Einfluss der Temperaturhistorie bei der Lasermaterialbearbeitung auf die Laserenergieabsorption

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274609062

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Numerische Simulationen von Laserstrahlprozessen benötigen für die Berechnung der Energieaufnahme des Bauteils den Absorptionsgrad der zu bestrahlenden Oberfläche. Dieser ist jedoch selten bekannt und wird oftmals durch Literaturwerte ermittelt oder anhand von Experimenten, beispielsweise dem Vergleich mit Schliffbildern, angeglichen. Insbesondere bei Mehrfachbestrahlungen wird dabei die Veränderung des Absorptionsgrads vernachlässigt. Wünschenswert wäre daher ein prozessabhängiger Absorptionsgrad für numerische Simulationen, sodass eine Veränderung durch vorherige Temperatureinwirkungen schon während der Simulation berücksichtigt würden. Daher wurden in diesem Vorhaben die Auswirkungen mehrfacher Laserbestrahlung auf die Absorption ermittelt. Die Untersuchungen bezogen sich dabei auf Stähle, vor allem den nichtrostenden Stahl X5CrNi18-10, die einer Temperatureinwirkung durch Laserstrahlung unterhalb ihres Schmelzpunkts für variierende Zeitspannen ausgesetzt wurden. Die Untersuchungsergebnisse sind für diverse Anwendungsbereiche mit iterativer Erwärmung, beispielsweise dem Laserstrahlbiegen oder dem laserunterstützten inkrementellen Umformen, von Relevanz. Für die Untersuchungen der Absorptionsänderungen wurden Proben im eigens konzipierten Messstand vor und nach der Laserbestrahlung charakterisiert. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Rauheit der zu bestrahlenden Stahloberfläche zwar maßgeblich den Ausgangszustand der Absorption bestimmt, eine Absorptionsänderung aufgrund einer Rauheitsveränderung durch Laserbestrahlung allerdings nicht auftrat. Durch Laserbestrahlung ausgelöste Formänderungen können jedoch die Rauheit und damit auch die Absorption an der Bestrahlungsstelle beeinflussen, insbesondere bei dünnen Blechen. Das Ausmaß des Bestrahlungseinflusses zeigte eine Abhängigkeit von der Vorbehandlung der Blechoberfläche. So wurden polierte und plangefräste Proben weniger beeinflusst als unbehandelte. Durch den Vergleich mit im Ofen ohne Schutzgas erhitzten Proben konnte festgestellt werden, dass ein Sättigungszustand auftritt, über den hinaus eine Steigerung der Absorption nicht möglich scheint. Auch für die unbehandelten Proben ist dieser Sättigungszustand bei ausreichender Laserbestrahlung beobachtet worden. Vergleichsversuche mit Schutzgasabdeckung des laserbestrahlten Bereichs zeigten keine signifikante Absorptionsänderung. Der Mechanismus der Absorptionssteigerung durch Wärmeeinwirkung wird daher auf die Oxidation der Oberfläche zurückgeführt. Analysen der Oberfläche zeigen zudem eine Veränderung der Oberflächenstruktur im Sub-Mikrometerbereich, welche durch die Flächenrauheitswerte nicht erfasst werden. Für den Werkstoff 1.1248 korreliert die Veränderung des Topografiefaktors der gemessenen Oberfläche pro Messfeldfläche mit der Absorptionsänderung. Generell ist jedoch die Auswertung des Zeit-Temperatur-Profils geeigneter als die Ermittlung der Topografie- und Rauheitskennwerte, um die Vorgänge der Absorptionsänderung zu beschreiben. Da die Absorptionsänderung infolge einer Wärmeeinwirkung sowohl vom Werkstoff als auch von der Ausgangsoberfläche abhängt, ist die Ermittlung einer Referenzkurve des Absorptionsänderungsverhalten an vergleichbaren Werkstücken erforderlich. Es konnte gezeigt werden, dass mithilfe der Referenzkurve ermöglicht wird, in einer numerischen Simulation einen prozessabhängigen Absorptionskoeffizienten zu implementieren. Die durchgeführten Simulationen eines Laserstrahlbiegeprozesses resultierten daraufhin in größeren Biegewinkeln als mit einem konstanten Absorptionskoeffizienten, der dem Mittelwert des unbeeinflussten Materials entsprach. Zwar ließe sich mit geringem Aufwand der Absorptionskoeffizient a posteriori anpassen, sodass das Simulationsergebnis mit dem des prozessabhängigen Absorptionskoeffizienten übereinstimmt, jedoch würden dadurch bei geringen Bestrahlungszyklen die resultierenden Biegewinkel überschätzt. Für ein besseres Verständnis der Zusammenhänge ist das prozessabhängige Modell im Gegensatz zu der empirischen Anpassung besser geeignet. Vor allem in Bezug auf die Skalierbarkeit ist ein prozessabhängiger Absorptionsgrad vorteilhaft.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Advantages of an adaptive absorption coefficient for simulations of iterative laser beam processes. International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO 2018), Orlando (FL), USA (2018) Paper No. 1703
  Kügler, H.; Vollertsen, F.
  
• Determining Absorptivity Variations of Multiple Laser Beam Treatments of Stainless Steel Sheets. Journal of Manufacturing and Materials Processing 2 (4), 84 (2018)
  Kügler, H.; Vollertsen, F.
  
• Messbare Laserstrahleffizienz. Laser 1 (2018) 32-33
  Kügler, H. Vollertsen, F.
  
• Consideration of Absorption Coefficient Changes in Numerical Simulations of Laser Forming. Advanced Technologies and Materials 44 (2019) 1
  Kügler, H.; Vollertsen, F.
  
• Effects of Short-Term Laser Beam Heating on the Absorptivity of Steel Sheets. Journal of Manufacturing and Materials Processing 3 (2), 41 (2019)
  Kügler, H.
  
• Influences of surface pretreatments on absorptivity changes induced by laser beam processing. Proceedings of LAMP2019 - the 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing, 21.-24. Mai 2019, Hiroshima, Japan (2019) #19-040 (Tu5-H1, A120213)
  Kügler, H.; Vollertsen, F.