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Strömungsinduzierte Einflüsse auf die Nahteigenschaften beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumwerkstoffen

AutorMarkus Leimser
VerlagHerbert Utz Verlag
Erscheinungsjahr2009
Seitenanzahl159 Seiten
ISBN9783831608546
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis27,99 EUR

Kurzfassung der Arbeit

Mit der stetig steigenden Anzahl von Anwendungen wächst auch der Wunsch nach Laserschweißverbindungen an schlecht oder nur mit geeigneten Zusatzwerkstoffen schweißbaren Materialien. Besonders im Automotive-Bereich spielen in Bezug auf Leichtbau und Emissionsreduktion neben Tailored Blanks aus hochfesten Stählen auch Aluminiumwerkstoffe eine entscheidende Rolle. Die homogene Einmischung des häufig erforderlichen Zusatzwerkstoffes wird insbesondere im Hinblick auf die mit Strahlquellen neuester Generation wie Scheiben- oder Faserlaser erzielbaren Aspektverhältnisse immer problematischer. Die vorliegende Arbeit untersucht daher drei unterschiedliche Methoden, mit denen eine homogenere Verteilung des eingebrachten Zusatzwerkstoffes im Schmelzbad ermöglicht werden soll.

Eine davon stellt die Nutzung geeigneter Prozessgase, mit denen die Marangoni- Strömung im Schmelzbad beeinflusst werden kann, dar. CO2 hat sich hier bei Vorschubgeschwindigkeiten bis ca. 2 – 3 m/min und hinreichend großem Schmelzbadvolumen als geeignet erwiesen. Ursache für die Steigerung der Durchmischung ist jedoch nicht eine Umkehrung der Marangoniströmung, sondern vielmehr deren Wegfall aufgrund einer vollständig oxidierten Schmelzbadoberfläche.

Eine weitere Möglichkeit ist die Zuführung eines extern angelegten Stromes über den Zusatzdraht. Durch das um den Auftreffpunkt des Drahtes entstehende selbstinduzierte Magnetfeld wird eine in das Werkstück gerichtete, integrale Volumenkraft im Bereich vor und neben der Dampfkapillare generiert. Über die daraus entstehende Strömungskomponente ist eine Steigerung der Schmelzbaddurchmischung bis zu einer Vorschubgeschwindigkeit von ca. 5 m/min möglich.

Die dritte Möglichkeit stellt die Verwendung mehrerer Fokuspunkte innerhalb eines gemeinsamen Schmelzbades dar. Hierbei kann neben einer weitreichenden Beeinflussung der Nahtgeometrie bei einigen Anordnungen auch eine deutliche Steigerung der Schmelzbaddurchmischung erzielt werden. Das Potenzial zur Homogenisierung der Schmelzbaddurchmischung mit Zusatzwerkstoff ist stark von der Fokusanordnung abhängig und bleibt etwas hinter den Möglichkeiten zur Nahtformung zurück. Mit Strahlquellen neuester Generation wie Scheiben- oder Faserlaser bieten sich hier jedoch noch höchst interessante Perspektiven.

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Leseprobe
1 Einleitung (S. 19)

1.1 Motivation und Aufgabenstellung

Mit der rasant voranschreitenden Entwicklung im Bereich der Strahlquellen, die sich in den Scheiben- und Faserlasern neuester Generation manifestiert, treten kontinuierlich neue Anwendungsgebiete für das Laserstrahlschweißen in den Vordergrund. Die mit diesen Geräten erzielbare Ausgangsleistung bei zugleich ausgezeichneter Strahlqualität ermöglicht Aspektverhältnisse, die bislang mit Festkörperlasern als unerreichbar galten.

So bietet sich nun die Möglichkeit, Bauteile mit Wandstärken, die typischerweise nur mittels einer konventionellen Mehrlagenschweißung zu verbinden waren, in einem Durchgang mit dem Laser zu schweißen. Diesen verlockenden ökonomischen Perspektiven sind jedoch klare Grenzen gesetzt. Besonders die aus den steigenden Bauteilanforderungen resultierende kontinuierliche Evolution der Werkstoffe hin zu „shaped materials“, den maßgeschneiderten Werkstoffen für die jeweilige Anwendung, birgt eine Vielzahl an Problemen für thermische Fügeverfahren. Viele dieser Werkstoffe sind ohne zusätzliche Maßnahmen nicht schweißbar.

Abhilfe bietet oftmals eine lokale Änderung der Legierungszusammensetzung, wie sie durch Einbringen eines Zusatzwerkstoffes in das Schmelzbad realisiert werden kann. Dies erfordert jedoch eine möglichst homogene Durchmischung des Schmelzbades mit dem zugeführten Werkstoff. Konnte das Laserstrahlschweißen als hochdynamischer Prozess diese Durchmischung bislang in den meisten Fällen ohne weitere Maßnahmen gewährleisten, zeichnet sich mit den steigenden Einschweißtiefen und Aspektverhältnissen hier ein Handlungsbedarf ab.

Die zunächst einzige Möglichkeit, Einfluss auf die Verteilung des eingebrachten Zusatzwerkstoffes innerhalb des Schmelzbades zu nehmen, stellt die im Laserschweißprozess selbst generierte Schmelzbadströmung dar. Dazu ist es nötig, die einzelnen Strömungskomponenten möglichst gezielt zu verstärken oder zu verringen. Unglücklicherweise sind Ausprägung und Verlauf dieser einzelnen Strömungskomponenten noch nicht vollständig erfasst, geschweige denn die Einflussgrößen eindeutig identifiziert. Daher ist es trotz der Vielzahl an Simulationsrechungen noch nicht gelungen, ein vollständiges numerisches Modell der Schmelzbadströmung zu erstellen.

Dies bedeutet, dass die Einflussgrößen auf die Schmelzbadströmung und deren Relevanz derzeit nur empirisch ermittelt werden können. Neben der Durchmischung des Schmelzbades mit Zusatzwerkstoff ist natürlich auch der mit den Strömungen innerhalb des Schmelzbades stattfindende Energietransport ein weiterer interessanter Aspekt.

So schlägt sich der Verlauf der Schmelzbadströmung nicht nur in der Verteilung des Zusatzwerkstoffes, sondern selbstverständlich auch in der Gestalt des Nahtquerschnittes nieder. Eine gezielte Beeinflussung der Schmelzbadströmung ermöglicht somit auch in gewissem Umfang eine Formung des Nahtquerschnittes. Die Beobachtung, dass in Abhängigkeit des eingesetzten Schutzgases eine Änderung von Nahtbreite und Einschweißtiefe bei sonst gleichen Prozessparametern möglich ist, illustriert das diesbezügliche Potenzial.

In dieser Arbeit wird am Beispiel von Aluminiumlegierungen gezeigt, welche Auswirkungen eine Variation unterschiedlicher Prozessgrößen auf die Schmelzbadströmung und damit auf die Nahtgeometrie und die Verteilung des eingebrachten Zusatzwerkstoffes hat. Da die derzeit für Simulationsrechnungen verfügbaren Modelle zur Fluiddynamik innerhalb des Schmelzbades jeweils nur Teilaspekte abbilden können, werden die im Zuge dieser Arbeit gemachten Beobachtungen nur auf mit derzeit als plausibel erscheinenden Einzelaspekte theoretischer Beschreibungen in Einklang gebracht.

Diese Arbeit soll damit das Potenzial der Einflussnahme auf die Schmelzbaddynamik aufzeigen, sowie erste Ansätze zur effizienten Nutzung der sich bietenden Perspektiven vorschlagen.

1.2 Aufbau der Arbeit

Ausgehend von den grundlegenden Mechanismen des Laserstrahlschweißens sowie der Vorstellung der fundamentalen Strömungskomponenten innerhalb des Schmelzbades, wird im nachfolgenden Kapitel explizit auf die Besonderheiten der Aluminiumwerkstoffe und deren Schweißeignung eingegangen. Die Qualitätsaspekte, insbesondere die Möglichkeiten zur Steigerung der Schweißnahtqualität, stehen dabei im Vordergrund. Nach einer kurzen Erläuterung zur eingesetzten Systemtechnik in Kapitel 3 werden in Kapitel 4, dem Hauptteil der Arbeit, die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Schmelzbaddynamik vorgestellt und analysiert.

Zunächst wird auf den Einfluss der das Schmelzbad umgebenden Schutzgasatmosphäre eingegangen. Diese stellt sicherlich den am einfachsten zu beeinflussenden Prozessparameter dar. Nach der phänomenologischen Beschreibung der Auswirkungen unterschiedlicher Atmosphären auf die Oberraupenqualität, die Nahtgeometrie sowie die Siliziumverteilung als Indikator für die Beeinflussung der Schmelzbadströmung wird anschließend versucht, die gemachten Beobachtungen mittels einer Modellvorstellung mit dem Stand der Kenntnis in Einklang zu bringen.
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung der Arbeit6
Inhaltsverzeichnis8
Verzeichnis der Symbole12
Extended Abstract16
1 Einleitung20
1.1 Motivation und Aufgabenstellung20
1.2 Aufbau der Arbeit21
2 Grundlagen und allgemeiner Kenntnisstand23
2.1 Laserstrahlschweißen23
2.2 Laserstrahlschweißen von Aluminiumwerkstoffen29
2.3 Qualitätsaspekte31
2.4 Maßnahmen zur Qualitätssteigerung37
3 Eingesetzte Systemtechnik, Versuchsaufbau48
3.1 Strahlquellen48
3.2 Optische Komponenten48
3.3 Versuchsanlagen53
3.4 Zusatzdraht- und Prozessgaszuführung56
3.5 Stromquellen58
3.6 Analysemethoden59
3.7 Werkstoffe62
3.8 Prozessgase63
4 Einflussmöglichkeiten auf die Schmelzbad-strömung64
4.1 Einflüsse durch die Prozessgaszufuhr64
4.2 Externe Stromzufuhr91
4.3 Mehrfokustechnik110
5 Bewertung und weiterführender Ansatz139
6 Zusammenfassung141
7 Literaturverzeichnis144
Danksagung152

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