Das Laserschweißenmit einem Faserlaser wurde in der Vergangenheit mithilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen eingehend untersucht. Diese Aufnahmen ermöglichen es, die Dynamik des geschmolzenen Metalls und des Dampfes (als „Schlüsselloch“ bezeichnet) zu untersuchen, die während des Schweißvorgangs entstehen. Normalerweise wird die Kamera über dem Werkstück positioniert und beobachtet das Geschehen an der Oberfläche. Was jedoch im Inneren des „Keyhole“ vor sich geht, war bisher ein Rätsel. 

Wie können wir einen Blick ins Innere werfen? In der Vergangenheit wurden zu diesem Zweck Röntgenvideos verwendet, die jedoch nie ausreichende Details lieferten, da die Röntgenstrahlungsquellen nicht leistungsstark genug waren. Im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der Production Technology Group der Technischen Universität Ilmenau unddem Coherent Applications Lab in Hamburg wurde der Einsatz einer weitaus leistungsstärkeren Röntgenstrahlungsquelle als je zuvor ins Auge gefasst. Die Idee bestand darin, Röntgenstrahlung einzusetzen, die stark genug ist, um festen Metall durchdringen zu können.

Dies würde es ermöglichen, hochauflösende Aufnahmen des Schweißprozesses aus der Seitenansicht zu erhalten. Die Seitenansicht würde weitaus nützlichere Informationen liefern – insbesondere die genaue Form und Entwicklung des Keilspalts während des Schweißens.

Verbesserung des ARM-Laserschweißens mit einem Faserlaser

Mit diesem Ansatz wollte die Forschungsgruppe insbesondere die genaue Funktionsweise des Coherent Adjustable Ring Mode (FL-ARM)-Lasers untersuchen. Wir wissen bereits, dass der FL-ARM-Laser beeindruckende Ergebnisse beim rissfreienSchweißen von hochfestem Stahl, beim Schweißen von Aluminium ohne Zusatzdraht und beim erfolgreichen Schweißen von Kupfer liefert. Und wir wissen, dass dies auf der Fähigkeit des ARM-Lasers beruht, die Erwärmung und Abkühlung des Materials während des Schweißprozesses präzise zu steuern. Doch nicht immer verstehen wir jedes Detail, wie das alles genau abläuft. Das Team hat sich daher insbesondere auf einige der kritischsten und anspruchsvollsten Anwendungen von Faserlasern bei verschiedenen Schweißaufgaben in der Elektromobilität konzentriert. Konkret ging es um das Schweißen von Kupfer, Aluminium und anderen traditionell „schwer“ schweißbaren Werkstoffen – oft mit sehr dünnen, wärmeempfindlichen Blechen. Außerdem interessierte man sich für die Untersuchung des sogenannten „Profilschweißens“. Dieses Verfahren wird häufig bei der Herstellung von Rohren eingesetzt.

Ziel dieser Forschung war es, ein besseres Verständnis dafür zu gewinnen, wie diese Prozesse funktionieren, indem die Abläufe und die Dynamik des Keyholes visualisiert und die Auswirkungen verschiedener Leistungsverteilungen des ARM-Lasers auf die Spritzbildung beim Schweißen von Kupferwerkstoffen beobachtet wurden. Ziel war es natürlich, die Ergebnisse zu verbessern und zuverlässigere Fertigungsmethoden zu entwickeln.

Europäische Synchrotronstrahlungsanlage

Weltweit gibt es nur wenige Einrichtungen, die ausreichend leistungsstarke Röntgenstrahlung erzeugen können, um die gewünschte Art der Bildgebung durchzuführen. Eine dieser Einrichtungen ist die Europäische Synchrotronstrahlungsanlage „Extremely Brilliant Source“ (ESRF-EBS) im französischen Grenoble. Es wurde speziell für die Bedürfnisse von Forschern in den Bereichen Gesundheitswesen, saubere Energie, Materialwissenschaften, Kunst und Anthropologie errichtet. 

Das Synchrotron selbst ist ein Rohr mit einem Umfang von 844 Metern, das innen ein Vakuum enthält. Elektronen umkreisen das Rohr und werden dabei fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Magnete entlang der Bahn dienen dazu, die Flugrichtung der Elektronen schnell zu ändern. Bei dieser Richtungsänderung senden die Elektronen außerordentlich starke Röntgenstrahlung aus. Diese Röntgenstrahlung wird dann in eine oder mehrere der 44 verschiedenen „Lichtlinien“ geleitet. Die Lichtlinien beherbergen Labore und zugehörige Geräte, die zur Durchführung der eigentlichen Forschung genutzt werden.

Experimente jenseits der üblichen Grenzen

Ein Forscherteam von Coherent Labs hat eine Schweißanlage zusammengestellt, die einen 8-kW-Faserlaser vom Typ HighLight FL-ARM umfasste. Eine Forschungsgruppe der Technischen Universität Ilmenau entwarf und baute eine Vorrichtung zur Halterung und Bewegung der Bauteile während des Schweißvorgangs sowie die Optik und das System zur Zufuhr von Schutzgas. Die gesamte Ausrüstung wurde in einer „Versuchskabine“ (einem Raum, der vollständig von einer 75 mm dicken Bleihülle umgeben ist) an einer der Lichtlinien untergebracht. Das Schweißen erfolgte computergesteuert, während der Prozess Röntgenstrahlung ausgesetzt war. Ein Kamerasystem, das Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umwandelt, zeichnete den Vorgang mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50.000 Bildern pro Sekunde auf. Ein 14-köpfiges Team arbeitete sieben Tage lang in vier Schichten und führte mehrere hundert einzelne Schweißversuche an verschiedenen Metallen durch, darunter Edelstahl, Kupfer und Aluminium.

Das Ergebnis der Tests waren 14 TB Daten zur Analyse. Deren Auswertung wird daher noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Bereits die ersten Ergebnisse zeigten jedoch, dass bei einer geeigneten Leistungsverteilung (etwa gleiche Leistung im zentralen und in den Randstrahlen) das Schmelzloch stabilisiert wird und an der Basis keine Verengung auftritt. Ist die Leistung im zentralen Strahl hingegen zu hoch, verjüngt sich die Kapillare an der Basis. Dies führt zu Materialspritzern und der Bildung von Poren. Ist die Leistung im Randstrahl zu hoch, fließt das geschmolzene Material in das Schlüsselloch, verdampft dort schlagartig und verursacht Materialausspritzungen.

Darüber hinaus wurde der Einfluss von Schutzgasen auf die Kapillarbildung untersucht. Diese Erkenntnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der Schweißprozesse, was zu Verbesserungen im Bereich des Faserlaserschweißens und zu einer Ausweitung seiner Anwendungen in der industriellen Fertigung führen könnte.

Insgesamt hat diese Zusammenarbeit zwischen Forschern der Technischen Universität Ilmenau und dem Coherent Applications Lab in Hamburg zu einem besseren Verständnis der Prozesse beim Faserlaserschweißen geführt, insbesondere beim Einsatz des Coherent Adjustable Ring Mode (FL-ARM)-Lasers. Die Ergebnisse dieser Forschung könnten zu verbesserten Schweißverfahren und einer Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Faserlasern in der industriellen Fertigung führen.