Fundamental research on a double beam laser process for metals

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs, since 7/2019
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology ; Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 370349951

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

In diesem Forschungsprojekt wurde der 2-Strahl-Laserprozess weitergehend erforscht. Es konnten detaillierte neue Erkenntnisse über die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen dem modulierten Laserstrahl und dem Prozessergebnis erlangt werden. Insbesondere wurden die Einflüsse des Pulslasers auf die Prozesstemperatur und die Schmelzbadgeometrie erforscht und quantifiziert. Die Effekte wurden jeweils erst in Grundlagenversuchen und anschließend im realen Auftragschweißen nachgewiesen. Es besteht eine gute quantitative Kongruenz zwischen den Ergebnissen aus den Grundlagenversuchen und den angewandten Schweißversuchen. Es wurde gezeigt, dass die durch pulslaserinduzierte Verdampfung entstehende Dampfwolke einen signifikanten Einfluss auf die Absorption der Laserstrahlung hat. Parameterabhängige Bereiche mit stark erhöhter und weniger starker Absorption wurden identifiziert. Zudem kann die Breite und Höhe der Schweißraupen in hohem Umfang unabhängig von den sonstigen Prozessparametern eingestellt werden. Die Oberflächenrauheit der Schweißraupen wird bei geringen pw-Leistungen reduziert. Die veränderten Benetzungseigenschaften durch die Modifikation der Oberflächentopographie haben vor dem Hintergrund der Projektergebnisse nur einen untergeordneten Einfluss. Insgesamt wurde der positive Einfluss des 2-Strahl-Prozesses auf das drahtbasierte Laserauftragschweißen gezeigt. Aufgrund der beobachteten Prozessstabilitätssteigerung und der erweiterten Flexibilität der Prozesseinstellbarkeit ist zu erwarten, dass die erzielten Ergebnisse mittelund langfristig zur Steigerung der industriellen Relevanz dieses Verfahrens beitragen. Des Weiteren wurde in dem Vorhaben erstmals die optische Rückstreureflektometrie (OBR) als Verfahren zur Bestimmung von Temperaturfeldern in Bauteilen während des Auftragschweißens eingesetzt. Es konnten lokal hoch aufgelöste Temperaturdaten generiert werden. Diese dienen als Basis für den Aufbau von Prozesssimulationsmodellen, die in Zukunft bei der wissensbasierten Auswahl geeigneter Prozessparameter verwendet werden können.

Publications

• Pulsed Laser Influence on Two-Beam Laser Metal Deposition. In: Proceedings of the Lasers in Manufacturing Conference 2019, Munich, Germany, 24-27 June 2019, 2019
  Bergs, T.; Schulz, M.; Gipperich, M.; Riepe, J.; Arntz, K.
  
• Pulsed Laser Influence on Temperature Distribution during Dual Beam Laser Metal Deposition. In: Metals, 10. Jg., 2020, S. 766
  Gipperich, M.; Riepe, J.; Arntz, K.; Bergs, T.
  
• Tailored melt pool shape and temperature distribution by a dual laser beam LMD-w process. tct conference @ formnext connect, Online, 11.-12. November 2020
  Gipperich, M.; Riepe, J.; Day, R.; Bergs, T.
  
• Tailored melt pool shape by dual laser beam LMD- w process. MSE Congress, Online, 22.-25. September 2020
  Gipperich, M.; Riepe, J.; Day, R.; Bergs, T.
  
• Reflectometry-based investigation of temperature fields during dual-beam Laser Metal Deposition. In: Laser 3D Manufacturing VIII, 11677. Jg., 2021, S. 116770R
  Gipperich, M.; Peters, C.; Riepe, J.; Day, R.; Bergs, T.