wurden mit demselben Laserspot mit 515 nm Wellenlänge ohne Schutzgas durchgeführt. Oben: Mikroskopaufnahme. Urheberrecht: © SFB 1120

Bild 4 : Separate Laserpolitur (links Rauheit Ra 5 µm ) einer Laserschweißnaht (rechts unpoliert Ra 11 µm ) auf Kupfer (Cu-ETP) . Beide Bearbeitungen wurden mit demselben Laserspot mit 515 nm Wellenlänge ohne Schutzgas durchgeführt. Oben: Mikroskopaufnahme. Unten: Falschfarbendarstellung der Oberflächentopographie . Schmelzspritzer und Unebenheiten werden deutlich geglättet und die Rauheit halbiert.

 
 

Im nächsten Schritt wurde das simultane Laserpolieren mittels Zweistrahloptik untersucht. Mit diesem Setup lässt sich ein kleiner infraroter Laserspot (ca. 50 µm), wie er zum Schweißen geeignet ist, mit einem großem blauen Laserspot (ca. 400 µm), wie er zum Laserpolieren in einer Überfahrt geeignet ist, kombinieren. Durch diesen simultanen Kombiprozess ließ sich die Rauheit je nach Schweißparameter um einen Faktor 3 bis 6 reduzieren und Rauheiten von Ra 1 µm erzielen. Für Kupfer ist das Ergebnis einer simultanen Laserpolitur exemplarisch in Bild 5 dargestellt.

 
  Bild 5: Mikroskopaufnahme einer simultan laserpolierten Schweißbahn auf Kupfer (Cu-ETP). Rechts: Ausgangszustand der mit 1030 nm (IR) erzeugten Schweißnaht. Links: Simultan durch Zweistrahloptik mit 450 nm Wellenlänge laserpolierter Bereich (Prozess ähnl Urheberrecht: © SFB 1120

Bild 5 : Separate Laserpolitur (links Rauheit Ra 5 µm ) einer Laserschweißnaht (rechts unpoliert Ra 11 µm ) auf Kupfer (Cu-ETP) . Beide Bearbeitungen wurden mit demselben Laserspot mit 515 nm Wellenlänge ohne Schutzgas durchgeführt. Oben: Mikroskopaufnahme. Unten: Falschfarbendarstellung der Oberflächentopographie . Schmelzspritzer und Unebenheiten werden deutlich geglättet und die Rauheit halbiert.

 
 

Dabei wurden auch unterschiedliche Abstände der beiden Laserspots und damit auch der Schmelzbäder untersucht. Im Ergebnis ist die erzielbare Rauheit nicht signifikant vom Abstand abhängig, solange die Schmelzbäder nicht verschmelzen. In Hochgeschwindigkeitsvideographieaufnahmen des Kombiprozesses ist deutlich zu erkennen, wieviel ruhiger und ungestörter das Polierschmelzbad im Vergleich zum Schweißschmelzbad mit seiner Dampfkapilare ist, welche in diesem Fall zusätzlich durch Wobbeln des Laserstrahls periodisch kreist.

 
  Hochgeschwindigkeitsaufnahme eines simultanen Laserstrahlschweiß- und polierprozesses mit 1070 nm (Schweißen) und 450 nm (Polieren) Wellenlänge
 
 

3. Phase 3

3.1 Fragestellung

Die Untersuchungen im SFB1120 zeigen bisher die Möglichkeiten auf, mittels örtlicher und zeitlicher Modulation der Laserleistung sowie dem Einsatz kürzerer Laserstrahlwellenlängen die Prozesse hinsichtlich der Präzision in den geometrischen Dimensionen zu beeinflussen und die Qualität der Schweißnähte zu erhöhen. Alle bisher einzeln entwickelten Ansätze wurden auf analytischer Basis untersucht, um die direkten Einflüsse zu untersuchen. Im weiterführenden Antrag für das Forschungsvorhaben steht nun die Kombination dieser bisherigen Ansätze und deren gegenseitige Wechselwirkung im Mittelpunkt der Arbeiten, um zu ermitteln, wie eine präzise Steuerung des Prozesses zu einer Kompensation von Prozessschwankungen in Form von beispielsweise unterschiedlicher Energiedeposition und daraus resultierenden Fehlern beim Laserstrahlschweißen führen kann. Um die Einflüsse dieser Kombinationen zu validieren und direkt anhand der erzeugten Kapillaren im Prozess zu analysieren, werden erweiterte Untersuchungen mittels In situ Analyseverfahren wie den Phasenkontrast-Bildgebungsverfahren am Deutschen-Elektronen Synchrotron in Hamburg durchgeführt. Dabei werden folgende Fragestellungen gezielt untersucht:

  • Wie kann die Kombination verschiedener Laserstrahl-Wellenlängen im sichtbaren (VIS) und nahinfraroten (NIR) Bereich zur Kompensation von Absorptionsschwankungen und Energiedeposition auf Kupferlegierungen und artungleichen Materialsystemen genutzt werden?

  • Wie können in artungleichen Materialsystemen eine Überlagerung von örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation beim Einsatz mehrerer Laserstrahlen genutzt werden, um den Einfluss auf Schwankungen in der Einschweißtiefe längs und quer zur Vorschubrichtung zu nehmen?

  • Wie kann durch eine Überlagerung von mehreren Teilstrahlen und deren Modulation im Schmelzbad eine Reduktion der Porenbildung und Oberflächenrauheit erzielt sowie die Bildung von Fehlstellen beim Hochgeschwindigkeitsschweißen > 1 m/s vermieden werden?

3.2 Zielsetzung

Für das Projekt wird eine zweistufige Zielsetzung definiert, die sich an den wissenschaftlich-technischen Fragestellungen und den Lösungsvarianten zur Erzielung einer hohen Präzision beim Laserstrahl-Mikroschweißen orientiert. Die ergebnisorientiert avisierten Ziele orientieren sich dabei an Fertigungsgenauigkeiten und Qualitätszielen: Einschweißtiefenkonstanz ≤ 10%, Einschweißtiefenkontrolle ≤ 10%, Oberflächenrauheit Ra ≤ 10 µm, Porosität ≤ 5%

Darüber hinaus werden für die 3. Phase des Vorhabens die folgenden prozesstechnischen Ziele definiert:

  • Realisierung einer flexiblen Bestrahlungseinheit mit dynamischer Multiwellenlängenanpassung der Energiedeposition

  • Realisierung einer dynamischen Strahlscaneinrichtung mit Multistrahlansatz und dynamischer Modulation der einzelnen Teilstrahlen

Beide prozesstechnischen Ziele dienen zur Homogenisierung und Aufrechterhaltung eines stabilen Keyholes, in dem die Schmelzdynamik und die Schwankungen der Energiedeposition signifikant reduziert werden können. Mit diesen Ansätzen werden final technisch zurzeit noch nicht mögliche Fügekonfigurationen für das Laserstrahl-Mikroschweißen, speziell auf Bauteilen mit sensibler Einschweißtiefenabhängigkeit evaluiert.

Als wichtiges Werkzeug zur Evaluation der verschiedenen technischen Ansätze und Ermittlung der nötigen Strahl- und Scanparameter zur Einstellung einer stabilen Energieeinkopplung dienen weiterhin die Untersuchungen am Deutschen-Elektronen Synchrotron DESY mit welchen sowohl die physikalischen Prinzipien der Prozesse als auch die überlagerten Kompensationsmaßnahmen untersucht werden. Aus den oben genannten Messungen können mit Hilfe numerischer Modelle weitere Größen abgeleitet werden, wie z.B. die Viskosität und die Oberflächenspannung der Schmelze, die für die Auslegung der Kompensationsmethoden ausschlaggebend sind. Das Setup am DESY dient neben den geplanten Arbeiten für das TP A01 potenziell für weitere TPs des SFB, wie beispielsweise A04, A10 und B07 und kann darüber hinaus als Plattform für weitere Untersuchungen an anderen Forschungseinrichtungen dienen.

3.2 Zielsetzung

Für das Projekt wird eine zweistufige Zielsetzung definiert, die sich an den wissenschaftlich-technischen Fragestellungen und den Lösungsvarianten zur Erzielung einer hohen Präzision beim Laserstrahl-Mikroschweißen orientiert. Die ergebnisorientiert avisierten Ziele orientieren sich dabei an Fertigungsgenauigkeiten und Qualitätszielen: Einschweißtiefenkonstanz ≤ 10%, Einschweißtiefenkontrolle ≤ 10%, Oberflächenrauheit Ra ≤ 10 µm, Porosität ≤ 5%

Darüber hinaus werden für die 3. Phase des Vorhabens die folgenden prozesstechnischen Ziele definiert:

  • Realisierung einer flexiblen Bestrahlungseinheit mit dynamischer Multiwellenlängenanpassung der Energiedeposition

  • Realisierung einer dynamischen Strahlscaneinrichtung mit Multistrahlansatz und dynamischer Modulation der einzelnen Teilstrahlen

Beide prozesstechnischen Ziele dienen zur Homogenisierung und Aufrechterhaltung eines stabilen Keyholes, in dem die Schmelzdynamik und die Schwankungen der Energiedeposition signifikant reduziert werden können. Mit diesen Ansätzen werden final technisch zurzeit noch nicht mögliche Fügekonfigurationen für das Laserstrahl-Mikroschweißen, speziell auf Bauteilen mit sensibler Einschweißtiefenabhängigkeit evaluiert.

Als wichtiges Werkzeug zur Evaluation der verschiedenen technischen Ansätze und Ermittlung der nötigen Strahl- und Scanparameter zur Einstellung einer stabilen Energieeinkopplung dienen weiterhin die Untersuchungen am Deutschen-Elektronen Synchrotron DESY mit welchen sowohl die physikalischen Prinzipien der Prozesse als auch die überlagerten Kompensationsmaßnahmen untersucht werden. Aus den oben genannten Messungen können mit Hilfe numerischer Modelle weitere Größen abgeleitet werden, wie z.B. die Viskosität und die Oberflächenspannung der Schmelze, die für die Auslegung der Kompensationsmethoden ausschlaggebend sind. Das Setup am DESY dient neben den geplanten Arbeiten für das TP A01 potenziell für weitere TPs des SFB, wie beispielsweise A04, A10 und B07 und kann darüber hinaus als Plattform für weitere Untersuchungen an anderen Forschungseinrichtungen dienen.

3.3 Methodiken

Zum Erreichen der Ziele werden mehrere prozesstechnische und analytische Methoden kombiniert. Den methodischen Schwerpunkt der Arbeiten bildet dabei die Nutzung verschiedener Stahlkombinationen, mit denen sowohl über Wellenlängenkombinationen die Absorption und damit die Energiedeposition gesteuert werden kann als auch über Multistrahlansätze und Strahlformung das Keyhole und dessen Geometrie beeinflusst wird. Als Analysetoll zur Evaluierung der Wirksamkeit dieser prozesstechnischen Ansätze dient weiterhin die In situ Röntgenvideographie am Deutschen-Elektronen Synchrotron DESY. Dabei ist die methodische Vorgehensweise wiederum unterteilt in drei Stufen. Die Analytik und das Verstehen der Prozesse wird auch weiterhin Teil der wissenschaftlichen Arbeitsweise bilden. Das Hauptaugenmerk liegt in Phase 3 jedoch auf der Kombination und Beeinflussung der qualitätsbeeinflussenden Faktoren. Die dreistufige Herangehensweise ist in Bild 6 dargestellt.

 
  Bild 6: Methodisches Vorgehen in der Untersuchung und Entwicklung des Laserstrahl-Schweißens im TP A01 Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 6: Methodisches Vorgehen in der Untersuchung und Entwicklung des Laserstrahl-Schweißens im TP A01
 
 

Hauptaugenmerk bei den Untersuchungen wird auch weiterhin die Energieeinkopplung im Prozess bleiben. Hierbei zeigt sich, dass durch das präzise Einstellen der örtlichen und zeitlichen Energiedeposition durch Variation von Wellenlänge, Laserleistung und Strahlverteilung eine präzise Steuerung der Nahtgeometrie sowie eine Kompensation der Fehlstellenbildung erfolgen kann. Eine Überlagerung mit weiteren Laserstrahlen im sichtbaren Wellenlängenbereich sowie der Formung der Teilstrahlen mit von rotationssymmetrischen abweichenden Geometrien sowie Multistrahlansätzen wird dabei untersucht. Zu erwarten ist, dass dadurch der Energieeintrag in das Material, die Abkühlraten sowie die Strömungsdynamik in der Schmelze gezielt beeinflusst werden kann. Der Aufbau am Deutschen-Elektronen Synchrotron wird als Werkzeug zur Untersuchung der folgenden physikalisch-dynamischen Prozesse und Eigenschaften für Kupfer, Aluminium und Stahl und daraus abgeleitete Basislegierungen verwendet werden:

  • Räumliche Verteilung der Energiedeposition auf der Materialoberfläche

  • Einfluss der Laserwellenlänge auf die Material-Laser-Wechselwirkung

  • Geometrie von Dampfkapillaren und Schmelzfilmen und Geschwindigkeit der Fluktuationen

  • Schmelzbeschleunigung und Fließprofile (Vektor und Geschwindigkeit) in der Schmelze

Ausschlaggebend für die exakte Beeinflussung der Schmelzdynamik im Schweißbad sowie der Absorption im Keyhole sind neben der Geometrie des Keyholes Schmelzbewegungen, die die Wandungen des Keyholes kontinuierlich verändern. Zur Analyse dieser Schmelzbewegungen in Abhängigkeit der eingestellten Bestrahlungsbedingungen werden die Möglichkeiten der röntgenographischen In situ Analyse herangezogen. In Kombination mit entsprechenden Simulationen aus dem TP A03 lassen sich hierüber Angaben zu zeitlichen und räumlichen Prozessen des Energieeintrags, der Dampfbildung und des Schmelzflusses bestimmen. Derzeit gibt es keine Methode für eine in-situ-Analyse dieser wichtigen Prozesseigenschaften, die Aufschluss über wichtige Prozessinteraktionen gibt. Der Einsatz von Synchrotronstrahlung schließt diese Lücke und ermöglicht die grundlegende in-situ-Untersuchung von Laserstrahlprozessen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung.