Spektroskopische Untersuchungen zur räumlichen Beeinflussung eines WIG-Lichtbogens durch Laserstrahlung
Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gemäß den obigen Ausführungen ist eine resonante Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Lichtbogen im Lichtbogenvolumen mit spektroskopischen Methoden nachweisbar. Bei senkrechter Durchstrahlung des Lichtbogens wird eine Erhöhung der Linienemission, der Temperatur und der Leitfähigkeit insbesondere in den äußeren Bogenbereichen mit kleinerer Plasmatemperatur beobachtet. Die höchsten relativen Änderungen werden außerhalb des Bogenzentrums nahe der Anode beobachtet. Die genannten Ergebnisse wurden durch Simulationen mit einem Nichtgleichgewichtsmodell des WIG-Lichtbogens mit Laseranregung bestätigt. Entsprechend der Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit konnte eine Beeinflussung der Lichtbogenspannung durch die Lasereinwirkung bei Verwendung einer stromstabilisierten Stromquelle demonstriert werden. Der Grad der Wechselwirkung zwischen Lichtbogen und Laserstrahl ist von der Dichte der angeregten Argonatome sowie der Photonendichte des Laserstrahls abhängig. Die Dichte der angeregten Argonatome wird unter anderem durch den Strom sowie den Gasdurchfluss bestimmt und hängt des Weiteren von der Position im Lichtbogenvolumen ab. Die Photonendichte des Laserstrahls, die durch die Argonatome absorbiert werden können, ist von der Laserleistung, der Breite des Spektrums sowie der Mittenwellenlänge des Lasers abhängig. Die untersuchte resonante Absorption bei Verwendung von Lasern bis etwa 400 W hat nur geringen Einfluss auf die Gesamtenergiebilanz des Lichtbogens. Die laterale Auslenkung des Lichtbogens durch den Laserstrahl im Fall einer Prozesskombination (identische Wechselwirkungszone mit dem Material) ist abhängig vom geschweißten Material. Bei Bestrahlung eines Aluminiumwerkstücks in kleinerem Abstand zur Schmelze „sprang“ der Lichtbogen zum bestrahlten Punkt. Initial lag keine gemeinsame Schmelze von Lichtbogen und Laserstrahl vor. Beim Schweißen von Stahl ist solch eine Bewegung des Lichtbogens nicht zu beobachten. Hierbei tritt jedoch bei einem Pendeln des Laserstrahls eine deutliche Verbreiterung der Schweißnaht auf, was auf einen höheren Energieeintrag zurückzuführen ist. Die Verbreiterung wird sowohl bei resonanter als auch bei nichtresonanter Laserstrahlung bzgl. der Argonlinien beobachtet. Beim WIG-Schweißen von Stahl kann durch Einsatz des Lasers sowohl mit resonanter als auch mit nicht resonanter Absorption ohne Pendeln bereits eine deutliche Erhöhung des Nahtquerschnitts bzw. der WEZ erreicht werden. Der stark erhöhte Energieeintrag geht weit über die Summe der vom Werkstoff absorbierbaren Laserleistung und des Energieeintrags des WIG-Prozesses ohne Laser hinaus. Dieser Effekt lässt sich nicht allein mit der Volumenabsorption des Lasers im Lichtbogen und der vergleichsweise schwachen Änderung der räumlichen Struktur des Lichtbogens erklären. Die Einflüsse des zusätzlich verdampften Metalls und seiner Ionisierung sowie seiner Wechselwirkung mit Laserstrahlung auf den Energietransfer auf das Werkstück sind weitgehend ungeklärt. Eine lokal erhöhte Temperatur des Werkstückes führt zu einem Anstieg des Absorptionskoeffizienten, wodurch eine bessere Absorption der Laserstrahlung stattfindet. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass der resonante Energietransfer in das Lichtbogenplasma nicht von großer Bedeutung für die Führbarkeit des Lichtbogens zu sein scheint, auch wenn es Hinweise auf hohe relative Auswirkungen nahe der Anode gibt. Eine größere Rolle der Laserabsorption auf dem Werkstück gefolgt von höherer Metallverdampfung und direkter Auswirkungen auf Oberflächenspannung und Schmelzbadbewegung wird vermutet. Die Mechanismen der Führung des Lichtbogenfußpunkts durch den Laserstrahl sowohl des stark erhöhten Energieeintrags sind somit noch nicht vollständig geklärt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of Welding Current and Focal Position on the Resonant Absorption of Laser Radiation in a TIG Welding Arc. In: Physics Procedia 56, S.646-652
B. Emde, M. Huse, J. Hermsdorf, S. Kaierle, V. Wesling, L. Overmeyer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.064) - Influence of Welding Current and Focal Position on the Resonant Absorption of Laser Radiation in a TIG Welding Arc. LANE 2014 in Fürth
B. Emde, M. Huse, J. Hermsdorf, S. Kaierle, V. Wesling, L. Overmeyer
- Study of laser radiation absorption in a TIG welding arc. IIW Annual Assembly 2014 in Seoul
D. Uhrlandt
- Change of electrical conductivity of Ar welding arc under resonant absorption of laser radiation. In: Journal of Physics D: Applied Physics 48, S. 095502+11
R. Kozakov, B. Emde, A. V. Pipa, M. Huse, D. Uhrlandt, J. Hermsdorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/9/095502) - Influence of Laser Power and Wavelength on the Resonant Interaction between Laser Radiation and TIG Welding Arc. Lasers in Manufacturing Conference 2015
B. Emde, M. Huse, J. Hermsdorf, S. Kaierle, V. Wesling, L. Overmeyer
- Influence of Laser Power and Wavelength on the Resonant Interaction between Laser Radiation and TIG Welding Arc. Lasers in Manufacturing Conference 2015 in München
J. Hermsdorf, B. Emde, M. Huse, S. Kaierle, V. Wesling, L. Overmeyer
- Study of laser radiation absorption in a TIG welding arc. In: Welding in the World
R. Kozakov, G. Gött, D. Uhrlandt, B. Emde, J. Hermsdorf, V. Wesling
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40194-015-0222-7)
