Hochleistungs-Scheibenlaser
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der beschaffte Hochleistungs-Scheibenlaser wurde in den ersten drei Jahren in Forschungsprojekten zum Laserstrahlschweißen sowie auch zum thermischen Umformen eingesetzt. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen war die Verbesserung der Nahtqualität beim Laserstrahlschweißen insbesondere von Leichtbauwerkstoffen und -strukturen im Rahmen des Kompetenzzentrums Schweißen von Aluminiumlegierungen. Hierfür wurden neuartige Schweißzusatzwerkstoffe entwickelt und erprobt. Dabei wurde nachgewiesen, dass die Gefahr der Heißrissbildung bei AlMgSi-Legierungen durch besonders hochlegierte Zusatzwerkstoffe deutlich reduziert werden kann. In einem weiteren Vorhaben wurde gezeigt, wie durch die gezielte Beeinflussung des Erstarrungsregimes mit Hilfe geeigneter Keimbildner die Schweißbarkeit von Aluminiumlegierungen unterschiedlicher Legierungsgruppen und die resultierenden mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung verbessert werden können. Um die Verteilung des Schweißzusatzwerkstoffs im Schweißgut und damit ebenfalls auf die Erstarrungsbedingungen zu beeinflussen, wurden in einem weiteren Vorhaben die Wirkung äußerer Magnetfelder auf die Strömungsverhältnisse im Aluminium-Schweißgut untersucht. Anwendungsnahe Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms durchgeführt, wobei einerseits das Schweißen neuartiger Aluminiumwerkstoffe für Luftfahrtanwendungen wie der AlMgSc-Legierungen betrachtet wurde, andererseits im Rahmen der Entwicklung neuer metallischer Bauweisen im Flugzeugbau anhand von Kastenstrukturen für Landeklappen die Fertigungsmöglichkeit unterschiedlicher Designvarianten mittels Laserstrahlschweißen beleuchtet wurde. Ebenfalls im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms wurde das Laserstrahlschweißen von Titanwerkstoffen und Edelstahl in Kombination mit einem nachfolgenden thermischen Umformen zur Kompensation des Schweißverzuges für die Entwicklung aerodynamisch verbesserter Leitwerksvorderkanten in Laminartechnologie eingesetzt. Das thermische Umformen von Stählen mittels Laserstrahl wurde in zwei Forschungsprojekten im Wesentlichen mit Hilfe der numerischen Simulation untersucht. Dabei wurde der Hochleistungs-Scheibenlaser für die experimentelle Verifizierung eingesetzt. In einem Verbundprojekt zum Strahlschweißen rissempfindlicher Nickelbasiswerkstoffe größerer Blechdicken wurde das Schweißen mit dem Hochleistungs-Scheibenlaser dem Vakuum-Elektronenstrahlschweißen vergleichend gegenübergestellt. Dabei zeigte sich ein deutlicher Vorteil des Elektronenstrahls, da es mit dem atmosphärischen Laserstrahlschweißen trotz relativ hoher Strahlqualität nicht in gleicher Weise gelingt, eine entsprechend schlanke Nahtgeometrie auch bei den hier werkstoffbedingt erforderlichen sehr niedrigen Schweißgeschwindigkeiten beizubehalten. Im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs wurde die Beeinflussung von Nahtgeometrie, Einschweißtiefe, Eigenspannungsausbildung und Verzug beim Schweißen von Einsatzstählen für typische Powertrain-Anwendungen intensiv untersucht und dabei auch der Einfluss der Strahlqualität im direkten Vergleich mit anderen Festkörperlasern beleuchtet und Kompensationsstrategien zur Verzugsvermeidung erarbeitet. Dabei erwies sich die Kombination aus hoher Strahlqualität und hoher Laserleistung, welche der beschaffte Hochleistungs-Scheibenlaser ebenso wie vergleichbare Hochleistungs-Faserlaser bieten, als besonders vorteilhaft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Distortion during laser beam welding in consideration of the gap width. Lasers in Manufacturing (LIM09) eds.: A. Ostendorf, T. Graf, D. Petring, A. Otto, F. Vollertsen. AT-Fachverlag Stuttgart (2009) 33 - 38
Buschenhenke, F.; Sakkiettibutra, J.; Zeiler, M.; Vollertsen, F.
- High brightness solid state laser: development and application. 5th Int. Conf. on Laser Advanced Materials Processing (LAMP'09), online proceedings (2009) 09-002-317
Vollertsen, F.; Neumann, S.
- Laser beam welding with hypereutectic AlSi filler material. Proc. 28th Cong. on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO09) LIA Publication 612 (CD) paper 404, 186-191
Seefeld, T.; Buschenhenke, F.; Vollertsen, F.
- Properties and prospects of high brightness solid state lasers. Laser Technik Journal (2009) 27-31
Vollertsen, F.
- Sprühkompaktierte Zusatzwerkstoffe für das Laserstrahlschweißen hochfester Aluminiumwerkstoffe. HTM J. Heat Treatm. Mat. 64/2 (2009) 107-114
Schulz, A.; Cui, C.; Buschenhenke, F.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.; Zoch, H.-W.
- Distortion and residual stresses in laser beam welded shaft-hub joints. Proc. of 29th ICALEO, LIA Congress Proceedings CD-ROM 613 (2010) 389-397
Buschenhenke, F.; Hofmann, M.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.
- Experimental investigation of the melt flow in Aluminum during laser welding with magnetic stirring. Pacific International Conference on Applications of Lasers & Optics (PICALO’10) paper 403 (CD-Rom)
Tang, Z.; Gatzen, M.; Vollertsen, F.
- Grain Refinement by Laser Welding of AA 5083 with Addition of Ti/B. Lasers in Manufacturing (LIM 2011), eds.: M. Schmidt, F. Zaeh, T. Graf, A. Ostendorf. Elsevier Amsterdam (2011) 123-133
Tang, Z., Seefeld, T., Vollertsen, F.
- In-process measurements of the mechanical behavior of aluminium sheets during laser beam forming. 3rd International Workshop on Thermal Forming and Welding Distortion (IWOTE’11), ed. F. Vollertsen. BIAS Verlag Bremen (2011) 293-303
Grden, M., Vollertsen F.
- Laser joining of aluminum alloys - State of the art. IIW Annual Assembly 2011 Com. XVII, Chennai, India (2011), paper no. IV-1057-11
Vollertsen, F.; Reitemeyer, D.
