Beeinflussung der Prozesscharakteristik des Laserstrahlschweißens durch adaptives Strahlpendeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zu Projektbeginn waren Anwendungen der Strahloszillation für das Laserstrahlschweißen durch eine weitestgehend empirische Prozessauslegung geprägt. Grundlegende Abhängigkeiten zwischen gewählten Schweiß-, Oszillations- und Materialparametern waren lediglich qualitativ angegeben und es fehlte eine verallgemeinernde funktionale Beschreibung der relevanten Zusammenhänge zwischen diesen Größen. Entsprechend der Zielsetzung des Projektes erfolgte eine eingehende theoretische Untersuchung der Verfahrensvariante des Laserstrahlschweißens mit Strahloszillation. Im Ergebnis konnten charakteristische dimensionslose Kenngrößen abgeleitet werden, die eine quantitative Bewertung unterschiedlicher Parameterkonstellationen ermöglichen und damit die Parameterfestlegung für die praktische Versuchsplanung und - durchführung unterstützen können. Insbesondere lassen sich für konkrete Anwendungen der Strahloszillation bereits im Vorfeld der Schweißversuche sinnvolle bzw. notwendige Oszillationsfrequenzen abschätzen wodurch die technische Realisierbarkeit mittels der derzeit eingesetzten Scannertechnik überprüft werden kann. In weitergehenden theoretischen Untersuchungen wurde ein Berechnungsmodell zur Simulation der Temperaturverteilung im Werkstück unter dem Einfluss eines oszillierenden Laserstrahls implementiert. In Auswertung durchgeführter Simulationsrechnungen mit Variation der Prozess-, Material- und Oszillationsparameter konnten funktionale Zusammenhänge zwischen den prozessbestimmenden Einflussgrößen qualitativ und quantitativ beschrieben werden. Charakteristische Berechnungsergebnisse bezüglich der Beeinflussung der Schmelzzonengeometrie durch die Strahloszillation wurden experimentell verifiziert. Die Strahloszillation ermöglicht eine definierte Einflussnahme auf die zeitliche und räumliche Energiedeposition beim Laserstrahlschweißen und somit eine kontrollierbare Steuerung der Prozessdynamik und der resultierenden Nahteigenschaften. Charakteristisch ist die große Vielfalt an Prozessvarianten, die mittels Strahloszillation realisiert werden können. Die eigentliche Herausforderung bei der Anwendung des Verfahrens besteht folglich darin, die für eine gegebene Fügeaufgabe optimale Parameterkonstellation zu finden. Das Potenzial der Strahloszillation für das Laserstrahlschweißen wurde im Anschluss an die theoretischen Untersuchungen bezüglich verschiedener Anwendungsfälle experimentell bewertet. Für das Laserstrahlschweißen verzinkter Bleche im spaltfreien Überlappstoß konnte ein Lösungsvorschlag erarbeitet werden, mit dem poren- und lochfreie Nähte für Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 1 m/min generiert werden können. Auch für das Schweißen von Aluminiumlegierungen bietet die Oszillation verschiedene Möglichkeiten, die Geometrie und die Oberflächengüte der Schweißnaht zu beeinflussen. Für das Laserstrahlschweißen mit hoher Vorschubgeschwindigkeit, das nach Überschreiten eines parameter- und werkstoffabhängigen Grenzwertes der Vorschubgeschwindigkeit durch periodische Schmelzüberhöhungen (Humping-Effekt) charakterisiert ist, sind dagegen die systemtechnischen Möglichkeiten für eine Prozessbeeinflussung durch Strahloszillation begrenzt. Vielversprechend sind die Prozessvarianten mit Strahloszillation jedoch zum Schweißen von Blechen unterschiedlicher Dicke sowie zur Verbesserung der Spaltüberbrückbarkeit einzusetzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2007), Control of the Energy Deposition during Laser Beam Welding by Oscillation Techniques, in F. Vollertsen, C. Emmelmann, M. Schmidt, A. Otto (eds.), Proceedings of the Fourth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing, Munich, Germany, June 2007, 97-103
A. Mahrle, E. Beyer
- (2007), Lasertechnologie in der Praxis – Laserstrahlschweißen mit oszillierendem Strahl, GIT Labor-Fachzeitschrift 08/2007, 636-637
A. Mahrle
- (2007), Mathematical Description of the Transient Energy Deposition in Laser Materials Processing with Forced Beam Oscillations, Presentations of the 20th Meeting on Mathematical Modelling of Materials Processing with Lasers (CD- ROM), 17-19.01. 2007, Igls/Innsbruck (A)
A. Mahrle, E. Beyer
- (2007), Modeling and Simulation of the Energy Deposition in Laser Beam Welding with Oscillatory Beam Deflection, in Y. Lu, P. Denney, X. Liu, H. Doumanidis (eds.), Proceedings of the 26th Int. Congress on Application of Laser & Electro- Optics ICALEO 2007, Orlando (FL, USA), 29.10.-01.11. 2007, Paper 1805, 714-723
A. Mahrle, E. Beyer
- (2008), Theoretical aspects of the process efficiency in laser beam cutting with fiber lasers, Proceedings of the 27th Int. Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics, ICALEO 2008, Temecula (CA, USA), ISBN 978-0- 912035-89-5, paper 2006, 703-712
A. Mahrle, F. Bartels & E. Beyer
- (2009), Theoretical aspects of fibre laser cutting, Journal of Physics D: Applied Physics, 42, 175507 (9pp)
A. Mahrle & E. Beyer
