SB_20707NLP

2021
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Höchste Qualität und
Effizienz beim Laserschweißen
von Aluminiumund
Kupferlegierungen bei
Skalierung zu sehr schnellen
Vorschüben und hoher
mittlerer Leistung

Höchste Qualität und Effizienz
beim Laserschweißen von
Aluminium- und
Kupferlegierungen bei
Skalierung zu sehr schnellen
Vorschüben und hoher mittlerer
Leistung
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.707 N
DVS-Nr.: 06.3069
Universität Stuttgart,
Institut für Strahlwerkzeuge
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.707 N / DVS-Nr.: 06.3069 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 520
Bestell-Nr.: 170630
ISBN: 978-3-96870-520-0
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.707N
Inhaltsverzeichnis
Thema ............................................................................................................................. 1
Berichtszeitraum .............................................................................................................. 1
Forschungsvereinigung ................................................................................................... 1
Forschungseinrichtung(en) .............................................................................................. 1
Förderhinweis .............................................................................................................. 3
Einleitung ..................................................................................................................... 3
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ......................................... 3
Angaben zu den aus Zuwendungen finanzierten Ausgaben ........................................ 4
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ............................... 4
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KmU ............ 5
Stand der Forschung und Entwicklung ........................................................................ 7
Arbeitshypothese ....................................................................................................... 10
Arbeitsplan ................................................................................................................. 14
Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Projektzielen .............................................................................................................. 14
Quantifizierung der Kapillargeometrie (AP 1) ............................................................... 14
Prozesseffizienz (AP 2) ................................................................................................... 21
Modellbildung zur Qualitätsprognose (AP3) ................................................................. 29
Skalierbarkeit (AP4) ........................................................................................................ 33
Zusammenfassung .................................................................................................... 47
Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der
erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrages und ihrer
industriellen Anwendungsmöglichkeiten .................................................................... 49
Bisherige Veröffentlichungen im Rahmen des Forschungsvorhabens ....................... 50
Geplante Veröffentlichungen ...................................................................................... 50
Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft .............................................................. 50
Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts ....................................................................................................... 51
I. References .............................................................................................................. 52

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.707N
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.707 N / DVS-Nr.: 06.3069 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.
Einleitung
Ziel des Projektes ist das Erzeugen von Laserstrahl-Schweißnähten höchster Qualität
bei einfacher Prozessführung, beim Schweißen von üblicherweise schwer
schweißbaren Aluminiumlegierungen der 5000er und 6000er Werkstoffgruppe,
Aluminiumdruckgussteilen sowie Kupferlegierungen. Dies soll erreicht werden durch
Schweißen bei sehr hohen Vorschüben bei hohen mittleren Laserleistungen und bei
großen Strahldurchmessern. Als Referenz für hohe Qualität gilt
- eine konstante Einschweißtiefe,
- Vermeidung von Prozessporen und
- Vermeidung von Humping.
Darüber hinaus soll gezeigt werden, dass hohe Vorschübe sowohl in physikalischer als auch in
wirtschaftlicher Hinsicht zu besonders effizienten Schweißprozessen führen. Das
Forschungsvorhaben soll die Grenzen dieser Prozessstrategie mit aktuellen Strahlquellen
definieren, sowie einen Ausblick auf die Potentiale der Prozessführung zukünftiger
Strahlquellen geben.
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Die Arbeiten wurden gemäß dem Forschungsantrag und den vom PA beschlossenen
Änderungen durchgeführt.
Alle geleisteten Arbeiten waren angemessen und notwendig um die geplanten Arbeitspakete zu
bearbeiten, welche zum Forschungsziel des Projektes führten. Die durchgeführten Arbeiten
erfolgten in Absprache und mit Unterstützung des PA.

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.707N
Das Vorhaben wurde bis zum 30.09.2021 kostenneutral verlängert. Aufgrund zusätzlichen
Untersuchungen des in dem Projekt erstmals gesehenen Phänomens des „Umklappens“ der
Kapillare wurden 3 weitere Monate benötigt um alle vorgesehenen Versuche in dem Projekt
durchzuführen.
Angaben zu den aus Zuwendungen finanzierten Ausgaben
• Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des Finanzierungsplans)
Zur Bearbeitung des Projektes wurden insgesamt 24 Monate wissenschaftlich-technisches
Personal eingesetzt.
• Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans)
Mittel für eine Bearbeitungsoptik wurden beantragt, für 7270,90 € beschafft und für die
vorgesehenen Arbeiten im Projekt eingesetzt.
• Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans)
Leistungen Dritter wurden nicht beantragt und nicht in Anspruch genommen.
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Das Laserstrahlschweißen der Aluminiumlegierungen der 5000er und 6000er
Werkstoffgruppe sowie von Kupferwerkstoffen stellt immer noch eine Herausforderung
dar [1] In verstärkter Form gilt dies für Aluminiumdruckgussteile [2] Die schlechte
Schweißbarkeit manifestiert sich durch Prozessinstabilitäten und Mängel in der
resultierenden Schweißnaht, insbesondere durch Prozessporen [3] Schmelzeauswürfe
[4], Schwankungen der Einschweißtiefe [5], sowie Humping [6]. Dabei zeigen
insbesondere die Aluminiumlegierungen der 5000er Werkstoffgruppe eine erhöhte
Anfälligkeit für die Bildung von Prozessporen aufgrund ihres hohen Magnesiumgehaltes.
Bei Aluminiumdruckgussteilen sind die im Gießprozess eingebrachten Verunreinigungen
für Prozessinstabilitäten und starke Porenbildung verantwortlich. Beim Schweißen von
Kupferlegierungen mindern vor allem Schmelzeauswürfe die Nahtqualität. Um diese
Qualitätsprobleme zu reduzieren, wurden in der Vergangenheit Prozessstrategien wie die
Mehrfokustechnik [7], Leistungsmodulation und die örtliche Strahloszillation [2,8]
entwickelt. Sofern nicht anders möglich wurde und wird auf Sonderlegierungen
ausgewichen [7,9]. In den letzten Jahren wurden verstärkt Strahlmodulation,
Strahloszillation und aktiv geregelte Laserstrahlschweißprozesse untersucht. Diese
Lösungsstrategien stehen jedoch noch vor Herausforderungen in der Mess- und
Systemtechnik. Die hohe Komplexität solcher Prozesse führt zu technischem,
personellem und finanziellem Aufwand. Der im geplanten Forschungsvorhaben zu
untersuchende Ansatz mit hohen Vorschüben und großen Strahldurchmessern zu
schweißen soll das qualitativ hochwertige und produktive Fügen der oben genannten
Aluminiumlegierungen sowie wenn möglich von Aluminiumdruckgussteilen und Kupfer
bei geringer Prozesskomplexität ermöglichen

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.707N
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten
Forschungsergebnisse für KmU
Die hohen Vorschübe, die geringe Prozesskomplexität und die hochwertige Qualität des
Schweißergebnisses sollen durch die vier folgenden Aspekte zu einer Erhöhung der
Wirtschaftlichkeit führen:
1. Steigerung der Prozessqualität
2. Vereinfachung der Prozesstechnik
3. Erschließen neuer Anwendungen
4. Steigerung der Prozesseffizienz (ökonomisch und energetisch)
Kostenersparnisse sind durch geringere Ausschusszahlen, reduzierte Überwachungskosten
sowie das Ersetzten alternativer Fügeverfahren durch Laserstrahlschweißen zu erhoffen. Damit
kommen als potentielle Nutzer insbesondere die Verarbeiter der genannten Legierungen in
Betracht. Dies sind Lohnfertiger, Druckgießer und nicht zuletzt bei Aluminiumlegierungen der
5000er und 6000er Werkstoffgruppe und Kupfer die Automobilindustrie. Die vier genannten
Aspekte sind im Folgenden genauer ausgeführt.
Steigerung der Prozessqualität
Die hohen Vorschübe führen zu einer Stabilisierung der Dampfkapillare. Dadurch wird das
Entstehen von Prozessporen nahezu vollständig verhindert [5]. Gleichzeitig wird eine konstante
Einschweißtiefe ermöglicht (siehe 3.1). Große Strahldurchmesser erlauben das Schweißen bei
diesen Geschwindigkeiten bei gleichzeitiger Vermeidung von Humping (siehe [5] und
Arbeitshypothese und gewährleisten den notwendigen Anbindequerschnitt der
Schweißverbindung.
Vereinfachung der Prozesstechnik
Das Schweißen schwer schweißbarer Legierungen - heute nur unter großem Aufwand bzgl.
Prozessführung und Nahtkontrolle möglich - wird vereinfacht. Insbesondere für kleine und
mittelgroße Unternehmen wird sich die Qualitätssteigerung bei solchen schwer schweißbaren
Legierungen auswirken, da der Aufwand zum Prozesseinfahren reduziert, und die Auslegung
von Reglern und Diagnose stark reduziert wird. Dies ist bei kleineren Losgrößen und häufig
wechselnden Teilen besonders relevant. Die zu untersuchende Prozessstrategie zeichnet sich
gerade durch die relativ einfache Prozessführung aus. Lediglich die relativ hohen Vorschübe
müssen realisiert werden. Die Anforderungen an die Strahlqualität sind wegen der großen
Strahldurchmesser gering. Eine Prozessüberwachung oder Regelung ist nicht geplant und es
wird ohne Zusatzdraht geschweißt.
Erschließen neuer Anwendungen
Von großer Bedeutung ist das sichere und wirtschaftliche Fügen von Aluminium- und
Kupferwerkstoffe besonders für Anwendungen aus dem Bereich der Elektromobilität. Die
Anzahl der Neuzulassungen von rein elektrisch angetriebenen PKW hat sich zwischen 2016
und 2017 auf etwa 25.000 gut verdoppelt [10], während in China bereits 650.000 reine
Elektroautos zugelassen wurden [11]. Diese Entwicklung wird durch sich verschärfende

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.707N
Emissionsvorgaben gefördert. So soll bspw. innerhalb der EU bis zum Jahr 2020 der CO2
Ausstoß bei Neuzulassungen von 130 g/km auf 95 g/km sinken.
Einen großen Anteil der Wertschöpfung, aber auch der produktionstechnischen
Herausforderungen entfällt dabei auf Batteriezellen, wo Kupfer und Aluminium besonders
relevant sind. So müssen beispielsweise Batteriegehäuse aus Aluminium gasdicht gefertigt
werden. Die 5000er und 6000er Legierungen sind des Weiteren bei Leichtbauanwendungen im
Karosseriebereich verbreitet. Im Bereich der Leistungselektronik soll das Substituieren von
Lötprozessen, welche lange Prozesszeiten im Minutenbereich und zusätzlichen Aufwand und
Kosten durch Hilfsmaterialien aufweisen, ermöglicht werden. Sollte das qualitativ hochwertige
Schweißen von Druckgussteilen erfolgreich sein, würde dies eine Vielzahl neuer
Schweißanwendungen ermöglichen, beispielsweise beim Fügen von Druckgussteilen im
Automobilbau.
Steigerung der Prozesseffizienz
Beim Schweißen mit hohen Vorschüben ist ferner von einer Reduktion des Wärmeeintrages ins
Bauteil auszugehen. Dies geht zum einen mit einer Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades
und der Energieeffizienz des Fügeprozesses einher. Andererseits kann damit das Schweißen
bei geringen Abständen zum Bauteilrand ermöglicht werden, ohne dass dieser Rand
abschmilzt, oder thermomechanische Belastung die Entstehung von Nahtmittenrissen fördert
[5].
Steigerung der ökonomischen Effizienz
Einhergehend mit den hohen Vorschüben der zu untersuchenden Prozessstrategie ergeben
sich kurze Prozesszeiten und damit Möglichkeiten der Effizienzsteigerung in der Produktion. Die
kurzen Prozesszeiten führen in erster Linie zu einem höheren Teiledurchsatz. Die kurzen
"Strahl-an" Zeiten reduzieren die Wartezeiten beim sequentiellen Einsatz eines Lasers an
unterschiedlichen Anlagen. Damit könnte es sich gerade für kleine und mittlere Unternehmen
lohnen, Lasersysteme einzusparen und stattdessen mit einem System mehrere Anlagen zu
bedienen. Das Schweißen bei den geplanten, hohen Vorschüben und großen Strahldurchmessern
erfordert sehr hohe Strahlleistungen. Dass hier gerade ein relativ großer
Strahldurchmesser verwendet werden soll, senkt wiederum die Anforderungen an die Brillanz
der Strahlquellen. Das Verwenden von (gepulst betriebenen) Faserlasern hoher Pulsleistung,
oder den sich rapide entwickelnden Diodenlasern könnte möglich werden. Besonders aus
ökonomischen Gesichtspunkten ist die Verwendung beider Lasertypen interessant:
• Dabei stellen die gepulsten Faserlaser im Vergleich zu den cw-Lasern relativ günstige
Systeme dar. Trotzdem können Pulsleistungen von z.B. bis zu 23 kW bei Pulsdauern bis
zu 10 ms erreicht werden (230 J Pulsenergie bei bspw. „YLS-2300/23000-QCW“ von IPG
Photonics). Bei den im Forschungsvorhaben untersuchten hohen Vorschüben ermöglicht
diese Pulsdauer Schweißnähte von einigen Millimetern Länge. Dies reicht für viele
Anwendungen, gerade bei Druckgussgehäusen oder elektrischen Kontaktierungen, aus.
• Damit einher gehen immer weitere Fortschritte bei kommerziell verfügbaren Strahlquellen,
allen voran bei Diodenlaser-Systemen. Hier können Entwicklungen wie die in der übrigen
Halbleiterindustrie erwartet werden. Die relativ großen Strahldurchmesser, welche in
diesem Projekt verwendet werden, können mit der schlechteren Strahlqualität von
Diodenlaser-Systemen umgesetzt werden.