Laser-Remoteschweißen von Metallen auf der Grundlage einer anwendungsorientierten Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Nanopartikeln und hochbrillanter Laserstrahlung (LaRemo)

TEM-Aufnahmen von Nanopartikeln, die sich während des Laserschweißens von Edelstahl gebildet haben. Links: Ausgangsleistung 1 kW. Rechts: Ausgangsleistung: 1,6 kW.

Neueste Entwicklungen im Bereich von hochbrillanten Strahlquellen, die eine hohe Ausgangsleistung mit einer sehr guten Strahlqualität kombinieren, bieten neue Potentiale in der Lasermaterialbearbeitung. So werden durch die Einbindung dieser Hochleistungslaser innovative Weiterentwicklungen von Laser-Remotebearbeitungsprozessen ermöglicht. Die Grundlage bildet hierbei die Strahlumlenkung mittels Spiegeleinheit oder fokussierendem Linsensystem, wobei der Arbeitsabstand zwischen der strahlformenden Einheit und dem Werkstück im Bereich bei den meisten Anwendungen zwischen 0,5 m und 1,5 m liegt. Schon kleine Bewegungen führen zu großen Ablenkungen des Laserstrahlfokus auf der Werkstückoberfläche. Durch diese Fertigungsstrategie können auf der einen Seite die entsprechenden Bearbeitungsgeschwindigkeiten (z.B. beim Laserstrahlschweißen oder -schneiden) erhöht werden. Auf der anderen Seite kann der Laserstrahl sehr schnell zwischen den einzelnen Prozesszonen bewegt werden, so dass insgesamt die Taktzeiten bei der Produktion verringert werden können. Die Hauptanwendung dieser Technologie liegt im Karosseriebau.
Im Gegensatz zu konventionellen Laserbearbeitungsverfahren, bei denen ein strahlformender und fokussierender Bearbeitungskopf mit geringem Abstand (< 5 mm) über das Bauteil geführt wird, kann man jedoch nur bedingt auf die einhergehende Metalldampfbildung während der Bearbeitung einwirken. Die damit verbundenen Wechselwirkungsmechanismen können die maximal mögliche Bearbeitungsgeschwindigkeit signifikant herabsenken und die Bearbeitungsqualität stark beeinflussen. Die Beeinflussung der Bearbeitungsqualität bezieht sich hierbei unter anderem auf eine abnehmende Festigkeit von Schweißnähten. Besonders die Nanopartikelbildung im Metalldampf und die damit verbundenen Strahlleistungsverluste durch Streuung und Absorption können auf den Bearbeitungsprozess einwirken.

Aufbauend auf bisherigen Ergebnissen und Erkenntnissen wird die Auswirkung der dynamischen Partikelbildung auf das Laser-Remoteschweißen untersucht. Dabei stehen folgende Schwerpunkte im Mittelpunkt:

• Analyse der Schweißnahtgeometrie: Mittels Lichtbildaufnahmen können Rückschlüsse auf Veränderungen der Schweißnähte nach der Bearbeitung gezogen werden. Über Querschliffe soll ebenfalls auf Veränderungen der Schweißnahtgeometie und -qualität im Bezug zur Tiefe eingegangen werden.
• Bestimmung der Partikelgrößenverteilung: Für die experimentelle Bestimmung der Partikelgrößenverteilung werden Aufnahmen mittels Transmissionselektronenmikroskops (TEM) der Nanopartikel ausgewertet.
• Analyse der Plasmastrahlung: Über das Spektrum der Plasmastrahlung kann auf für die Partikelbildung relevante Parameter zurückgeschlossen werden (z.B. Elektronendichte und Metalldampftemperatur). Von besonderem Interesse sind ebenfalls die zeitlichen Entwicklungen dieser Parameter und das Verhalten im Bezug zur Partikelentwicklung im Metalldampf. 
• Aufnahmen des Prozesses mittels Hochgeschwindigkeitskamera für die Analyse der Prozessdynamik. 
• In-situ-Analyse der Partikeldichte und mittleren Partikelgröße über das Drei-Wellenlängen-Extinktionsverfahren: Die Strahlen von 3 Testlasern mit unterschiedlichen Wellenlängen werden gleichzeitig durch den Metalldampf geleitet. Über die Verhältnisse der jeweiligen durch den Metalldampf transmittierten Leistungen zueinander kann auf die Parameter zurückgeschlossen werden. Die Anwendung dieses Verfahrens auf den hochdynamischen Laser-Remoteschweißprozess erfordern hohe Ansprüche an den experimentellen Aufbau, die Signalaufnahme und -auswertung. 
• Modellierung des Laser-Remoteschweißens von Metallen unter Berücksichtigung der Partikelbildung im Metalldampf unter Berücksichtigung der Randbedingungen beim Laser-Remoteschweißen.