Laserschweißen: Schneller und stabiler durch Pendeln
16.09.2005

Abb. 1: Zusammenbauzeichnung eines 1kHz-Galvanomter Scanners

Ziel eines Forschungsvorhabens am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist die Erhöhung von Prozessgeschwindigkeit und -stabilität beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumwerkstoffen durch Pendelung der Laserstrahlung. Dieses ist notwendig, da das Laserstrahlschweißen von Al-Werkstoffen aufgrund der niedrigen Schmelzbadviskosität und des vergleichsweise großen Schmelzbadvolumens häufig nur durch den Einsatz von Doppelfokusoptiken beherrscht wird. Für das Laserstrahlschweißen mit Doppelfokus werden vergleichsweise hohe Laserleistungen und Streckenenergien benötigt. Neben wirtschaftlichen Nachteilen resultieren aus dem hohen Energieeintrag erhöhter Bauteilverzug und Nahtdurchhang. Daher ist die Entwicklung einer Schweißtechnik sinnvoll, mit der Aluminiumwerkstoffe mit geringerer Laserleistung und Streckenenergie prozesssicher geschweißt werden können.

Das LZH setzt die aus der Elektronenstrahlschweißtechnik hochfrequente Pendelung der Strahlung auf dem Werkstück ein. Diese Technik soll mittels einer zu entwickelnden angepassten Optik auf das Laserstrahlschweißen übertragen werden, um Möglichkeiten der aktiven Beeinflussung der Kapillargeometrie und somit der Prozessstabilität auch bei hohen Schweißgeschwindigkeiten zu schaffen. Die Einflüsse der Pendelparameter auf die Kapillargeometrie sowie deren Auswirkungen auf die Schweißnahtqualität sollen anhand von Musterbearbeitungen für Aluminiumwerkstoffe und später auch für ausgewählte Stähle erarbeitet werden. Erste Ergebnisse wurden für 1 mm AA5182 (Aluminium) mit einem Doppelfokus-Kopf im Überlappstoß durchgeführt. Hierbei wurde die Vorschubgeschwindigkeit solange gesteigert, bis sich noch eine Wurzel ausgebildet hat. Eine Fokuslagenvariation bei diesen maximalen Vorschubgeschwindigkeiten ergab, dass bei -0,5 bis -1,0mm die höchsten Vorschubgeschwindigkeiten bei erkennbarer Wurzelausbildung erreicht werden können.

Um einen Anhaltspunkt für die erforderlichen Pendelfrequenzen zu finden, wurde in einem ersten Teilschritt ein 1kHz Galvanometerscanner konstruiert und aufgebaut. Der Scanner soll helfen, den Einfluss eines Strahlpendelns auf den Tiefschweißprozess generell charakterisieren zu können. Die Erkenntnisse aus diesem vom AiF unterstützen Projekt (Laufzeit bis 28.02.2006) sollen auf weitere Al-Legierungen und ausgewählten verzinkte Stahlwerkstoffe ausgedehnt werden. Ein Resonanzscanner mit bis zu 10kHz Pendelfrequenz befindet sich im Aufbau. Die Untersuchungen werden mittels High-Speed-Aufnahmen dokumentiert.

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Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des Niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.