Lasermaterialbearbeitung

Prozesstechnik

  • Laserstrahlschweißen (cw)
  • Laserstrahlschweißen gepulst (pw)
  • laserbasiertes thermisches Fügen
  • Oberflächenbearbeitung
  • veränderliche Umgebungsbedingungen

Systemtechnik

  • angepasste Intensitätsverteilungen
  • Prozessregelung
  • Schutzgaszuführung
  • Schweißvorrichtungen und Sensorintegration
  • vorrichtungsfreies Schweißen
  • Remote-Laserstrahlschweißen

Werkstofftechnik

  • Prozess-Werkstoff-Interaktion
  • hochlegierte Stähle
  • heißrissanfällige Aluminiumlegierungen und Nickelwerkstoffe
  • Kunststoff-Metall-Verbunde
  • Aluminium-Kupfer- und Aluminium-Stahl-Verbunde

Kontakt

Dr.-Ing.
Klaus Schricker

Leitung Lasermaterialbearbeitung

klaus.schricker@tu-ilmenau.de

+49 3677 69 3808

 

Ausgewählte Themenschwerpunkte

Laserstrahlschweißen

Das Laserstrahlschweißen ist ein industriell weit verbreitetes Verfahren und bietet aufgrund seiner hohen Energiedichte und dem berührungslosen Energieeintrag wesentliche Vorteile gegenüber konkurrierenden Verfahren. Die Arbeiten des Fachgebietes Fertigungstechnik setzen sich dabei der Prozess- und Systemtechnik, dem Werkstoff sowie der Strahl-Stoff-Wechselwirkung auseinander, um innovative Ansätze zur Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeiten, der erreichbaren Nahtqualitäten sowie der Verarbeitung bedingt schweißgeeigneter Werkstoffe zu entwickeln und umzusetzen.

Thermisches Fügen Kunststoff-Metall

Das thermische Fügen von Metallen mit thermoplastischen Kunststoffen ist ein neuartiger Prozess, der mittels Laser- sowie Widerstandsfügen geführt werden kann. Die Anwendungen erstrecken sich dabei von der Automobilbranche über den Maschinen- und Anlagenbau bis hin zur "weißen Ware" in der Hausgerätetechnik. Das thermische Fügen ermöglicht dabei die direkte Herstellung eines Hybridverbundes ohne zusätzliche Fügeelemente oder Klebstoffe und erlaubt die gleichzeitige Nutzung beider Werkstoffe zur Umsetzung optimierter Bauteilstrukturen. Im Vordergrund der Arbeiten steht dabei die die Verknüpfung von Prozessdesign und resultierenden Werkstoffeigenschaften, dem Alterungs- und Ermüdungsverhalten sowie grundlegenden Betrachtungen zu Grenzfläche und Bindemechanismus.

Prozessdiagnostik

Die Analyse des Laserstrahlprozesses hinsichtlich des Kapillarverhaltens, der Interaktion Kapillare-Schmelzbad sowie daraus resultierende Nahtimperfektionen, bspw. Spritzerbildung, sind ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeiten. Zahlreiche industrielle Anwendungen motivierten zur Identifikation relevanter Mechanismen sowie deren gezielten Manipulation hinsichtlich einer Steigerung der Schweißnahtqualität bei gleichzeitiger Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Der Einsatz geeigneter Hardware, bspw. Hochgeschwindigkeitskameras, und die ständige Weiterentwicklung eigens entwickelter Softwarepakete erlauben dabei die Beschreibung und Quantifizierung der vorliegenden Phänomene.

Metallische Mischverbindungen

Metallische Mischverbindungen bestehen aus Werkstoffen, die als nur bedingt oder nicht schweißgeeignet gelten, deren unterschiedliche Eigenschaften in Kombination jedoch zahlreiche Vorteile im Bereich des Leichtbaus, der Elektromobilität und anderen Forschungsgebieten ermöglichen. Beispielhalft sind hier u.a. die Mischverbindungen Aluminium-Kupfer, Aluminium-Titan oder Stahl-Aluminium anzuführen. Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten liegt in der Modifikation von Prozessen und Systemtechnik, einerseits zur angepassten Temperaturführung und Steuerung der Diffusion zwischen den beteiligten Werkstoffen, andererseits hinsichtlich der Umsetzung von Regelstrategien im gepulsten Laserstrahlschweißen.

Angepasste Intensitätsverteilungen

Die Wechselwirkung Laserstrahl/Werkstoff und das sich in der Folge ausbildende Temperatur-Zeit Profil wird insbesondere bei transienten Lasermaterialbearbeitungsprozessen zu einem großen Teil durch die Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf dem Werkstück bestimmt. Die Prozessoptimierung durch Anpassung der Intensitätsverteilung an die werkstoffliche Situation sowie die geforderten Prozessrandbedingungen birgt großes Potential für zahlreiche Laserprozesse. Hierzu zählt u.a. das Laserstrahltiefschweißen, das laserbasierte thermische Fügen von Kunststoffen mit Metallen sowie Vorwärmprozesse, bspw. für das Rührreibschweißen. Die Anpassung an den Prozess erfolgt sowohl durch empirische Versuche als auch mit Hilfe der numerischen Simulation. In enger Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Technische Optik werden die erarbeiteten Intensitätsverteilungen mit Hilfe diffraktiver optischer Elemente in eigens entwickelte Bearbeitungsoptiken implementiert und getestet.

Schutzgase beim Laserstrahlschweißen

Der Einsatz von Schutzgasen ermöglicht die schweißtechnische Verarbeitung von Werkstoffen, die gegenüber dem atmosphärischen Sauerstoff abgeschirmt werden müssen, um gewünschte Bauteileigenschaften sicherzustellen. Die Berücksichtigung des gesamten Strömungspfades Schutzgaszuführung-Atmosphäre-Prozess-Störkontur bildet dabei einen Schwerpunkt, der in Simulation und Experiment, u. a. mittels Schlierentechnik und Particle Imageing Velocimetry, abgebildet wird. Darüber hinaus kann die Schutzgaszufuhr auch maßgeblich zur Prozessstabilisierung beitragen, u. a. um Schweißgeschwindigkeiten bei spritzeranfälligen Werkstoffen zu erhöhen.

Wechselwirkung Prozess-Metallurgie

Die Wechselbeziehung zwischen Prozess und Metallurgie kann u. a. durch das gezielte Einstellen der Abkühl-/Erstarrungsbedingungen und der Schmelzbadkonvektion beeinflusst werden. Durch Pulsmodulation im Laserschweißprozess sowie die Verwendung angepasster Intensitätsverteilungen können das Temperatur-Zeit-Regime sowie die wirksamen Dehnungen gezielt beeinflusst werden. Diese Strategien ermöglichen u. a. ein heißrissfreies Schweißen von Aluminiumlegierungen (EN AW 6xxx) ohne Zusatzwerkstoff oder das Laserstrahlauftragschweißen artgleicher Nickelbasissuperlegierungen.

Manipulation der Umgebungsbedingungen

Die Manipulation der Umgebungsbedingungen liefert auf Seiten der Grundlagenforschung weitergehende Möglichkeiten zum Ausbau des Prozessverständnisses hinsichtlich der Entstehung von Schweißnahtfehlern sowie der Charakterisierung von Einflussgrößen, bspw. der Oberflächenspannung. Neben der Durchführung von Untersuchungen unter reduziertem Umgebungsdruck bzw. Vakuum ist dabei auch die gezielte Einstellung von atmosphärischen Zusammensetzungen unter gleichzeitiger Messung des Restsauerstoffgehaltes möglich.

Prozess- und Struktursimulation

Die Simulation von Prozessen in der Lasermaterialbearbeitung hängt von diversen Einflussgrößen ab, u. a. der Intensitätsverteilung des Laserstrahles sowie dem Werkstoff, welche das Bearbeitungsergebnis maßgeblich beeinflussen. Der Einsatz von Modellierung und Simulation von Materialbearbeitungsprozessen ermöglicht dabei ein tiefgehendes Prozessverständnis und reicht von analytischen Betrachtungen über die numerische Simulation thermisch-mechanischer Modelle bis zur Mehrphasen-Prozesssimulation des Laserstrahltiefschweißens.

Mikrobearbeitung

Die präzise Materialbearbeitung auf Mikroebene mit hochbrillanten Laserstrahlquellen, beispielsweise für das Laserstrahlschweißen dünner Metallfolien (Foliendicke < 25 µm), die Oberflächenbearbeitung sowie die Oberflächenstrukturierung bildet ein weiteres Forschungsfeld mit dem Ziel die Bearbeitungsqualität, die Reproduzierbarkeit der Prozesse und die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu maximieren und gleichzeitig den thermischen Einfluss des Prozesses lokal zu begrenzen.

Strahldiagnose und Leistungsmessung

Die Intensitätsverteilung des Laserstrahls kann einerseits gezielt durch optische Elemente manipuliert werden, andererseits treten in der Praxis häufig Abweichungen, bspw. ein Fokusshift, aufgrund von Verschmutzungen oder dem Effekt der thermischen Linse auf. Die präzise Kenntnis des Strahlprofils, der Leistungsverteilung sowie der Leistungsdichten ist dabei maßgeblich für gleichmäßige Bearbeitungsergebnisse. Neben Geräten zur Kaustik- und Leistungsmessung von kontinuierlich betriebenen Strahlquellen, besteht die Möglichkeit zur zeitaufgelösten Leistungsmessung gepulster Laserstrahlquellen.