Strömungsinduzierte Einflüsse auf die Nahteigenschaften beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumwerkstoffen

1 Einleitung (S. 19)

1.1 Motivation und Aufgabenstellung

Mit der rasant voranschreitenden Entwicklung im Bereich der Strahlquellen, die sich in den Scheiben- und Faserlasern neuester Generation manifestiert, treten kontinuierlich neue Anwendungsgebiete für das Laserstrahlschweißen in den Vordergrund. Die mit diesen Geräten erzielbare Ausgangsleistung bei zugleich ausgezeichneter Strahlqualität ermöglicht Aspektverhältnisse, die bislang mit Festkörperlasern als unerreichbar galten.

So bietet sich nun die Möglichkeit, Bauteile mit Wandstärken, die typischerweise nur mittels einer konventionellen Mehrlagenschweißung zu verbinden waren, in einem Durchgang mit dem Laser zu schweißen. Diesen verlockenden ökonomischen Perspektiven sind jedoch klare Grenzen gesetzt. Besonders die aus den steigenden Bauteilanforderungen resultierende kontinuierliche Evolution der Werkstoffe hin zu „shaped materials“, den maßgeschneiderten Werkstoffen für die jeweilige Anwendung, birgt eine Vielzahl an Problemen für thermische Fügeverfahren. Viele dieser Werkstoffe sind ohne zusätzliche Maßnahmen nicht schweißbar.

Abhilfe bietet oftmals eine lokale Änderung der Legierungszusammensetzung, wie sie durch Einbringen eines Zusatzwerkstoffes in das Schmelzbad realisiert werden kann. Dies erfordert jedoch eine möglichst homogene Durchmischung des Schmelzbades mit dem zugeführten Werkstoff. Konnte das Laserstrahlschweißen als hochdynamischer Prozess diese Durchmischung bislang in den meisten Fällen ohne weitere Maßnahmen gewährleisten, zeichnet sich mit den steigenden Einschweißtiefen und Aspektverhältnissen hier ein Handlungsbedarf ab.

Die zunächst einzige Möglichkeit, Einfluss auf die Verteilung des eingebrachten Zusatzwerkstoffes innerhalb des Schmelzbades zu nehmen, stellt die im Laserschweißprozess selbst generierte Schmelzbadströmung dar. Dazu ist es nötig, die einzelnen Strömungskomponenten möglichst gezielt zu verstärken oder zu verringen. Unglücklicherweise sind Ausprägung und Verlauf dieser einzelnen Strömungskomponenten noch nicht vollständig erfasst, geschweige denn die Einflussgrößen eindeutig identifiziert. Daher ist es trotz der Vielzahl an Simulationsrechungen noch nicht gelungen, ein vollständiges numerisches Modell der Schmelzbadströmung zu erstellen.

Dies bedeutet, dass die Einflussgrößen auf die Schmelzbadströmung und deren Relevanz derzeit nur empirisch ermittelt werden können. Neben der Durchmischung des Schmelzbades mit Zusatzwerkstoff ist natürlich auch der mit den Strömungen innerhalb des Schmelzbades stattfindende Energietransport ein weiterer interessanter Aspekt.

So schlägt sich der Verlauf der Schmelzbadströmung nicht nur in der Verteilung des Zusatzwerkstoffes, sondern selbstverständlich auch in der Gestalt des Nahtquerschnittes nieder. Eine gezielte Beeinflussung der Schmelzbadströmung ermöglicht somit auch in gewissem Umfang eine Formung des Nahtquerschnittes. Die Beobachtung, dass in Abhängigkeit des eingesetzten Schutzgases eine Änderung von Nahtbreite und Einschweißtiefe bei sonst gleichen Prozessparametern möglich ist, illustriert das diesbezügliche Potenzial.

In dieser Arbeit wird am Beispiel von Aluminiumlegierungen gezeigt, welche Auswirkungen eine Variation unterschiedlicher Prozessgrößen auf die Schmelzbadströmung und damit auf die Nahtgeometrie und die Verteilung des eingebrachten Zusatzwerkstoffes hat. Da die derzeit für Simulationsrechnungen verfügbaren Modelle zur Fluiddynamik innerhalb des Schmelzbades jeweils nur Teilaspekte abbilden können, werden die im Zuge dieser Arbeit gemachten Beobachtungen nur auf mit derzeit als plausibel erscheinenden Einzelaspekte theoretischer Beschreibungen in Einklang gebracht.

Diese Arbeit soll damit das Potenzial der Einflussnahme auf die Schmelzbaddynamik aufzeigen, sowie erste Ansätze zur effizienten Nutzung der sich bietenden Perspektiven vorschlagen.

1.2 Aufbau der Arbeit

Ausgehend von den grundlegenden Mechanismen des Laserstrahlschweißens sowie der Vorstellung der fundamentalen Strömungskomponenten innerhalb des Schmelzbades, wird im nachfolgenden Kapitel explizit auf die Besonderheiten der Aluminiumwerkstoffe und deren Schweißeignung eingegangen. Die Qualitätsaspekte, insbesondere die Möglichkeiten zur Steigerung der Schweißnahtqualität, stehen dabei im Vordergrund. Nach einer kurzen Erläuterung zur eingesetzten Systemtechnik in Kapitel 3 werden in Kapitel 4, dem Hauptteil der Arbeit, die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Schmelzbaddynamik vorgestellt und analysiert.

Zunächst wird auf den Einfluss der das Schmelzbad umgebenden Schutzgasatmosphäre eingegangen. Diese stellt sicherlich den am einfachsten zu beeinflussenden Prozessparameter dar. Nach der phänomenologischen Beschreibung der Auswirkungen unterschiedlicher Atmosphären auf die Oberraupenqualität, die Nahtgeometrie sowie die Siliziumverteilung als Indikator für die Beeinflussung der Schmelzbadströmung wird anschließend versucht, die gemachten Beobachtungen mittels einer Modellvorstellung mit dem Stand der Kenntnis in Einklang zu bringen.