Klärung der Einflüsse einer zeitlich veränderlichen Wärmequelle auf die Schmelzbaddynamik und auf die Erstarrung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die Klärung der Zusammenhänge zwischen einer zeitlichen Modulation der Laserpulsleistung und der Schmelzbaddynamik unter technisch relevanten Bedingungen beim Fügen von artgleichen und artfremden Verbindungen. Erste Untersuchungen hatten belegt, dass die Pulsmodulation einen erfolgreichen Ansatz für das Steuern metallurgischer Vorgänge beim Fügen ist, jedoch fehlte ein tiefergehendes Prozessverständnis. Die experimentelle sowie analytische Untersuchung der Wechselwirkung eines zeitabhängigen Wärmestroms an der Schmelzbadoberfläche mit der Strömung im Schmelzbad stand im Mittelpunkt des Vorhabens, wobei mögliche Resonanzeffekte in der Schmelzbadströmung bei geeigneter Modulation der Laserleistung identifiziert und analysiert wurden. In den Untersuchungen konnte eine Beeinflussung der Schmelzbaddynamik und der Erstarrung in Folge Pulsformmodulation nachgewiesen werden. Die zeitliche Modulation beeinflusst die Bewegung der Erstarrungsfront und erhöht die Strömungsgeschwindigkeit im Schmelzbad (Marangonizahl und die Konvektion im Schmelzbad). Bei einer Pulsformmodulation mit Leistungsgradient wird die Solidustemperatur unterschritten die Erstarrung erfolgt nach Pulsende im Wesentlichen keimbildungsdominiert globulitisch. In den experimentellen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass bei artgleichen Verbindungen durch neuartige Pulsmodulation ein homogenes und feinkörniges Gefüge in der Schweißnaht erreicht wird. Feinere Körner steigern auf Grund der Verringerung der freien Gleitlänge den Rissbildungswiderstand des Gefüges und führen somit zu einer erhöhten Lebensdauer bzw. Dauerfestigkeit der Schweißverbindung. Mischverbindungen können prozesssicher und rissfrei gefügt werden, da die Größe der intermetallischen Phasen unter einem kritischen Wert gehalten wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Stand und Perspektiven beim Laserstrahlschweißen mit gepulsten modulierbaren Laserstrahlquellen“. 7. Internationale Konferenz "Strahltechnik". 17. - 19. 4. 2007, Halle (Saale), DVS Berichte [Seite 58 – 61]
Bergmann J. P., Wilden J., Dolles, M., Holtz R., Richter K.
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“Modelling of heat transfer and fluid flow in laser welding”. PAMM Proc. Applied Mathematics and Mechanics 8, 10623 – 10624 (2008)
Kotalík P., Boeck, T.
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„Laserschweißen mit im Puls modulierbaren Nd:YAG Laserstrahlquellen: Wechselwirkungsmechanismen zwischen Leistungsmodulation und Schmelzbadströmung sowie Erstarrung“. DVS eV Studentenkongress, Dresden, 17-19 September 2008, DVS-Berichte Band 250, [Seite 425 – 429]
Wilden J., Jahn S., Neumann T., Bergmann J. P., Holtz R., Richter K.
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„Laserstrahlprozessführung und Metallurgie als Schlüssel für neue Anwendungen“. Die 6. Jenaer Lasertagung, Jena, 27. und 28. November 2008
Wilden J., Jahn S., Neumann T., Denke M.
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“Effect of pulse shape modulation in Nd:YAG laser beam welding on the weld pool flow and solidification”. Proceedings of the 2009 ASME International Manufacturing Science and Engineering Conference, MSEC 2009, October 4-7, 2009, West Lafayette, Indiana, USA
Wilden J., Jahn S., Kotalík P., Neumann T.-P., Holtz R.
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„Pulsed Nd:YAG laser beam welding: Effect of pulse shape modulation on the weld pool flow and solidification”. Proceedings of the Fifth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2009, Munich, June 2009
Wilden J., Jahn S., Neumann T.-P., Kotalík P., Holtz R.
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„Strategien zum industriellen Laserschweissen mit gepulsten Festkörperlasern“. Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik; Tagungsband: LEF 2009; Hrsg.: Geiger, M. Schmidt, C. Kägeler; Meisenbach Bamberg 2009
Holtz R., Wilden J., Neumann T.
