Ganzheitliche Analyse des Einflusses von Sauerstoff und weiteren Gaszusammensetzungen auf das Laserstrahlschweißen im Vakuum (OxiMeta)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Simon Olschok
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572834102

Das Laserstrahlschweißen im Vakuum hat sich seit den 1980er Jahren als vielversprechendes Verfahren etabliert, um die Herausforderungen beim Schweißen mit CO2-Lasern zu bewältigen. So konnte mit dem reduzierten Arbeitsdruck nicht nur das störende Plasma unterdrückt, sondern gleichzeitig die Einschweißtiefe deutlich gesteigert werden. Seither untersuchten Studien den Einfluss des Vakuums auf die geometrische Ausprägung der Schweißnähte, vernachlässigten allerdings die genauen Zusammensetzungen der Restatmosphäre in der Vakuumkammer. Neueste Erkenntnisse zeigen jedoch, dass Variationen des O2- und N2-Gehalts innerhalb der Vakuumkammer signifikante Auswirkungen auf die Schweißnahtqualität haben können. Daher ist das Ziel dieser Forschung, ein vertieftes Verständnis für den Einfluss von Gaszusammensetzungen und Partialdrücken im Vakuum auf die Qualität der Schweißnähte zu erlangen. Ein zentrales Element des Vorhabens ist die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen dem O2-Gehalt bei variierenden Vakua und der Bildung von Strömungen in der Schmelze. Diese Strömungen sind entscheidend für den Wärmetransport und damit für die Tiefe und Qualität der Schweißnähte. Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein erhöhter O2-Anteil die Oberflächenspannung der Schmelze beeinflusst, wodurch eine Umkehrung der Strömungsrichtung hervorgerufen und höhere Einschweißtiefe erzielt wird. Dennoch ist dieser zugrunde liegende Mechanismus noch nicht vollständig verstanden, da bei Zugabe von Schwefel, welches ebenfalls den Oberflächengradienten erhöht, keine Umkehrung der Strömungsrichtung hervorgerufen wird. Vielmehr wird postuliert, dass die zusätzliche Oxidationsenergie den Dampfdruck in der Kapillare erhöht, was wiederum zur Änderung der Kapillargeometrie und folglich den Schmelzbadströmungen führt. Dem gegenüber steht, dass sich mit erhöhtem O2-Gehalt Partikel in der Metalldampffackel bilden, die den Laserstrahl stärker streuen, wodurch die resultierende reduzierte Intensität auf dem Bauteil die Bildung der Kapillare hemmt bzw. diese fluktuieren lässt. Das Vorhaben umfasst mehrere verknüpfte Arbeitsschritte, in denen systematisch die Einflussgrößen von O2 und weiteren Gasen auf die Schweißnahtqualität durch Variation der Partialdrücke bei variierenden Arbeitsdrücken ermittelt werden. Dabei wird die Dynamik des Schmelzbades analysiert sowie deren Zusammenhang zur Oberflächenspannung. Die Wirkung der Reaktionsenthalpien von Gasen auf Temperaturverhältnisse im Schmelzbad und folglich der Oberflächenspannung werden zudem berücksichtigt. Zuletzt zielt das Projekt darauf ab, das gewonnene Verständnis durch einen innovativen Ansatz mit dynamischen Strahlprofilen direkt anzuwenden. Arbeitshypothese ist, dass der Einfluss des O2-Anteils und anderer Gase beim Laserstrahlschweißen Unterdruck auf das Schweißgut separiert ermittelt und deren Wirkung auf die geometrische Ausprägung und die chemische Zusammensetzung der Schweißnaht analysiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen