Grundlegende Untersuchungen zum Prozessverständnis des Laserstrahl-Mikroschweißens von metallischen Folien

Patschger, Andreas

Für die prozesssichere Anwendung des Laserstrahl-Mikroschweißens im industriellen Umfeld ist die Kenntnis des Prozesses von immanenter Bedeutung. Daher wird in vorliegender Arbeit der Laserstrahl-Mikroschweißprozess anhand von metallischen Folien systematisch charakterisiert. Während des Laserstrahl-Mikroschweißens von metallischen Folien beeinträchtigen der thermisch induzierte Verzug und die daraus resultierende Spaltbildung den reproduzierbaren Schweißprozess. Der freie, unbehinderte Verzug steigt exponentiell mit sinkender Materialstärke an. Daher muss der Verzug durch Maßnahmen der Prozessführung und durch eine optimierte Spannvorrichtung minimiert werden. Dafür werden die Einflüsse auf den Verzug und die korrespondierenden Temperaturfelder untersucht und Regeln für die verzugsarme Bearbeitung abgeleitet. Diese betreffen die Gestaltung des Schweißregimes, die Wahl von Fokusdurchmesser und Péclet-Zahl für den Schweißprozess sowie das eingesetzte Strahlprofil. Zusätzlich erreicht ein neuartiges Spannkonzept für metallische Folien einen minimierten Verzug zwischen den Fügepartnern. Aufgrund von prozessbedingten Schwankungen und äußeren Einflussfaktoren variiert die Schweißnahttiefe und kann zu ungenügender Anbindung der Fügepartner führen. Daher sind Durchschweißungen für das prozesssichere Mikroschweißen notwendig. Das Prozessfenster für Durchschweißungen in Abhängigkeit von der Leistung und von der Vorschubgeschwindigkeit hat daher eine große Bedeutung für die Prozessführung. Das Prozessfenster wird durch die Prozessgrenzen bestimmt, welche in Abhängigkeit vom Aspektverhältnis und von der bezogenen Leistung beschrieben werden können. Ein weiterer prozesslimitierender Einfluss ergibt sich durch den Humping-Effekt, der den Anbindungsquerschnitt und die Festigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigt. Basierend auf dem Modell der Rayleigh-Plateau-Instabilität kann durch das Verhältnis von Schmelz-badlänge zu Fokusdurchmesser der Eintritt des Humping-Effekts abgeschätzt werden. Der Vergleich von verschiedenen hochlegierten Stählen zeigt, dass sich die gewonnen Ergebnisse im Mikroschweißen auf die untersuchten Stähle übertragen lässt. Während der Bearbeitung der ergänzend charakterisierten Titan- und Aluminiumwerkstoffe lassen sich die gleichen Prozessphänomene im Mikroschweißprozess beobachten, die aufgrund der differierenden thermomechanischen Eigenschaften bei anderen Werten der Prozessgrößen auftreten. Für die prozesssichere Anwendung des Laserstrahl-Mikroschweißens im industriellen Umfeld ist die Kenntnis des Prozesses von immanenter Bedeutung. Daher wird in vorliegender Arbeit der Laserstrahl-Mikroschweißprozess anhand von metallischen Folien systematisch charakterisiert. Während des Laserstrahl-Mikroschweißens von metallischen Folien beeinträchtigen der thermisch induzierte Verzug und die daraus resultierende Spaltbildung den reproduzierbaren Schweißprozess. Der freie, unbehinderte Verzug steigt exponentiell mit sinkender Materialstärke an. Daher muss der Verzug durch Maßnahmen der Prozessführung und durch eine optimierte Spannvorrichtung minimiert werden. Dafür werden die Einflüsse auf den Verzug und die korrespondierenden Temperaturfelder untersucht und Regeln für die verzugsarme Bearbeitung abgeleitet. Diese betreffen die Gestaltung des Schweißregimes, die Wahl von Fokusdurchmesser und Péclet-Zahl für den Schweißprozess sowie das eingesetzte Strahlprofil. Zusätzlich erreicht ein neuartiges Spannkonzept für metallische Folien einen minimierten Verzug zwischen den Fügepartnern. Aufgrund von prozessbedingten Schwankungen und äußeren Einflussfaktoren variiert die Schweißnahttiefe und kann zu ungenügender Anbindung der Fügepartner führen. Daher sind Durchschweißungen für das prozesssichere Mikroschweißen notwendig. Das Prozessfenster für Durchschweißungen in Abhängigkeit von der Leistung und von der Vorschubgeschwindigkeit hat daher eine große Bedeutung für die Prozessführung. Das Prozessfenster wird durch die Prozessgrenzen bestimmt, welche in Abhängigkeit vom Aspektverhältnis und von der bezogenen Leistung beschrieben werden können. Ein weiterer prozesslimitierender Einfluss ergibt sich durch den Humping-Effekt, der den Anbindungsquerschnitt und die Festigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigt. Basierend auf dem Modell der Rayleigh-Plateau-Instabilität kann durch das Verhältnis von Schmelzbadlänge zu Fokusdurchmesser der Eintritt des Humping-Effekts abgeschätzt werden. Der Vergleich von verschiedenen hochlegierten Stählen zeigt, dass sich die gewonnen Ergebnisse im Mikroschweißen auf die untersuchten Stähle übertragen lässt. Während der Bearbeitung der ergänzend charakterisierten Titan- und Aluminiumwerkstoffe lassen sich die gleichen Prozessphänomene im Mikroschweißprozess beobachten, die aufgrund der differierenden thermomechanischen Eigenschaften bei anderen Werten der Prozessgrößen auftreten.

If the use of laser beam micro welding is to be reliable in an industrial environment, knowledge of the process is crucial. Therefore, the following work systematically characterizes the process of laser beam micro welding of metallic foils. In the laser beam micro welding of metallic foils, thermally induced distortion and the resulting formation of gaps compromise the reproducible welding process. Free, unhindered distortion exponentially increases with decreasing thickness of material. Distortion therefore needs to be minimized by means of process management measures and an optimized clamping device. To do so, factors which influence distortion and the corresponding temperature fields are examined and rules for processing with low distortion are derived. These affect the design of the welding regimen, the choice of the focal diameter and Péclet number for the welding process as well as the utilized beam profile. In addition, an innovative clamping concept for metallic foils achieves minimal distortion between join partners. Due to process-related variations and external influences, the depth of the weld joint varies, which might lead to insufficient joining of the join partners. Therefore, root penetration is necessary for reliable micro welding. The process window for root penetration subject to power and feeding speed is therefore of great importance for process management. The process window is determined by the process limitations, which in turn can be characterized considering the aspect ratio and the correlated power. Another process-limiting factor results from the humping effect which compromises the weld cross-section and the strength of the welded joint. Based on the Rayleigh-Plateau instability model, the occurrence of the humping effect can be estimated using the ratio of weld pool length and focal diameter. The comparison of different highly alloyed steels shows that the results gained in micro welding can be transferred to the examined steels. During the processing of the additionally characterized titanium and aluminum materials, process phenomena in the micro welding process can be observed which also occur in other values of the process variables due to the differing thermomechanical properties.

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Patschger, Andreas: Grundlegende Untersuchungen zum Prozessverständnis des Laserstrahl-Mikroschweißens von metallischen Folien. Ilmenau 2016. Universitätsverlag Ilmenau.

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