Synchrotron-basierte in situ Analyse wellenlängenabhängiger Prozessphänomene beim Laserstrahlschweißen von Kupfer - Dissertationsschrift

Laserstrahlquellen mit 515 nm Wellenlänge bieten für das Schweißen reflektierender Kupferlegierungen eine Alternative gegenüber etablierten Laserstrahlquellen im nahen Infrarotbereich. Diese Arbeit untersucht mittels hochauflösender Synchrotron-Phasenkontrast-Bildgebung die Prozessphänomene beim Schweißen von CuSn6 und Cu-ETP. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine verbesserte Prozesskontrolle für die anfertigung hochpräziser Schweißnähte und werden für das Laserstrahlschweißen mit örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation eingesetzt.

Der steigende Bedarf an elektrischen Systemen und Batteriespeichern bedarf hochqualitativer und effizienter Schweißprozesse für Kupfermaterialien. Diese bieten höchste elektrische Leitfähigkeit, sind aber gleichzeitig, auf Grund ihrer hohen Reflektivität für Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich, herausfordernd zu bearbeiten. Neuartige Laserstrahlquellen im sichtbaren Wellenlängenbereich von 515 nm bieten, auf Grund des höheren Grundabsorptionsgrads, eine Alternative für etablierte Schweißprozesse. Damit diese Laserstrahlquellen industriell eingesetzt werden können, müssen grundlegende Prozessphänomene verstanden und Unterschiede zu dem aktuellen Stand der Technik bekannt sein. In dieser Arbeit wird das Laserstrahlschweißen von Kupferbasislegierungen in Form von CuSn6 und Cu-ETP mit Laserstrahlquellen von 515 nm und 1030/1070 nm Laserstrahlwellenlänge betrachtet. Dazu wird auf Basis von Phasenkontrast-Bildgebung mit Synchrotronstrahlung eine Diagnosemethodik für den Spezialfall des Laserstrahlschweißens ausgelegt. Dabei werden zeitliche Auflösungen von 5000 Hz und örtliche Auflösungen von 6 µm erreicht. Mit diesem Ansatz werden grundlegende Prozessphänomene in situ beim Schweißen, unter Einsatz der zwei verschiedenen Laserstrahlwellenlängen, untersucht. Im Fokus der Betrachtung stehen dabei die qualitätsbestimmenden Faktoren wie Einschweißtiefe, Schweißnahtbreite und Porosität. Zusätzlich wird durch die hochaufgelöste Visualisierung der inneren Prozessphänomene die Laser-Material-Wechselwirkung in Abhängigkeit von Laserprozessparametern wie Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit analysiert.Durch Einsatz der gewonnen Erkenntnisse wird die Weiterentwicklung einer Schweißmethodik mit überlagerter örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation durchgeführt. Dadurch wird eine Verbesserung der Einschweißtiefenkonstanz am Schweißnahtgrund erreicht und eine flexible Steuerung der Einschweißtiefe ermöglicht. Anhand einer artungleichen Fügekonfiguration aus Kupfe r und Edelstahl im Stumpfstoß, wird die Schweißmethode in der Anwendung demonstriert. Durch eine kombinierte Herangehensweise aus Grundlagenuntersuchung und konsequentem Transfer des Wissens in die Anwendung, trägt diese Arbeit zur Erweiterung des Prozessverständnisses für das Laserstrahlschweißen von Kupfer bei.