Dynamic beam modulation for optimization of industrial laser processes (FastShape)
Final Report Abstract
Im Fokus des trilateralen Projektes „FastShape“ stehen mit dem Schmelzschneiden von Stahlblechen im Dickenbereich von 8-20 mm und dem Laserschweißen von Elektro-Kupfer-Blechen mit effizienten Festkörperlasern zwei bezüglich der Qualität des Prozessergebnisses herausfordernde Anwendungen. In beiden Fällen treten inhärente Prozessinstabilitäten auf, die zu massiven Defiziten bezüglich der Qualität und der Performance führen. Grundlegende Untersuchen konnten bereits zeigen, dass sich die Instabilitäten durch die dynamische Strahloszillation gezielt beeinflussen oder unterdrücken lassen und eine Verbesserung der Bearbeitungsergebnisse und der Performance erreicht werden kann. Ziel des Projektes war es, die zugrundeliegenden physikalischen Wirkmechanismen der dynamischen Strahloszillation auf die Abläufe in der Prozesszone bei der Lasermaterialbearbeitung mit effizienten Festkörperlasern zu identifizieren und ein tiefgreifendes Prozessverständnis über die komplexen Wechselwirkungen zu entwickeln. Dafür wurden die beiden Verfahren Laserschneiden von Stahlwerkstoffen sowie das Laserschweißen von Kupferlegierungen mithilfe von komplementären diagnostischen Methoden tiefgreifend untersucht. Insbesondere wurden röntgentechnische Untersuchungen, ein flächig messendes Goniometer mit integriertem Quotienten-Pyrometer und verschiedene Hochgeschwindigkeitsaufnahmen eingesetzt, um den Einfluss der dynamischen Strahloszillation auf Geometrie und Dynamik der Prozesszone und des Energieeintrages zu ermitteln und Aussagen über die komplexen Wechselwirkungen zu ermöglichen. Im Rahmen des Projektes konnten für beide Bearbeitungsprozesse die wichtigsten Einflussgrößen auf den Prozess herausgefiltert und geeignete Prozess- und Parameterfenster erarbeitet werden. Beim Schneiden stellen neben den bekannten Einflussgrößen wie Fokuslage und Gasdruck der Überlappungsgrad und die effektive Verschiebung des Laserstrahls zwischen den Oszillationsperioden die Haupteinflussgrößen dar. Für das Schweißen ist zudem die Bahngeschwindigkeit, die die Relativgeschwindigkeit des Strahls auf seiner Oszillationsbahn wiedergibt, ein entscheidender Faktor hinsichtlich der Qualität. Das im Projekt erweiterte Prozessverständnis beim Einsatz der dynamischen Strahloszillation für das Laserschneiden von Stahlwerkstoffen sowie das Laserschweißen von Kupferlegierungen ermöglicht, die Geometrie der Wechselwirkungszone, den lokalen Energieeintrag und die Dynamik des Prozesses aktiv und reproduzierbar einzustellen und somit eine gesteigerte Qualität und Performance zu erreichen. Die ermittelten Einflussgrößen gestatten eine Reduzierung der durch die Strahloszillation gestiegenen Komplexität der Bearbeitungsprozesse und eine Übertragbarkeit der Prozessfenster in einem breiten Bereich der Einschweißtiefen bzw. Blechdicken. Die dynamische Strahloszillation stellt sich damit als ein flexibles Werkzeug für robuste Prozesse dar, mit dem sich eine große Bandbreite an Applikationen abdecken lassen. Weiterhin ist eine Übertragung der Erkenntnisse auf andere Werkstoffe bzw. Blechdicken möglich und z.B. für das Schweißen von Aluminium-Legierungen bereits geschehen, auch wenn entsprechende Untersuchungen und Anpassungen der optimalen Prozessparameter notwendig sind. Die Projektergebnisse und die erarbeitete Datenbasis bilden damit die Grundlage für die zielgerichtete Optimierung der Bearbeitung bei realen Bauteilen und den Transfer der Technologie und des entwickelten Knowhows zu den Industriepartnern. Die Verwertung und der Transfer der Projektergebnisse erfolgt entsprechend seitens der Fraunhofer Gesellschaft vornehmlich im Rahmen von Industrieprojekten. Zusätzlich unterstützt die Wissens- und Datenbasis kombinierte Ansätze zu Prozessmonitoring und –regelung mittels KI-Methoden. Weiterhin ermöglichen die Projektergebnisse einen Wissenstransfer der zugrundeliegenden physikalischen Wirkmechanismen auf andere Technologien wie z.B. der 3D-Strahloszillation oder Strahlformungskonzepten mittels Coherent Beam Combining (CBC) und Optical Phase Array (OPA). Insbesondere durch den konstruktiven Austausch aller Projektpartner während der Projektlaufzeit konnte somit eine Basis für die weiterführende Verwertung der Ergebnisse geschaffen werden.
Publications
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In situ observation with x-ray for tentative exploration of laser beam welding processes for aluminum-based alloys. Journal of Laser Applications, 33(1).
Börner, Stephan; Dittrich, Dirk; Mohlau, Philipp; Leyens, Christoph; García-Moreno, Francisco; Kamm, Paul Hans; Neu, Tillmann Robert & Schlepütz, Christian Matthias
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Qualification of the 3D-geometry of cutting fronts through thermal emission. At: IFSW International Workshop Söllerhaus Hirschegg, 28.01.-31.01.2020, Hirschegg
Michael Sawannia; Rudolf Weber & Thomas Graf
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Determination of the geometry of laser-cutting fronts with high spatial and temporal resolution. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1135(1), 012013.
Sawannia, Michael; Berger, Peter; Weber, Rudolf & Graf, Thomas
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Latest results of beam modulation effects in copper and aluminum laser welding by in-situ observation with X-ray. At: Lasersymposium & ISAM, 07.- 09.12.2021, virtual conference
Börner Stephan
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New possibilities for laser beam welding of copper and aluminum allowys with dynamic beam modulation. At: ICALEO 18.-21.10.2021, virtual conference
Dittrich, Dirk; Börner, Stephan; Jahn, A. & Reinlein, C.
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In Situ Investigation of the Capillary Dynamics in Electron Beam Welding Using the Polarized Thermal Process Emission. In: Proceeding of ICALEO, Artikel #705
Sawannia, Michael; Jakobs, Stefan; Gach, Stefan; Olschok, Simon; Weber, Rudolf & Graf, Thomas
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Influence of laser beam oscillation on the cutting front geometry investigated by high-speed 3D-measurements. Procedia CIRP, 111, 736-739.
Sawannia, Michael; Borkmann, Madlen; Herwig, Patrick; Wetzig, Andreas; Weber, Rudolf & Graf, Thomas
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A 360° view for welding processes using dynamic beam modulation. At: European Automotive Laser application conference, 07/08.02.2023, Bad Nauheim
Dittrich, Dirk & Börner, Stephan
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Effect of laser beam oscillation on front geometry, gas flow and melt movement in laser cutting. At: IFSW International Workshop Söllerhaus Hirschegg, 24.01.- 27.01.2023, Hirschegg
Borkmann, Madlen; Sawannia, Michael; Herwig, Patrick & Wetzig, Andreas
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Enhanced Process understanding for laser welding of copper and aluminum alloys with dynamic beam oscillation – A recipe for high quality welds. At: Lunch-to-lunch-Workshop: Beam Shaping – New solutions for laser material processing, 15./16.03.2023, Dresden
Börner Stephan; Dittrich, Dirk & Wetzig, Andreas
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Enhanced Process understanding for laser welding of copper and aluminum alloys with dynamic beam oscillation. In: Proceeding of LiM 2023
Börner Stephan; Dittrich, Dirk; Barrios, Joseph; Sawannia, Michael; Reinheimer, Eveline; Heider, Andreas; Ramsayer, Reiner & Wetzig, Andreas
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Geometry and temperature distribution of the cutting front during laser beam fusion cutting. At: IFSW International Workshop Söllerhaus Hirschegg, 24.01.-27.01.2023, Hirschegg
Michael Sawannia; Madlen Borkmann; Patrick Herwig; Andreas Wetzig; Rudolf Weber & Thomas Graf
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Influence of beam oscillation on the melt flow during laser beam fusion cutting and the resulting cut quality. In: Proceeding of LiM 2023
Sawannia, Michael; Borkmann, Madlen; Herwig, Patrick; Wetzig, Andreas; Hagenlocher, Christian & Graf, Thomas
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Laser cutting with dynamic beam shaping – concept, realizations and results. Speedup and kerf shaping. At: Lunch-tolunch-Workshop: Beam Shaping – New solutions for laser material processing, 15./16.03.2023, Dresden
Borkmann, Madlen; Herwig, Patrick & Wetzig, Andreas
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Laser fusion cutting: The missing link between gas dynamics and cut edge topography. Journal of Laser Applications, 35(4).
Borkmann, Madlen; Mahrle, Achim & Wetzig, Andreas
