Einfluss hoher Vorschubgeschwindigkeiten auf Stabilität und Wirkungsgrad von Laserstrahlschweißprozessen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Graf
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431336540

Die Anwendung des Laserstrahltiefschweißens von Kupfer wird durch Instabilitäten im Schweißprozess limitiert. Zur Vermeidung der entstehenden Nahtdefekte werden bisher komplexe Maßnahmen wie Strahl- und Leistungsoszillation eingesetzt. Im Projekt FASTLAS soll das Laserschweißen von Kupfer bei hohen Vorschüben und Laserleistungen als Maßnahme zur Steigerung der Nahtqualität und der Prozesseffizienz untersucht werden. Im Rahmen einer Zusammenarbeit werden Diagnosemittel und die experimentelle Erfahrung des IFSW mit den Kompetenzen des PIMM im Bereich der Simulation von Lasermaterialbearbeitungsprozessen kombiniert.Die online-Röntgenbildgebung des IFSW wird verwendet, um die Kapillargeometrie und die Fluiddynamik im Schmelzbad zu quantifizieren. Zusätzlich werden die lokale Verteilung der absorbierten Laserleistung und Temperaturen während des Schweißprozesses ermittelt. Dies soll mit zeitlichen Auflösungen von bis zu 2 kHz und örtlichen Auflösungen von ca. 20 µm geschehen, um der Dynamik und Komplexität des Schweißprozesses von Kupferwerkstoffen gerecht zu werden. Das PIMM wird darauf aufbauend eine Modellierung des Prozesses erarbeiten. Im entwickelten Modell wird unter anderem die geometrieabhängige Einstrahlung der Laserleistung, sowie die explizite Berücksichtigung der Gasphase angestrebt, da diese zum Verständnis der physikalischen Prozesse notwendig sind, die zur Erzeugung von Nahtdefekten einerseits und der Prozessstabilisierung bei hohen Vorschüben andererseits führen. Darauf aufbauend soll ein reduziertes Modell zur Prozessprognose und Optimierung erstellt werden.Die Strategie, mit hohen Vorschüben und Laserleistungen die Kapillare zu stabilisieren und damit die Qualität der resultierenden Schweißnähte zu erhöhen, basiert auf Voruntersuchungen der Projektpartner. Mit zunehmendem Vorschub konnte experimentell und theoretisch eine Stabilisierung der Kapillargeometrie festgestellt werden, was in einer Steigerung der Nahtqualität resultierte. Das Zusammenspiel von Einkopplung, dem Wärmeeintrag sowie der Fluiddynamik in Schmelzbad und Gasphase sind indes nicht bekannt. Dies gilt insbesondere für die Bearbeitung von Kupfer mit Laserleistungen von mehr als 10 kW bei Vorschubgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/min. Angesichts des stetigen Fortschritts in der Lasertechnologie ist zu erwarten, dass in naher Zukunft ein Vielfaches der heute etablierten Laserleistungen zu günstigen Preisen verfügbar sein wird und Laserschweißen von Kupfer mit Einschweißtiefen einiger Millimeter bei sehr hohen Vorschüben auch im industriellen Umfeld einsetzbar wird.Das Projekt wird zur Förderung der Produktionstechnik im Umfeld der Leistungselektronik, beispielsweise der Elektromobilität beitragen. Im Erfolgsfall entstehen Anreize zur Entwicklung von Hochleistungslasern und zugehöriger Systemtechnik. Die Kooperation soll den Wissensaustausch und die gemeinsame Nutzung der jeweiligen Ressourcen ermöglichen. Eine langfristige Zusammenarbeit wird angestrebt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Morgan Dal