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

Kontakt

Name

Arnold Gillner

Leitung

Telefon

work
+49 241 8906 148

E-Mail

E-Mail
 

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 A3).
  • Erhöhung der Schweißnahtpräzision bzgl. geometrischer Eigenschaften (Einschweißtiefenkonstanz ≤ 1 %, Schweißtiefenkontrolle ≤ 5 µm) und funktionale Qualität (Rauigkeit Rz ≤ 10 µm)

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.

Einen ersten Schwerpunkt des Projekts wird die Analyse des Schweißprozesses mit derartig modulierter Laserstrahlung unter besonderer Berücksichtigung der Schmelzbaddynamik und der beiden Phasengrenzen bilden, wobei die direkte Rückkopplung der gewonnenen Erkenntnisse in die Modellbildung und Simulation zu einer besseren Vorhersagbarkeit des Prozessergebnisses führen soll.

 

Örtliche 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.

 
A1 Örtliche LM
 
 

3D-Einschweißtiefe

Realisierung einer dreidimensionalen Messung einer Schweißnaht mittels eines im SFB1120 beschafften TargetMasters der Fa. Struers. Durch die Erstellung von zielgenauen Längsschliffen einer Schweißnaht und der kontinuierlichen Abtragung und Aufnahmen von weiteren Ebenen kann eine präzise Geometrie der Schweißnaht ermittelt werden. Der Abstand der gemessenen Ebenen beträgt dabei ca. 20 µm, wodurch die Schwankung der Einschweißtiefe beim Laserstrahlmikroschweißen untersucht werden kann.

 
3D-Einschweißtiefe
 
 

Schmelzbad

Durch eine Beobachtung des Schmelzbades beim Laserstrahlmikroschweißen kann die Prozessstabilität und Größe des Schmelzbades bei einer Parametervariation der örtlichen Leistungsmodulation untersucht werden. Ebenfalls gut zu erkennen ist der Verlauf des Keyholes, welches aufgrund der örtliche Leistungsmodulation durch eine spiralförmige Modulation gekennzeichnet ist.

 
A1 Schmelzbad