GFB - Green Factory BAVARIA

Energieeffizientes Laserstrahlfügen von Karosseriewerkstoffen mittels innovativer Strahlquellen und Strahloszillationsstrategien

Zielsetzung

Direkt-Diodenlaser zeichnen sich im Vergleich zu konventionellen Strahlquellen bei dem Laserstrahlschweißen durch einen um über 25 % verringerten Energieverbrauch aus und eröffnen anhand einer optimalen Auslegung der Wellenlänge weitere Energieeinsparpotentiale. Da bislang weder das Energieeinsparpotential von Direkt-Diodenlasern für den Karosseriebau noch Direkt-Diodenlaser an sich untersucht wurden, fehlen in diesem Zusammenhang detaillierte Erkenntnisse hinsichtlich der Prozessdynamik und des Prozessfensters. Folglich wird in dem Projekt ELIS eine umfangreiche Betrachtung der innovativen Direkt-Dioden-Strahlquelle anhand von numerischen Simulationen einerseits und experimentellen Untersuchungen andererseits vorgenommen, um den gegenwärtigen Nachteilen bezüglich des Prozesswissens beim Schweißen zu beseitigen. Durch den Vergleich der neuartigen Strahlquelle mit konventionellen Laseranlagen (wie beispielsweise einem Scheibenlaser) bezüglich der sich ergebenden Prozessdynamik, Schweißnahtqualität und Energieeffizienz wird festgestellt, für welche Anwendungen und unter welchen Bedingungen Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser in der industriellen Fertigung verwendet werden können. Durch die Ermittlung optimaler Prozessparameter und Laserwellenlängen für das Schweißen von Stahlblechen und der im Leichtbau wichtigen Aluminiumlegierungen wird sichergestellt, dass die neuartigen Strahlquellen mit der höchstmöglichen Effizienz in der Automobilfertigung eingesetzt werden können.



Lösungsansätze

Um die Energieeffizienzsteigerung anhand einer Prozesssimulation untersuchen zu können, bedarf es neben der Anpassung des Modells an die gängigen Karosseriewerkstoffe auch einer flexiblen Implementierung der Strahlprofile, welche durch die Direkt-Diodenlaser ermöglicht werden. Zur Validierung des numerischen Modells, insbesondere im Hinblick auf die Energieeinbringung in das Werkstück, werden neben Untersuchungen der Fluiddynamik mittels Hochgeschwindigkeitskamera-Aufnahmen (HS-Aufnahmen) auch metallurgische Untersuchungen und Überprüfungen durch Thermoelement-Messungen herangezogen. Im Anschluss daran werden anhand des Modells messtechnisch schwer zugängliche Prozessgrößen untersucht, um letztendlich eine modellhafte Beschreibung der Prozessdynamik erstellen zu können. Darüber hinaus erfolgt eine Parameterstudie zur Optimierung der Energieeffizienz des Laserstrahlschweißprozesses mit den Direkt-Diodenlasern bei den interessierenden Karosseriewerkstoffen Stahl und Aluminium anhand von HS-Aufnahmen und einem Vergleich der Versuche mit alternativen Strahlquellen. Letzteres dient dazu den Unterschied in der Prozessdynamik, der Schweißnahtqualität und der Energieeffizienz zu bestehenden Strahlquellen aufzuarbeiten.



Ergebnisse

Bei den Abgleichversuchen mit Stahlblechen hinsichtlich Nahtbreit, Nahttiefe und Nahtquerschnittsfläche ergaben sich hohe Übereinstimmungen zwischen experimentellen Untersuchungen und der Simulation. Insbesondere die Nahtquerschnittsfläche ist hierbei zu betonen, da diese ein Maß für die Energieeffizienz des Prozesses darstellt und folglich zur Analyse der Energieeffizienz dient (vgl. Abbildung 1 und 2). Ferner ließ sich bei der Untersuchung der Fluiddynamik durch die Vermessung des Winkels zwischen der Dampffackel und der Werkstückoberfläche ebenfalls eine hohe Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen ausmachen (vgl. Abbildung 3). Diese Untersuchungen dienen in erster Linie dazu, die Eignung des Modells hinsichtlich der Prozessdynamik validieren zu können. Darüber hinaus wurde die flexible Implementierung des Strahlprofils erfolgreich in das Modell eingearbeitet, wodurch zukünftig beliebige real vermessene Strahlprofile in dem Simulationsmodell darstellbar sind. Zudem erfolgte eine Anpassung des Modells an den Karosseriewerkstoff Aluminium, wozu u.a. temperaturabhängige Messungen des Absorptionskoeffizienten an gängigen Aluminium-Legierungen vorgenommen wurden. Die bis dato erzielten Ergebnisse bestätigen die Eignung des Simulationsmodells hinsichtlich des beabsichtigten Einsatzes zur Untersuchung der Energieeffizienz des Schweißprozesses.



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  Dipl.-Math. Dipl.-Ing. (FH)
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