Energy efficient brazing by using the deep penetration effect
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde das Temperaturfeld bei Laserlötprozessen mit Tiefschweißeffekt und überlagerter Strahloszillation untersucht. Dies soll die Umsetzbarkeit eines energieeffizienten Laserstrahlhartlötprozesses durch die Kombination eines hohen Einkoppelgrads der Laserstrahlung aufgrund des Tiefschweißens im Lotwerkstoff mit einer Strahloszillation zur gezielten Verteilung der Energie im Lotwerkstoff aufzeigen. Durch die Bildung der Dampfkapillare (Keyhole) wird die Einkopplung der Laserstrahlung aufgrund von Mehrfachreflexionen im Vergleich zum konventionellen Laserlötprozess um ein Vielfaches gesteigert. Die Dampfkapillare führt jedoch auch zu einer hohen Einschweißtiefe bei vergleichsweise geringer Schmelzbadbreite bzw. allgemein geringem Energieeintrag. Dies führte bei Blindlötungen ohne Strahloszillation zu einer ungenügenden Aufschmelzung des Lotmaterials und somit unvollständiger Benetzung bei gleichzeitiger ungewollter Anschmelzung des Substratmaterials. Dies konnte durch Oszillation und die daraus resultierende Verteilung der Energie vermieden werden. Die Kombination aus Keyholebildung und Strahloszillation ist demnach grundsätzlich zum Herstellen von Lötverbindungen geeignet. Der Einfluss der Oszillation, insbesondere der Oszillationsstrategie, auf das Temperaturfeld im Lotwerkstoff konnte unter anderem anhand von Einschweißversuchen in Stäben untersucht werden. Durch das gezielte unvollständige Aufschmelzen konnte der Einfluss der Oszillationsstrategie auf die Temperaturverteilung im Lot anhand der unterschiedlichen Schmelzbadform gezeigt werden. Dieser Einfluss konnte anhand von Temperaturmessungen bei Blindlötungen bestätigt werden. Die Temperaturmessungen erfolgten dabei auf der Schmelzbadoberseite. Neben der Oszillationsstrategie beeinflussen auch die Frequenz sowie Amplitude das Temperaturfeld des Schmelzbades. Zudem konnten weitere Einflussparameter der Oszillation auf die Charakteristika des Temperaturfeldes im Lotmaterial identifiziert werden. Dazu gehörte neben der Maximaltemperatur die Temperaturfeldhomogenität über der Schmelzbadbreite sowie der Zeit. Für die Maximaltemperatur war dabei die mittlere Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls ausschlaggebend. Die Temperaturfeldhomogenität wurde zeitlich über die Frequenz und geometrisch durch die Oszillationsstrategie beeinflusst. Das Oszillationsmuster und die Oszillationsfrequenz beeinflussen das Temperaturfeld auf der Schmelzbadoberseite, sodass ebenfalls von einer entsprechenden Beeinflussung im Nahtinneren sowie in der Tendenz (in Abhängigkeit der Tiefe der Dampfkapillare) auch an der Grenzfläche auszugehen ist. Die Einschweißversuche zur Beurteilung der Schmelzbadgeometrie und Temperaturverteilung im Lotwerkstoff bestätigen dies. Der zwar durch die Bildung der Dampfkapillare effiziente aber stark fokussierte Energieeintrag führt zu hohen lokalen Temperaturgradienten, die durch die variierende Einschweißtiefe sichtbar wurden. Das Lotmaterial wird im Prozess überhitzt, um eine Vorwärmung durch Wärmeleitung aus dem Lotmaterial zu erreichen, welche die Benetzung verbessert. Die Überhitzung führte zu Aufschmelzungen des Substrates, wenn dessen Dicke zu gering ist, um die Überhitzung durch Wärmeleitung abzubauen. Dieses Aufschmelzen des Substratmaterials begrenzt daher die möglichen Einsatzbereiche des Verfahrens und verhinderte eine Messung der Temperatur des Schmelzbades an der Grenzfläche. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass der vorgeschlagene energieeffiziente Lötprozess (der die Prozesseffizienz von unter 6 % auf über 15 % erhöht) grundsätzlich machbar ist. Unter den derzeit gegebenen Grenzen der technischen Systeme liegt allerdings ein enges Prozessfenster vor. Auf Basis von weiterentwickelten Strahlablenksystemen sollte eine Erweiterung der hier aufgezeigten Prozessgrenzen möglich sein. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist das vorgeschlagene Kennwertpaar zur Charakterisierung der Homogenität eines Temperaturfeldes. Diese Methode kann auch bei anderen Prozessen zur Charakterisierung hilfreich sein.
Publications
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Keyhole Brazing with Two-Dimensional Laser Irradiation Patterns. Proceedings of the Lasers in Manufacturing Conference 2019 (LiM19), eds.: U. Reisgen, M. Schmidt, M. Zäh, M. Rethmeier; Contribution No. 337
Henze, I.; Woizeschke, P.
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Influence of the beam oscillation pattern and oscillation frequency on the temperature field in laser brazing with keyhole formation. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 111 (2020) 807–816
Henze, I.; Woizeschke, P.
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Laser Keyhole Brazing. PhotonicsViews 18 (2021) 30–31
Henze, I.; Woizeschke, P.
