Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulationsbasierte Optimierung der zeitabhängigen Pulsleistung beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen zur Vermeidung von Heißrissen

Für die Anwendung - hermetisches Dichtschweißen von elektronischen oder opto-elektronischen Komponenten in der Elektrotechnik mittels Laserstrahl – haben sich die Aluminiumlegierungen der 5xxx und 6xxx-Serie, die eine ausgeprägte Heißrissanfälligkeit aufweisen, mit einer Dicke von 0,3 mm bis 1,0 mm bei vielen Herstellern aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften etabliert. Durch Anpassung der Prozessparameter - Pulsleistung und lineare Leistungsabfallrate - kann das Temperaturfeld während der Schmelzbaderstarrung beeinflusst werden. Bisher sind beispielsweise empirische Untersuchungen zur Ermittlung der Rampdown-Pulsform als eine einfache Form der Pulsgestaltung vorhanden, um eine heißrissfrei Verbindung herzustellen. Durch die simulationsbasierte Optimierung kann zuverlässig die zeitabhängige Pulsleistung für einen Laserstrahlschweißprozess so bestimmt werden, dass während der Abkühlung des aufgeschmolzenen Bereichs eine struktur- und werkstoffangepasste Erstarrungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird, sodass ein Heißriss vermieden und eine maximale Schweißgeschwindigkeit erreicht wird. Mit Hilfe eines Zielfunktionals, durch welches zu große Erstarrungsgeschwindigkeiten bestraft werden und welches den Gesamtenergieeintrag und den korrekten Ablauf des Schmelz- und Erstarrungsvorganges berücksichtigt, soll durch Lösung eines mathematischen Optimierungsproblems eine freie Anpassung der Pulsform gefunden werden. Zu den Eingangsgrößen zählen Laserleistung unter Berücksichtigung des Einkoppelgrades, Fokusdurchmesser, Regelungszeiten zur Änderung der Laserintensität, Materialdicke, Punktdurchmesser, maximale Pulsenergie, Legierungstypen, Stoßarten. Den KMU wird ein kostenfreies Methodenwerkzeug zur Ermittlung der anwenderspezifischen Pulsform insbesondere für industrierelevante Stoßarten - Stumpfstoß mit I-Naht, Überlappstoß mit punktüberlappende Nahtschweißung und Kehlnaht - zur Verfügung gestellt, welches eine schnelle Umsetzung in der Praxis ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes „Simulationsbasierte Optimierung der zeitabhängigen Pulsleistung beim Laserstahlschweißen von Aluminiumlegierungen zur Vermeidung von Heißrissen“ (OptiPuls), konnte gezeigt werden, dass die bestehenden Grenzen des gepulsten Schweißens erweitert werden können. Im Projekt wurde die Erstarrungsgeschwindigkeit als primär steuernde Größe hinsichtlich der Rissentstehung adressiert. Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen an der Werkstückoberfläche und Röntgenaufnahmen konnte eine kritische Erstarrungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Parallel dazu konnte mit Hilfe eines eigens erstellten numerischen Modells eine hinsichtlich der Erstarrungsgeschwindigkeit optimierte Pulsform ermittelt werden. Der Vergleich der optimierten Pulsform mit einer konventionellen Pulsform zur Erzeugung heißrissfreier Schweißungen zeigt das Potential zur Steigerung der Schweißgeschwindigkeit und damit der Wirtschaftlichkeit. Dies konnte durch das Fügen an unterschiedlichen Stoßkonfigurationen, verschiedener Vorschubgeschwindigkeiten wie auch Pulsüberlappungen dargestellt werden. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse ist daher umsetzbar und birgt eine bis zu 34 % Steigerung der Schweißgeschwindigkeit im vergleich zu einer heißrissfreien Schweißung mit konventioneller Pulsform.

Damit wurden die im Forschungsantrag definierten Vorhabensziele vollständig erreicht!