Projektdaten

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Simulationsbasierte Optimierung der zeitabhängigen Pulsleistung beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen zur Vermeidung von Heißrissen

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Für die Anwendung - hermetisches Dichtschweißen von elektronischen oder opto-elektronischen Komponenten in der Elektrotechnik mittels Laserstrahl — haben sich die Aluminiumlegierungen der 5xxx und 6xxx-Serie, die eine ausgeprägte Heißrissanfälfigkeit aufweisen, mit einer Dicke von 0,3 mm bis 1,0 mm bei vielen Herstellern aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften etabliert. Durch Anpassung der Prozessparameter — Pulsleistung und lineare Leistungsabfallrate - kann das Temperaturfeld während der Schmelzbaderstarrung beeinflusst werden. Bisher sind beispielsweise empirische Untersuchungen zur Ermittlung der Rampdown-Pulsform als eine einfache Form der Pulsgestaltung vorhanden, um eine heißrissfrei Verbindung herzustellen. Durch die simulationsbasierte Optimierung kann zuverlässig die zeitabhängige Pulsleistung für einen Laserstrahlschweißprozess so bestimmt werden, dass während der Abkühlung des aufgeschmolzenen Bereichs eine struktur- und werkstoffangepasste Erstarrungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird, sodass ein Heißriss vermieden und eine maximale Schweißgeschwindigkeit erreicht wird. Mit Hilfe eines Zielfunktionals, durch welches zu große Erstarrungsgeschwindigkeiten bestraft werden und welches den Gesamtenergieeintrag und den korrekten Ablauf des Schmelz- und Erstarrungsvorganges berücksichtigt, soll durch Lösung eines mathematischen Optimierungsproblems eine freie Anpassung der Pulsform gefunden werden. Zu den Eingangsgrößen zählen Laserleistung unter Berücksichtigung des Einkoppelgrades, Fokusdurchmesser, Regelungszeiten zur Anderung der Laserintensität, Materialdicke, Punktdurchmesser, maximale Pulsenergie, Legierungstypen, Stoßarten. Den KMU wird ein kostenfreies Methodenwerkzeug zur Ermittlung der anwenderspezifischen Pulsform insbesondere für industrierelevante Stoßarten - Stumpfstoß mit 1-Naht, Überlappstoß mit punktüberlappende Nahtschweißung und Kehlnaht - zur Verfügung gestellt, welches eine schnelle Umsetzung in der Praxis ermöglicht.