Einfluss des Metalldampfs auf die Strahleigenschaften und die Kapillare beim Laserstrahlschweißen durch Untersuchungen bei Umgebungsdruck und Vakuum

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Graf; Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463452146

Der Laserstrahltiefschweißprozess wird durch die Prozessatmosphäre und den Umgebungsdruck stark beeinflusst, was sich besonders in der Ausbildung der Kapillare und der Einschweißtiefe äußert. Die Dampfkapillare und deren Stabilität ist beim Laserstrahltiefschweißprozess ein Schlüsselelement und deren Ausbildung beeinflusst die Vorgänge während des Schweißprozesses, sowie die sich ausbildende Schweißnaht maßgeblich. Die Ausbildung der Kapillare wird sowohl durch den Umgebungsdruck, als auch durch die einfallende Intensitätsverteilung mitbestimmt, welche wiederum durch die Prozessemissionen im Strahlengang beeinflusst wird.Je nach Umgebungsdruck und Sauerstoffgehalt in der Prozesszone kondensiert und erstarrt der entstehende Metalldampf teilweise zu metallischen Partikeln unterschiedlicher Größe oder reagiert mit dem zur Verfügung stehenden Angebot an Sauerstoff zu Metalloxiden. Je nach Größe und Art der Emissionen tritt eine Mischung der Wirkmechanismen Absorption, Streuung, thermischer Defokussierung, sowie Strahlablenkung auf. Eine Quantifizierung der Auswirkung der einzelnen Effekte auf das resultierende Strahlprofil und den Schweißprozess, die Kapillarausbildung und letztendlich die Schweißnaht wurde bisher nicht durchgeführt. Ebenso wenig wurden bisher die Auswirkungen der Prozessemissionen und die rein umgebungsdruckabhängigen Auswirkungen auf die Kapillargeometrie voneinander separiert.Ziel des beantragten Projekts ist es daher, durch die gezielte Beeinflussung der Prozessemissionen durch Einstellen der Umgebungsatmosphäre und des Umgebungsdrucks, den Einfluss der einzelnen Wirkmechanismen auf den Laserstrahl separieren und deren Auswirkung auf die Intensitätsverteilung und die Kapillarausbildung quantifizieren zu können.Dazu erfolgt zunächst die quantitative und qualitative Bestimmung der Zusammensetzung der Prozessemissionen unter regulären Schweißbedingungen, sowie des Einflusses der Verringerung des Umgebungsdrucks einer kontrollierten Atmosphäre auf die Prozessemissionen. Weiterhin erfolgt die Untersuchung der Auswirkung der Prozessemissionen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen auf die Strahleigenschaften. Hierzu werden Strahlvermessungen eines Testlaserstrahls, welcher koaxial zum Arbeitslaserstrahl durch die Prozessemissionen propagiert, mit Raytracing kombiniert, um die Einflussfaktoren der Prozessemissionen auf die Strahleigenschaften vereinzeln zu können. Weiterhin werden die rein umgebungsdruckabhängigen Auswirkungen auf die Ausbildung der Kapillargeometrie untersucht, sowie die Auswirkungen der Strahlbeeinflussung durch die Prozessemissionen auf die Ausbildung der Kapillargeometrie. Somit sollen letztendlich die Auswirkungen der verschiedenen Einflussfaktoren auf den Strahl, die Kapillarausbildung und das Schweißergebnis vereinzelt und quantifiziert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Bearbeitungsoptik für koaxiale Überlagerung von Arbeits- und Messstrahl
• Gerätegruppe: 5980 Faseroptische Bauelemente