2. Struktur und Profillinien - ifw Jena

7. Ausgewählte Forschungs- und
Entwicklungsergebnisse
7.1
Flachglasschweißen mit
Laser von borosilikatischen
Gläsern
Bild 1:
Ofenkammer mit Vorrichtungen für Vorschub
und Justage des Glasmaterials im
erwärmten Zustand, sowie Scannerkopf
Bild 2:
Prinzip Laserstrahlschweißen von Flachglas
mittels Ofenkammer
Bild 3:
Querschliff durch Schweißnaht
Ansprechpartner:
Dr. -Ing. H. Müller
E-Mail: hmueller@ifw-jena.de
Projektträger:
BMWi / FhS Frauenhofer Services GmbH
Förder-Nr.: 1088/00
Aufgabenstellung
Borosilikatische Gläser konnten
bisher wegen ihrer Materialeigenschaften
nicht mit befriedigender
Qualität lasergeschweißt werden.
Auf Grund der Ausdehnungskoeffizienten
kommt es bei höheren
Temperaturgradienten im Glas zu
Spannungsrissen. Das Absorbtionsverhalten
der Laserstrahlung an
der Glasoberfläche und die geringe
Wärmeleitfähigkeit des Glases
erschweren eine ausreichende
Durchwärmung der Fügezone. Der
Schweißprozess ist mit einem geeigneten
Temperaturregime zu
überlagern, um diese Probleme zu
lösen.
Die konkrete Aufgabenstellung
besteht darin, borosilikatisches
Flachglasmaterial für die weitere
Verarbeitung zu Endlosbändern zu
fügen. Gefordert wird eine blasenund
spannungsfreie Verbindung
reproduzierbarer Qualität, mit Festigkeitswerten
vergleichbar dem
Grundmaterial.
Das Verfahren
Die neue Verfahrenslösung nutzt
einen Hybridprozess aus Strahlund
Wärmeenergie, wobei das
Flachglas in der Ofenkammer bis
nahe des TG-Punktes erwärmt und
mit dem Laserstrahl verschweißt
wird (Bild 2). Das Glas durchläuft in
der Kammer ein angepasstes Temperaturregime,
um einen quasi
spannungsfreien Zustand der Glasverbindung
zu ermöglichen.
Der wesentliche Vorteil der eingesetzten
Lasertechnologie gegenüber
konventionellen Methoden ist
in der reproduzierbar hochwertigen
Schweißnahtqualität zu sehen (Bilder
3, 4). Vorteilhaft für diese Anwendung
ist ebenfalls, dass die
Wärmeeinflusszone, für die T>TG
gilt, sehr schmal gehalten werden
kann.
Die Umsetzung
Mit Hilfe eines langbrennweitigen
Spiegelscanners wird ein CO2-
Laserstrahl in die speziell entwickelte
Ofenprozesskammer (Bild 1)
gelenkt. Ein mehrfaches Abscannen
mit zirka 3 m/s sorgt für eine
quasisimultane Erwärmung der
Schweißnaht mit konstantem Temperaturverlauf.
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Nach erfolgtem Schweißprozess
kann ein temperaturgesteuerter
Kühlprozess gefahren werden, um
eine spannungsarme Verbindung
sicherzustellen.
Das Flachglas liegt innerhalb der
Ofenkammer auf Keramikrollen, die
von außen angetrieben werden
können. Mit Hilfe einer optischen
Kantenerkennung und pneumatischer
Spannelemente wird das
Glas so im heißen Ofen positioniert
und für den Fügeprozess justiert
und fixiert. Während des
Schweißprozesses werden die
Glasteile CNC gesteuert
zueinander gestaucht und
gestreckt, um die Ausbildung der
Nahtgeometrie gezielt beeinflussen
zu können.
Ergebnisse
In den Bildern 3 u. 4 sind typische
erreichbare Glasverbindungen von
zwei borosilikatischen Flachgläsern
der Stärke 1.5mm und dem Ausdehnungskoeffizienten
von α=3,3
•10 -6 k -1 abgebildet. Eine leichte
Überhöhung der Naht an Ober- und
Unterseite garantiert sehr gute
Festigkeitswerte der Verbindungsstelle.
Vorerst erlaubt die Ofenkammer
Nahtbreiten von 150 mm. Die Bauteillänge
ist quasi unbegrenzt, so
dass auch „Endlosbänder“ geschweißt
werden können. Durch
großräumige Wärmekammern besteht
auch die Möglichkeit, beliebige
Freiformflächen unterschiedlichster
Glaserzeugnisse zu verschweißen.
Darüber hinaus bietet
die temperaturgesteuerte Prozesskammer
auch die Möglichkeit, sehr
unterschiedliche silikatische Werkstoffe
zu verbinden.
Bild 4:
Lasergeschweißte Glasplatten, 1.5mm
stark, 100mm breit