Forscher nutzten leistungsstarke Röntgenstrahlen, um hochauflösende Bilder des ARM-Laserschweißprozesses zu erhalten und gingen tiefer in den Schweißprozess ein, um bessere Prozesse zu entwickeln.
Ingenieure im Anwendungslabor von Coherent haben mithilfe von Röntgenstrahlen den Faserlaserschweißprozess genauer unter die Lupe genommen.
Was passiert beim Laserschweißen unter der Oberfläche?
In der Vergangenheit haben Forscher den Faserlaserschweißprozess ausführlich mithilfe herkömmlicher Hochgeschwindigkeitsvideos untersucht. Hochgeschwindigkeitsvideos bieten eine Referenz für die Untersuchung der Dynamik der während des Schweißprozesses entstehenden Pools aus geschmolzenem Metall und Dampf (sogenannte „Durchkontaktierungen“).
Typischerweise wird eine Kamera über dem Teil platziert, um das Geschehen auf der Schweißoberfläche von oben nach unten aufzuzeichnen. Allerdings passiert in einem kleinen Loch viel mehr, als man von oben sehen kann.
Wie können Sie die Veränderungen, die innerhalb des Teils stattfinden, wirklich verstehen? Das hat man früher mit Röntgenvideos gemacht. Diese Videos lieferten jedoch nie genügend Details, da die Röntgenquelle nicht leistungsstark genug war.
In einer Forschungskooperation zwischen dem Team für Produktionstechnik der Technischen Universität Ilmenau und dem Coherent Application Laboratory in Hamburg stellten sie sich den Einsatz einer Röntgenquelle vor, die leistungsstärker als je zuvor ist, um die Veränderungen zu erkennen, die im Inneren eines Teils auftreten indem man es direkt durch massives Metall leitet. Dadurch können hochauflösende Bilder des Schweißvorgangs von der Seite betrachtet werden, sodass die genaue Form und Entwicklung kleiner Löcher während des Schweißvorgangs erkennbar ist.
Verbesserung der ARM-Faserlaser-Schweißleistung
Das Team nutzte diesen Ansatz, um den Betrieb des Coherent Tunable Annular Mode Fiber Laser (FL-ARM) zu untersuchen, der erstaunliche Ergebnisse lieferte – rissfreies Schweißen von hochfesten Stählen, Aluminiumschweißen ohne Zusatzdraht und erfolgreiches Schweißen von Kupfer. Dies war größtenteils auf die Fähigkeit des ARM-Lasers zurückzuführen, die Erwärmung und Abkühlung des Teils während des Schweißprozesses präzise zu steuern; Wir haben jedoch nicht vollständig verstanden, wie dies geschah und welche Nuancen die einzelnen Schritte hatten.
Das Team untersuchte den Schweißprozess von Faserlasern beim Schweißen von Kupfer, Aluminium und anderen sehr dünnen, wärmeempfindlichen Platten, die schwieriger zu schweißen sind. Sie untersuchten die Funktionsweise all dieser Prozesse genauer, indem sie den Schweißprozess visualisierten, die Dynamik kleiner Löcher aufdeckten und die Auswirkung unterschiedlicher ARM-Laserleistungsverteilungen auf die Spritzerbildung beim Schweißen von Kupfermaterialien verstanden. Oberstes Ziel der Forschung ist es, die Schweißergebnisse zu verbessern und zuverlässigere Produktionsmethoden zu entwickeln.
Europäische Synchrotronstrahlungsgeräte
Es gibt nur eine Handvoll Geräte auf der Welt, die Röntgenstrahlen erzeugen können, die stark genug sind, um die Art von Bildgebung durchzuführen, die das Team benötigt. Eine der bekanntesten Quellen für leistungsstarke Röntgenstrahlen ist die European Synchrotron Radiation Facility Extremely Bright Source (ESRF-EBS) in Grenoble, Frankreich, die sich auf die Betreuung von Forschern in so unterschiedlichen Bereichen wie Gesundheit, saubere Energie, Materialwissenschaften usw. spezialisiert hat Kunst und Anthropologie, und das sogar zur Untersuchung von Bienenstöcken und 119-Millionen Jahre alten Fischfossilien verwendet wurde.
Das Synchrotron selbst ist eine Röhre mit einem Umfang von 844 Metern und einem sehr hohen Innenvakuum. Elektronen umgeben es und werden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Mithilfe von Magneten rund um den Ring ändern die Elektronen schnell ihre Bewegungsrichtung. Dabei emittieren die Elektronen ungewöhnlich energiereiche Röntgenstrahlen.
Diese Röntgenstrahlen werden dann nach unten in eine oder mehrere von 44 verschiedenen „Strahllinien“ geleitet. Diese Strahllinien befinden sich in den Laboren und Instrumenten, in denen die eigentliche Forschung stattfindet.
Bild 1: Ingenieure des Coherent Applications Laboratory verwendeten sehr starke Röntgenstrahlen, um eine hochauflösende Querschnittsansicht des ARM-Laserschweißprozesses in der European Synchrotron Radiation Facility zu erhalten.
Das Team des Coherent Applications Lab stellte einen Schweißaufbau zusammen, der einen 8-kW-HighLight-FL-ARM-Faserlaser umfasste. Eine kleine Gruppe von Forschern aus dem Team Produktionstechnik der Technischen Universität Ilmenau baute einen Mechanismus zum automatischen Halten und Bewegen von Teilen während des Schweißvorgangs sowie eine Fokussieroptik und ein Hilfsgaszufuhrsystem.
Die gesamte Ausrüstung wurde zum ESRF gebracht und in einer der Strahllinien in einer „Experimentierkammer“ (einem Raum, der vollständig mit einer 75 mm dicken massiven Bleiabschirmung umhüllt war) untergebracht. Die Forscher saßen sicher in einem anderen Raum in einiger Entfernung und führten computergesteuerte Lötarbeiten durch, während sie das Gerät Röntgenstrahlen aussetzten. Ein Kamerasystem, das die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt, zeichnet den Schweißvorgang mit 50.{5}} Bildern pro Sekunde auf. Das Team führte Hunderte einzelner Schweißtests an verschiedenen Metallen durch, darunter Edelstahl, Kupfer und Aluminium.
Welche Informationen lieferte dieser Prozess? Das sind 14 Terabyte an Daten, die analysiert werden müssen, und es wird einige Zeit dauern, diese Frage vollständig zu beantworten. Aber wie wir bei den Kupferschienen-Schweißversuchen gesehen haben, zeigt das Video deutlich: Bei richtiger Stromverteilung (ungefähr gleiche Leistung im Mittelstrahl und Ringstrahl) verhalten sich die kleinen Löcher stabil und es gibt keine Verengung am Boden der kleinen Löcher; Bei zu hoher Center-Spot-Leistung hingegen verengen sich die Kapillaren am Boden, was zu Spritzern und der Bildung von Luftlöchern führt; und wenn die Ringleistung zu hoch ist, fließt das geschmolzene Material in die kleinen Löcher über, verdampft plötzlich und führt zum Materialauswurf.
Darüber hinaus untersuchte das Team die Wirkung von Schutzgas auf die Bildung von Kapillarrohren und diese Ergebnisse liefern einen tieferen Einblick in das Profilschweißen.
Eine weitere Analyse der Daten wird dazu beitragen, besser und genauer zu verstehen, wie sich die Leistungsverhältnisse zwischen Mittel- und Ringstrahl auf die Ergebnisse verschiedener Schweißprozesse auswirken. Dieses Wissen wird Coherent Application Labs dabei helfen, robustere und konsistentere Schweißprozessformulierungen zu entwickeln und Kunden bessere und noch schnellere Schweißnähte zu bieten.
