Wirkungsweisen ortsangepasster Intensitätsverteilungen auf die beim Laserstrahltiefschweißen zur Spritzerbildung führenden Mechanismen und deren zugrundliegende Wechselwirkungsweisen bei hohen Schweißgeschwindigkeiten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jean Pierre Bergmann; Professor Dr. Thomas Graf
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503306266

Beim Laserstrahlschweißen von Stahl mit Festkörperlasern stellt die Entstehung von Spritzern, insbesondere verstärkt innerhalb des Schweißgeschwindigkeitsbereichs von ca. 8 m/min bis 20 m/min, eine große zu bewältigende Herausforderung dar. Zur Reduktion der Spritzerbildung werden gegenwärtig verschiedene Herangehensweisen verfolgt. Innerhalb der vordergründig bei Einschweißung vorliegenden Untersuchungen, stellt der Einsatz von ortsangepassten Intensitätsverteilungen einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Infolge der Anwendung von Mehrkern-Fasersystemen sowie durch Überlagerung mehrerer Laserstrahlen (Strahlsuperposition) konnte eine signifikante Reduktion der Spritzerbildung selbst bei hohen Schweißgeschwindigkeiten beobachtet werden. Die Wirkungsweise der ortsangepassten Intensitätsverteilungen auf das resultierende Spritzeraufkommen ist dabei bislang nur rein empirisch belegt. Es ist somit weder bekannt, inwieweit die thermo- und fluiddynamischen Vorgänge im Schmelzbad und der Dampfkapillare durch den ortsabhängigen Energieeintrag beeinflusst werden, noch welche dieser thermo- und fluiddynamischen Vorgänge tatsächlich zur Spritzerbildung beitragen (Spritzermechanismen). Darüber hinaus ist nicht bekannt, welche Spezifikationen ortsangepasste Intensitätsverteilungen zur gezielten Spritzerreduktion aufweisen müssen, da die relevanten und zu beeinflussenden Spritzermechanismen bislang nicht ausreichend verstanden und bekannt sind. Das Ziel des Vorhabens ist es daher, in einer ersten Förderperiode die Wechselwirkungsbeziehungen ausgewählter ortsangepasster Intensitätsverteilungen zu deren thermo- und fluiddynamischen Auswirkungen im Schmelzbad und der Dampfkapillare sowie zur resultierenden Spritzerbildung zu quantifizieren und somit die relevanten Spritzermechanismen zu identifizieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht dazu die Bestimmung resultierender Temperaturfelder und -gradienten, die Ermittlung von Geometrie sowie Fluktuationen des Schmelzbads und der Dampfkapillare, sowie die Charakterisierung der Strömungen im Schmelzbad und des aus der Dampfkapillare abströmenden Metalldampfs. Weiterhin soll die Spritzerbildung durch geeignete charakteristische Größen beschrieben und mittels einer empirischen Korrelation zu den vorherig genannten Messgrößen verknüpft werden. Durch eine gezielte Gewichtung der Messgrößen untereinander, sollen so die für die Spritzerbildung relevanten Wechselwirkungsbeziehungen quantifiziert und identifiziert werden. Weiterführend ist innerhalb einer zweiten Förderperiode eine Ableitung von optimierten ortsangepassten Intensitätsverteilungen zur gezielten Spritzerreduzierung vorgesehen. Abschließend soll es so möglich sein, die gesamte Wechselwirkungskette von der Auswahl ortsangepasster Intensitätsverteilungen zur gezielten Beeinflussung der zur Spritzerbildung führenden Mechanismen für die Minimierung der daraus resultierende Spritzerbildung quantifizieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen