Transiente räumliche Reflexion der Laserstrahlung beim Laserstrahl-Tiefschweißen (ReLaTiS)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für die Produktionstechnik stellt das Laserstrahlschweißen eine Technologie dar, welche durch lokale Energieeinbringung, hohe Schweißgeschwindigkeiten und eine gute Automatisierbarkeit besticht. Während des Prozesses wird jedoch nicht die gesamte Energie der Laserstrahlung vom Material absorbiert, sondern zum Teil auch reflektiert. Diese Reflexionen führen zu Verlusten im Prozess und können die Anlagentechnik beschädigen oder die Bedienperson gefährden. Vor allem beim Einstechvorgang treten vor dem Ausbilden der Dampfkapillare starke Reflexionen auf. Aus diesem Grund lag das Hauptaugenmerk in diesem Forschungsprojekt in der Untersuchung des dynamischen Verhaltens der reflektierten Laserstrahlung beim Laserstrahl-Tiefschweißen. Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Prozessmodelles, mit dessen Hilfe die Strahlungsintensität im Umfeld der Schweißzone räumlich und zeitlich berechnet werden kann. Zusätzlich sollte eine experimentelle Untersuchung der Reflexionen erfolgen. Damit lassen sich die nötigen Lasersicherheitsmaßnahmen in Abhängigkeit von der tatsächlichen Strahlungslast konzipieren. Zudem sollte anhand der Reflexionen die Effizienz des Schweißprozesses bewertet werden. Zur experimentellen Messung der Reflexionen wurde in diesem Forschungsprojekt eine Messtechnik entwickelt, mit welcher die Reflexionen während eines Laserstrahl-Tiefschweißprozesses auf der gesamten Hemisphäre gemessen werden konnten. Neben den experimentellen Untersuchungen wurde ein Prozessmodell aufgebaut, mit welchem die Reflexionen während der Ausbildung der Dampfkapillare berechnet werden konnten. Hierzu mussten unterschiedliche Phasen berücksichtigt werden. In der ersten Phase wird die Laserstrahlung an dem festen Material reflektiert, bevor dieses aufschmilzt und anschließend verdampft, was zum Ausbilden einer Dampfkapillare führt. Zur Berechnung der Reflexion am festen Material musste die Oberflächenrauheit des Materials berücksichtigt werden. Dies wurde in Form einer Gaußschen Zufallsoberfläche implementiert. Zur Berücksichtigung der Strahlpropagation wurde ein Raytracer programmiert, bei welchem ein Strahlbündel in viele Einzelstrahlen aufgeteilt wird. Für jeden Einzelstrahl wird nach den Gesetzten der geometrischen Optik die Strahlpropagation berechnet. Um die Verformung der Oberfläche durch die Verdampfung simulativ abbilden zu können, wurde in diesem Forschungsprojekt ein numerisches CFD-Modell aufgebaut, welches die Temperatur, aber auch die Strömungen in der festen, flüssigen und dampfförmigen Phase berücksichtigt. Durch die Koppelung des numerischen Modells mit dem Raytracer konnte der Einfluss der Strahlpropagation auf die Absorption im Material, aber auch auf die Reflexion während dieses Prozesses untersucht werden. Zur ganzheitlichen Effizienzbewertung eines Laserstrahl-Tiefschweißprozesses muss neben dem Einkopellgrad auch der thermische Wirkungsgrad berücksichtigt werden. Dieser gibt an, welcher Anteil der ins Material eingebrachten Energie zum Aufschmelzen des Materials verwendet wird. Der Einkoppelgrad wurde in diesem Projekt durch die Messung der Reflexionen bestimmt. Zur Bewertung des thermischen Wirkungsgrades wurde ein weiteres Prozessmodell aufgebaut, mit welchem die Schmelzbadisotherme in einem CFD-Modell berechnet wurde. Auch wurde während der Projektlaufzeit ein Verfahren entwickelt und zum Patent angemeldet, mit welchem anhand der Reflexionen der ideale Arbeitsabstand zwischen der Laseroptik und dem Werkstück bestimmt werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Reflektierte Laserstrahlung beim Laserstrahl-Tiefschweißen“ In: Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (Hrsg.): iwb newsletter 21 (2013) 4, S. 4. ISSN: 1614-3442
Ganser, A.
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„Laser Welding of Copper Using Multi Mode Fiber Lasers at Near Infrared Wavelength.“ Physics Procedia 56, S. 591–600 (2014)
Liebl, S.; Wiedenmann, R.; Ganser, A.; Schmitz, P.; Zaeh, M. F.
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„Reflection of Laser Radiation during Laser Welding.“ International Summer School at Fraunhofer IWS Dresden, Dresden, 25.–29. August 2014
Ganser, A.
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„Detection of transient reflections during laser beam welding of copper.“ Proc. of the conference on SPIE, 97410J. (2016)
Ganser, A.; Liebl, S.; Schmitz, P.; Zaeh, M. F.
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„Numerical Simulation of the Thermal Efficiency during Laser Deep Penetration Welding.“ Proc. of the conference on LANE 2016. Physics Procedia 83 ( 2016 ) 1377 – 1386
Ganser, A.; Pieper, J.; Liebl, S.; Zaeh, M. F
