Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Höchste Qualität und Effizienz beim Laserschweißen von Aluminium- und Kupferlegierungen bei Skalierung zu sehr schnellen Vorschüben und hoher mittlerer Leistung

Ziel des Projektes ist das Erzeugen von Laserstrahl-Schweißnähten höchster Qualität beim Schweißen von üblicherweise schwer schweißbaren Aluminiumlegierungen der 5000er und 6000er Werkstoffgruppe, Aluminiumdruckgussteilen, sowie Kupferlegierungen. Dies soll erreicht werden durch Schweißen mit sehr hohen Vorschüben (≥50 m/min), hohen mittleren Laserleistungen (mind. 16 kW) und großen Strahldurchmessern (mind. 630 µm). Die mit dieser Prozessstrategie erzeugten Nähte sollen eine konstante Einschweißtiefe aufweisen, frei von Poren und trotz der hohen Vorschübe frei von Humping sein. Von besonderem Interesse für KMUs ist die Einfachheit der Prozessführung. Die angestrebte Robustheit des Prozesses und die resultierende Nahtqualität machen zusätzliche Diagnostik- oder Regelsysteme obsolet. Angesichts der Trends der Strahlquellenentwicklung kann in Zukunft mit Verfügbarkeit hoher Leistungen bei geringen Preisen gerechnet werden, sodass die für die Umsetzung der Prozessstrategie notwendige Laserleistung auch für KMUs erschwinglich sein wird.

Ferner soll gezeigt werden, dass hohe Vorschübe in physikalischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht zu besonders effizienten Schweißprozessen führen.

Die Effizienz der Prozessstrategie ist durch die

• thermische Effizienz

• die kurzen Prozesszeiten

• die geringe Prozesskomplexität bei hoher Nahtqualität

gegeben.

Untersuchungen am IFSW zum Schweißen von Aluminium bei Vorschüben >30 m/min und 16 kW Laserleistung zeigten bereits signifikante Änderungen der Kapillargeometrie und deren Stabilisierung. Die Stabilität der Kapillare manifestiert sich in Längsschliffen, welche Nähte ohne Poren und mit sehr konstanter Einschweißtiefe zeigen. Humping konnte durch eine Vergrößerung des Strahldurchmessers vermieden werden. Dies erhöht zusätzlich den Anbindequerschnitt.

Die Grenzen und Optima dieser Prozessstrategie sollen mit aktuellen Strahlquellen definiert, und ein Ausblick auf die Potentiale zukünftiger Strahlquellen gegeben werden.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde das Prozessfenster beim High-Speed Schweißen mit hohen Vorschüben und hohen Leistungen für Aluminium 6082, Stahl S235 und Kupfer K75 ermittelt. Die Auswahl der Werkstoffe erfolgte in Absprache mit dem PA. Für die Untersuchung wurde die Kapillargeometrie mit der am IFSW vorhandenen Röntgenanlage untersucht. Es wurde festgestellt, dass bei steigenden Vorschüben sich die die Rückwand der Kapillare nach hinten verschiebt und sich die Kapillargeometrie über die U-Form hin zur Keilform ändert. In dem Projekt konnte die Korrelation der Keilform-Kapillare mit der Entstehung von Randkerben korreliert werden.

Den Einfluss der Geometrieänderung vor/nach Porenablösung einer Instabilen Kapillare auf den Einkoppelgrad wurde mit dem Raytracer ermittelt. Dabei wurde beobachtet, dass vor der Porenablösung an der Rückwand der Bulge-Kapillare Laserleistung absorbiert wird und der Einkoppelgrad ansteigt. Weiter wurde die Kapillartiefe mit dem OCT während einer Geschwindigkeits- und gleichzeitiger Leistungsrampe (P/v = const) gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kapillartiefe mit steigender Geschwindigkeit abnimmt, obwohl P/v konstant blieb. Die Messung verdeutlicht, dass die Kapillargeometrie den Energieeintrag beeinflusst.

Darüber hinaus wurde gezeigt, dass das Prozesslimit des High-Speed Schweißens durch eine Stabilisierung der Kapillare in der U-Form durch Strahlformung zu höheren Vorschüben verschoben werden kann. Sowohl kleine KMUs, wie auch OEMs können von den erzielten Ergebnissen profitieren. Durch die Ergebnisse ist es den Unternehmen einfach möglich, ein Prozessfenster für einen Prozess abzuschätzen. Zeitersparnis und damit einhergehende Kostenersparnis sind die Folge. Außerdem wird Ausschuss reduziert.