Überwindung begrenzender Faktoren beim Schweißen mit Lasern hoher Strahlqualität und Leistung
Final Report Abstract
Das Projekt war Teil des DFG Schwerpunktprogramms 1139 „Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung". Gemäß der Zielsetzung des Schwerpunktprogramms wurde besonderer Wert darauf gelegt, ausgehend von grundlegenden Untersuchungen der Schmelzedynamik, die Ursachen für die Prozessgrenzen zu identifizieren und Möglichkeiten für deren Erweiterung aufzuzeigen. Das Projekt befasste sich mit zwei Themenblöcken: 1. Verstehen und Aufzeigen von Schritten zur Überwindung der Begrenzung der Einschweißtiefe und 2. Verstehen und Vermindern der starken Spritzerneigung. Wie bei der Antragstellung bereits vermutet, zeigte sich, dass die beiden Themen durch die Kapillardynamik eng miteinander verbunden sind. Bezüglich der Begrenzung der Einschweißtiefe bei sehr starker Fokussierung konnte ein Zusammenhang mit der Strahlqualität aufgezeigt werden. Numerische Rechnungen mit vorgegebener Kapillargeometrie - hier wurden Isophotenflächen verwendet - erbrachten jedoch keine Übereinstimmung mit Querschliffen. Außerdem verliefen die berechneten Stromlinien im Wesentlichen horizontal, was im Widerspruch zu Beobachtungen an realen Schweißungen steht. Aus Schweißversuchen an Proben mit Tracermaterialien, die in einem anderen Projekt durchgeführt wurden, zeigten sich bereichsweise sowohl Abwärts- wie auch Aufwärtsströmungen, d.h. in bzw. entgegen der Laserstrahlrichtung. Um die Ursachen für dieses Verhalten zu ergründen und diese dann in geeigneter Weise in numerische Modelle einführen zu können, wurden Versuche an transparenten Materialien durchgeführt. Dafür wurde Wasser und Eis ausgewählt. Das Ziel der Experimente mit diesen Materialien bestand darin, Phänomene, wie Strömungen im Schmelzbad, die Spritzerentstehung, die zeitlichen Änderungen der Kapillargeometrie und das Spiking mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufzunehmen und diese Aufnahmen dann mit entsprechenden Vorgängen, die aus dem Metallschweißen bekannt sind, zu vergleichen. Zahlreiche Phänomene konnten - trotz der Unterschiede in den Materialeigenschaften - auf diese Weise deutlich vor Augen geführt und deren Zusammenhänge verstanden werden. Dazu gehört die Identifikation von Stufen an der Kapillarfront, die einerseits dafür sorgen, dass der entstehende Dampf nicht senkrecht zur globalen Wand abströmt, sondern-senkrecht zu den Stufenoberflächen, und andererseits - in direktem Zusammenhang damit - einen starken Impuls auf die Schmelze zur Kapillarspitze hin erzeugen, was zu einer kräftigen Abwärtsströmung des Schmelzefilms an der Kapillarfront führt. Ein weiteres Phänomen ist ein „Nach-unten-Pumpen" der Schmelze nahe der Kapillarspitze durch mehr oder minder periodisches radiales Schließen der Kapillarspitze aufgrund von Instabilitäten gefolgt von einem dem Bohren ähnlichen axialen Öffnen der Kapillare. Dadurch entsteht an der Kapillarspitze ein Wirbel, der die Schmelze unterhalb der Kapillare nach hinten und dann nach oben schiebt. Ein Kapillarkollaps entstand praktisch immer durch fingerartige Ausstülpungen der Schmelze von der Rückseite der Kapillare her, die durch den Bernoulli-Effekt an die Vorderwand gezogen werden. Diese Instabilitäten sind für die Begrenzung der Einschweißtiefe verantwortlich. Treten über einen längeren Zeitraum keine Instabilitäten auf, nimmt die Kapillartiefe deutlich zu. In den beobachteten Fällen wurde das Entstehen von Spikes immer von einer neuerlichen Instabilität beendet. Der Dampf im Hohlraum unterhalb einer Kapillareinschnürung kann sehr schnell kondensieren, so dass ein Vakuum entsteht. Dieses wiederum ist Ursache für ein Einströmen von Umgebungsgas. Ist bereits Umgebungsgas in der Kapillare enthalten (eine weitere Ursache dafür ist darin zu sehen, dass als Folge der lokalisierten Verdampfung an den Stufen der Kapillarfront nicht der gesamte Querschnitt der Kapillare von Dampfströmung erfüllt sein muss), bleiben beim Kollaps des Hohlraums Blasen, die mit Umgebungsgas - nicht mit Dampf- gefüllt sind, übrig. Das Entstehen von Spritzern, die für hohe Schweißgeschwindigkeiten typisch sind, kann ebenfalls auf die fingerartigen Instabilitäten an der Kapillarrückwand zurückgeführt werden. In diesem Fall werden diese fingerartigen Schmelzeausbuchtungen, die sich nahe der Öffnung der Kapillare bilden, vom darunterliegenden Dampf nach oben und hinten geschleudert. Dabei zerreißen sie und ein oder mehrere Spritzer werden nach hinten katapultiert. Aus diesen Erkenntnissen wurde eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe die Abwärtsströmung der Schmelze im Bereich vor der Kapillare und die Aufwärtsströmung im oberen Bereich der Kapillarrückwand berücksichtigt werden können. Allerdings müssen dazu eine Reihe von Kalibrieruntersuchungen an realen Schweißungen durchgeführt werden. Darüber hinaus wurden in umfangreichen experimentellen Untersuchungen Spritzerhäufigkeiten und Spritzermengen in Abhängigkeit der Schweißparameter ermittelt. Während die Spritzer nach oben durch eine Defokussierung ins Material hinein auf ein erträgliches Maß reduziert werden konnten, war dies bei Spritzern von der Unterseite der Bleche nicht möglich. Bei Verwendung der 1-µm-Wellenlänge konnten durch geeignete Parameterwahl zwar die ansonsten großen Unterschiede zu Schweißungen mit CO2-Lasern deutlich verringert werden, jedoch nur in einem engen Parameterbereich. Bei künftigen numerischen Modellierungen sollten die Effekte einer starken Abwärtsströmung im Bereich um die Kapillare berücksichtigt werden. Auch der Impulsübertrag an der Kapillarrückseite vom Metalldampf auf die Schmelze ist für eine gute Beschreibung der Schmelzedynamik unerlässlich. Um den Einfluss einerseits von Stufen an der Kapillarfront und andererseits Instabilitäten, insbesondere von Fingern, der Kapillarrückwand auf die Begrenzung der Einschweißtiefe und insgesamt die Entstehung von Spritzern besser zu verstehen, sollten diese Phänomene weiter untersucht werden und gegebenenfalls zur Prozessregelung herangezogen werden. Trotz der großen Fortschritte im Erkenntnisstand, wie die Strahleigenschaften das Bearbeitungsergebnis beeinflussen, konnten hier z.T. nur die grundsätzlichen Einflussmöglichkeiten aufgezeigt werden. Die tatsächlichen Abhängigkeiten von Strahlqualität, Polarisation und Wellenlänge auf den Schweißprozess sollten weiter untersucht werden.
Publications
- Role of strong focusability on the welding process. Journal of Laser Applications, Vol. 19.2007, Issue 4, pp. 252-258.
Weberpals, J-PH.; Dausinger, F.; Göbel, G.; Brenner, B.
(See online at https://dx.doi.org/10.2351/1.2795748) - Calculation of Absorption and Incoupling in a Capillary with a Ray-
Tracing Algorithm. 11. Intemationaler Workshop Prozess-Stabilität beim Laserschweißen (Hirschegg, Febmar 2009). Stuttgart: Proceedings-CD, 2009.
Berger, P.
- Absorption and melt flow in keyhole laser welding. Stuttgarter Lasertage 2010 (SLT 2010). Stuttgart: Proceedings-CD, 2010.
Berger, P., Schuster, R., Michalowski, A., Hügel, H., Graf, Th.
- Benefits and Limits of Strong Focusability at Laser Welding. 12.
Intemationaler Workshop Prozess-Stabilität beim Laserschweißen II (Hirschegg, Febmar 2010). SUittgart: Proceedings-CD, 2010.
Weberpals, J.
- Moving humps at the capillary front in laser welding. Intemational Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO 2010). ISBN 9780912035611, 2010, pp. 39-43.
Berger, F., Schuster, R., Michalowski, A., Hügel, H., Graf, Th.
- Understanding Pore Formation in Laser Beam Welding. Lasers in Manufacturing 2011 - Proceedings of the Sixth International WLT Conference on Lasers in Manufacturing. Physics Procedia, Vol. 12.2011, Part A, ,pp. 241–247.
Peter Berger, Helmut Hügel, Thomas Graf
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2011.03.031) - Zur Bedeutung von gleitenden Stufen an der Kapillarfront beim Schweißen und Schneiden mit Laserstrahlen - Teil 1. Schweissen und Schneiden, Vol. 63. 2011, Heft 1, S. 20-28.
P. Berger, R. Schuster, M. Zvyagolskaya, P. Schäfer, H. Hügel
- Zur Bedeutung von gleitenden Stufen an der Kapillarfront beim Schweißen und Schneiden mit Laserstrahlen - Teil 2. Schweissen und Schneiden, Vol. 63. 2011, Heft 3, S. 100-106.
Berger, P.; Schuster, R.; Zvyagolskaya, M.; Schäfer, P.; Hügel, H.
