SB_20826NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Simulationsbasierte
Optimierung der zeitabhängigen
Pulsleistung
beim Laserstrahlschweißen
von Aluminiumlegierungen
zur Vermeidung von
Heißrissen

Simulationsbasierte
Optimierung der
zeitabhängigen Pulsleistung
beim Laserstrahlschweißen von
Aluminiumlegierungen zur
Vermeidung von Heißrissen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.826 N
DVS-Nr.: I2.3005
Technische Universität Ilmenau
Fakultät Maschinenbau
Fachgebiet Fertigungstechnik
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Mathematik
Professur Numerische Mathematik
(Partielle Differentialgleichungen)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.826 N / DVS-Nr.: I2.3005 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 Energie 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
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 566
Bestell-Nr.: 170676
ISBN: 978-3-96870-566-8
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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Schlussbericht vom 31.10.2022
zu IGF-Vorhaben Nr. 20.826 BR
Thema
Simulationsbasierte Optimierung der zeitabhängigen Pulsleistung beim Laserstrahlschweißen
von Aluminiumlegierungen zur Vermeidung von Heißrissen
Berichtszeitraum
01.02.2020 – 31.10.2022
Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Technische Universität Ilmenau, Fakultät Maschinenbau, Fachgebiet Fertigungstechnik
Technische Universität Chemnitz - Professur Numerische Mathematik

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 20.826 BR
Inhaltsverzeichnis
Einleitung ............................................................................................................. 9
Stand der Technik ............................................................................................. 10
2.1. Aushärtbare Aluminiumlegierungen ................................................................ 10
2.1.1. Grundlegende Eigenschaften ........................................................................... 10
2.1.2. Gefügeaufbau und -struktur ............................................................................. 12
2.1.3. Gefügeentwicklung im Erstarrungsprozess ...................................................... 12
2.2. Gepulstes Laserstrahlschweißen ..................................................................... 16
2.2.1. Verfahrensprinzip ............................................................................................. 16
2.3. Herausforderungen beim Schweißen von Aluminiumlegierungen ............... 19
2.4. Heißrissbildung ................................................................................................. 20
2.4.1. Theorien zur Beschreibung von Heißrissen ..................................................... 22
2.4.2. Vermeidungsstrategien .................................................................................... 27
2.5. Numerische Simulation ..................................................................................... 30
Ziel des Vorhabens ........................................................................................... 32
Experimentelles Vorgehen und experimentelle Methoden ............................ 34
4.1. Experimenteller Aufbau .................................................................................... 34
4.2. Anpassung der Laserstrahlquellen .................................................................. 35
4.3. Pulsformung ...................................................................................................... 39
4.3.1. Pulsprogrammerzeugung IPG Photonics ......................................................... 39
4.3.2. Pulsprogrammerzeugung Lasag-Rofin ............................................................ 40
4.3.3. Überführung in ein Pulsprogramm ................................................................... 42
4.4. Messmethodik der Heißrissquantifizierung .................................................... 44
4.5. Messung der Erstarrungsgeschwindigkeit ..................................................... 45
4.6. Schutzgaswirkung ............................................................................................. 49
4.7. Optimierungspotential beim Linienschweißen ............................................... 51
Numerisches Modell ......................................................................................... 53
Ergebnisse experimenteller Untersuchungen ................................................ 58
6.1. Heißrissentstehung bei Einzelpulsschweißungen ......................................... 58
6.1.1. Einzelpulsschweißungen der optimierte Pulsformen ........................................ 62
6.2. Erstarrungsgeschwindigkeit ............................................................................ 66
6.3. Heißrissentstehung beim Linienschweißen .................................................... 72
6.3.1. Übertrag der Einzelpulsschweißung ................................................................ 73
6.3.2. Variation der Rampendauer ............................................................................. 74
6.3.3. Variation der Schweißgeschwindigkeit / Pulsüberlapp ..................................... 76
6.3.4. Variation der Laserstrahlquellen ...................................................................... 76
6.3.5. Linienschweißen mit optimierter Pulsform........................................................ 77
6.3.6. Stoßkonfiguration ............................................................................................. 79
Demonstrator .................................................................................................... 82
III

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 20.826 BR
7.1. Demonstrator 1 .................................................................................................. 82
7.2. Demonstrator 2 .................................................................................................. 83
Methodenwerkzeug ........................................................................................... 86
8.1. Darstellen des bestehenden Ist-Zustands ....................................................... 86
8.2. Heißrissfreier Bereich ....................................................................................... 86
8.3. Expertensystem ................................................................................................. 87
8.4. Erzeugung von laserspezifisches Pulsprogramm .......................................... 89
Zusammenfassung ........................................................................................... 90
Formales ............................................................................................................ 92
10.1. Schlussfolgerungen und Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den
Zielstellungen des Forschungsantrags .......................................................... 92
10.2. Wissenschaftlich-technischer Nutzen ............................................................. 96
10.3. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, insbesondere für kmU ................................ 96
Verwendungen der Zuwendungen................................................................... 97
11.1. Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des
Finanzierungsplans) ......................................................................................... 97
11.2. Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans) ........................................... 97
11.3. Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans) ........................ 97
Transfer der Forschungsergebnisse ............................................................... 98
12.1. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................................. 98
12.2. Angaben zu gewerblichen Schutzrechten ....................................................... 99
Literaturverzeichnis ....................................................................................................... 100
IV

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.826 BR
Einleitung
Das gepulste Wärmeleitungsschweißen ist ein etabliertes Fügeverfahren und wird heute
hauptsächlich für Mikroschweißungen eingesetzt. Aufgrund der zeitlich gestaffelten
Wärmeeinbringung ist der Verzug während des Fügeprozesses gering, so dass auch dünne
Bauteile gefügt werden können. Insbesondere das Fügen der heißrissempfindlichen Al-
Legierungen der 6xxx-Reihe stellt eine Herausforderung an den Laserstrahlschweißprozess
dar. Ein technischer Freiheitsgrad, den das gepulste Laserstrahlschweißen gegenüber dem
kontinuierlichen Schweißen aufweist, ist die Pulsformung. Bestehende Arbeiten konnten
zeigen, dass durch die Veränderung der Pulsform die Erstarrung direkt manipuliert werden
kann. Dabei wird meist auf eine experimentelle Parameterfindung zur Bestimmung der
Pulsform zurückgegriffen. Um eine optimale Pulsform zu erhalten, wird in diesem Projekt
folgender Ansatz verfolgt: Durch die Entwicklung eines numerischen Modells zur
Rekonstruktion des Schweißprozesses soll in Abhängigkeit der Erstarrungsgeschwindigkeit
eine optimierte Pulsform berechnet werden. Die kritische Erstarrungsgeschwindigkeit soll
einerseits aus dem Modell und andererseits aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
verschiedener Quellen bestimmt werden. Dabei kann gezeigt werden, dass die
Erstarrungsgeschwindigkeit eine geeignete Größe ist. Durch Justierung der Laserstrahlquellen
kann die so ermittelte Pulsform ausgegeben und mit dem bestehenden Stand der Technik
verglichen werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse können zur Steigerung der
Schweißgeschwindigkeit und damit der Wirtschaftlichkeit genutzt werden.

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.826 BR
Stand der Technik
2.1. Aushärtbare Aluminiumlegierungen
2.1.1. Grundlegende Eigenschaften
Aluminium ist ein Leichtbauwerkstoff, welcher aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften,
guter Verformbarkeit und guter Verfügbarkeit in vielen verschiedenen Bereichen der Industrie
zum Einsatz kommt.
Die Eingruppierung von Aluminium kann anhand der Legierungselemente erfolgen. Die am
häufigsten eingesetzten Elemente sind Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Silizium (Si), Magnesium
(Mg) und Zink (Zn). Durch das Zulegieren dieser Elemente lassen sich die Eigenschaften wie
Festigkeit, Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit verändern. Neben der Unterscheidung
nach Legierungselementen lassen sich Aluminiumlegierungen auch nach der Art der
Verarbeitung in Knet- und Gusslegierungen unterteilen [Dav93]. Aufgrund der hohen Mengen
an Silizium (3 bis 20 %) besitzen Aluminiumgusslegierungen eine hohe Heißrissbeständigkeit
und ein gutes Formfüllungs- und Fließvermögen [Roo02]. Das Element Silizium reduziert die
Erstarrungsschrumpfungen, da es während der Erstarrung eine Volumenzunahme erfährt und
so der Schrumpfung des Aluminiums entgegenwirkt [Mag01]. Bei den Aluminiumlegierungen
spielt Festigkeitssteigerung durch Kornfeinung und Mischkristallhärtung lediglich eine
untergeordnete Rolle [Dor98]. Die entscheidenden festigkeitssteigernden Mechanismen sind
Kaltverformung (nur bei Raumtemperaturanwendungen) und Ausscheidungshärtung [Wei07].
Daher werden Legierungen generell in aushärtbar und nicht aushärtbar unterschieden. Der
Mechanismus der Ausscheidungshärtung ermöglicht es, einen Festigkeitsbereich von 50 bis
700 N/mm 2 abzudecken [Dor98]. Der Aushärtungsmechanismus kann sowohl bei erhöhten
Temperaturen von 120 bis 200 °C (Warmaushärtung), als auch bei Raumtemperatur
(Kaltaushärtung) erfolgen [Row02]. In Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung,
dem Grad der Kaltverfestigung sowie dem Wärmebehandlungszustand besitzen
Aluminiumlegierungen bestimmte physikalische Eigenschaften:
Dichte ρ = 2,7 g/cm 3 (im Vergleich zu Stahl 7,8 g/cm 3 ) [Hes12]
Vorteilhaftes Verhältnis von Festigkeit zur Dichte (hohe spezifische Festigkeit)
Hohe Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Stahl
Hohe Duktilität und Zähigkeit im Vergleich zu Stahl
Hohe Wärmeleitfähigkeit λ = 230 W/mK für Al 99,5 (im Vergleich zu niedriglegiertem
Stahl 50 W/mK) [Mer03]
Wärmeausdehnungskoeffizient α = 23,0 ⸱ 10 -6 /K bei 20 °C
Schmelztemperatur von Aluminium TS = 660,2 °C
Schmelztemperatur von Aluminiumoxid (Al2O3) TS = 2053 °C
Siedetemperatur von Aluminium TV = 2470 °C [Pri86]
Aufgrund dieser Eigenschaften haben sich Aluminiumlegierungen zunehmend als eine der
wichtigsten Konstruktions- und Leichtbauwerkstoffe etabliert.

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.826 BR
Aluminium-Knetlegierungen werden gemäß DIN EN 573-3 [DIN09] und der American
Aluminium Association in Relation zu ihren Hauptlegierungselementen in acht
Legierungsgruppen eingeteilt (Tabelle 2-1).
Serie Hauptlegierungselement(e) Härtungsmechanismus Wichtige Eigenschaften
1xxx – Kaltverfestigung Umformbarkeit
2xxx Cu Ausscheidungshärtung Festigkeit
3xxx Mn Kaltverfestigung Korrosionsbeständigkeit
4xxx Si Kaltverfestigung Umformbarkeit
5xxx Mg Kaltverfestigung Korrosionsbeständigkeit
6xxx Mg + Si Ausscheidungshärtung Umformbarkeit
7xxx Zn Ausscheidungshärtung Festigkeit
8xxx – Ausscheidungshärtung Festigkeit
Tabelle 2-1: Serien von Aluminiumknetlegierungen [DIN09, Wei 07]
Aluminiumlegierung der 6xxx-Serie sind dabei von besonderem Interesse für Gehäuse für
elektronische Baugruppen und Kühler verwendet. Zum Vergleich werden in diesem Bericht die
Untersuchungen auch Untersuchungen an der Legierung EN AW-7075 aufgeführt.
Bei der Fertigung verschiedener Baugruppen in unterschiedlichen Bereichen kommt dem
Fügen durch Schweißen eine besondere Bedeutung zu. Die Anwendungsgebiete sind dabei
breit gefächert und reichen von Schweißen der Karosseriebauteile aus Aluminium im
Automobilbereich, über Schiffsbau, Fahrradrahmen bis zum Flugzeugbau. Dabei werden
besonders in der Automobilindustrie Legierungen der 6xxx-Serie verwendet. Als wichtigster
Konstruktionswerkstoff kommt Aluminium im Flugzeugbau eine besondere Bedeutung zu.
Auch hier hat seit ca. 15 Jahren das Laserstrahlschweißen Einzug gefunden. Dadurch wurde
das bislang vorherrschende Nieten zunehmend ersetzt [Enz12]. Im Rahmen des gepulstem
Laserstrahschweißen werden diese Legierungen für das Fügen sogenannter „Housing-
Bauteile“ verwendet.
Aluminiumlegierungen weisen im Gegensatz zu un- und niedriglegierten Stählen keine
polymorphen Erscheinungen auf. Für die resultierenden Werkstoffeigenschaften sind also
allein die Erstarrungsbedingungen verantwortlich [Dor98]. Bei ausscheidungshärtenden
Legierungen lassen sich durch eine legierungsspezifische Wärmebehandlung die
mechanischen Eigenschaften des Ausgangszustandes wiederherstellen [Cie88].
Auch Aluminiumlegierungen weisen eine hohe Affinität zu Sauerstoff (O) auf und bilden somit
eine dünne Oxidschicht aus Al2O3. Diese dichte, festhaftende, elektrisch nicht leitfähige Schicht
bringt besonders durch ihre hohe Schmelztemperatur von 2053 °C Herausforderungen beim

Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.826 BR
Schweißen mit sich. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierungen von 240 W/mK
erfordert, trotz der niedrigen Schmelztemperatur von 660 °C, eine hohe und konzentrierte
Wärmezufuhr [Sch02]. Der im Vergleich zu niedriglegierter Stahl um Faktor zwei größere
Wärmeausdehnungskoeffizient erschwert besonders beim Schweißen von dünnen Blechen
die Einhaltung von Toleranzen aufgrund von Verzug [Dil05]. Aluminiumlegierungen neigen
beim Schmelzschweißen zur Bildung von Poren. Ein Grund dafür ist die sprunghafte
Verringerung der Löslichkeit von Gasen beim Übergang vom schmelzflüssigen in den festen
Zustand [Alt13, Thi73]. Vor allem Wasserstoff hat in der Aluminiumschmelze eine hohe
Löslichkeit welche sich in Abhängigkeit der Legierungselemente beeinflussen lässt. Im Falle
der EN AW-6082 mit den Hauptlegierungsbestandteilen Magnesium und Silizium wirken diese
entgegengesetzt. Magnesium fördert die Löslichkeit wohingegen Silizium senken lässt
[Any95]. In Folge der niedrigen Viskosität und Oberflächenspannung besteht beim
Schmelzschweißen eine erhöhte Durchbruchgefahr der Schmelze, also ein Austropfen der
Schmelze beim Durchschweißen von Blechen, sowie der Bildung von Schweißspritzern und
Schmelzbadauswürfen [Bac14, Sch13]. Aufgrund der niedrigen Absorption von nur 12 %, bei
einem üblichen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm, muss beim
Laserstrahlschweißen mit hohen Intensitäten entgegengewirkt werden [Ber13, Hip20]. Damit
erhöhen sich Energiekosten und Investitionsaufwand. Neben der Einkopplung des
Laserstrahls werden im nächsten Kapitel weitere Grundlagen für den Prozess des
Laserstrahlschweißens von Aluminiumlegierungen beleuchtet.
2.1.2. Gefügeaufbau und -struktur
2.1.3. Gefügeentwicklung im Erstarrungsprozess
Bei der Erstarrung von Aluminiumlegierungen kann es zur Bildung von Heißrissen kommen.
Die Erstarrungsbedingungen und das daraus resultierende Gefüge haben Einfluss auf die
Heißrissbildung. In diesem Abschnitt werden daher ausgewählte Zusammenhänge der
Erstarrung erläutert, die für die Heißrissbildung beim gepulsten Laserstrahlschweißen von
Bedeutung sind.
Die Elemente der Aluminiumlegierungen haben in der Schmelze und dem Festkörper eine
unterschiedliche Löslichkeit. Während der Erstarrung können die wachsenden
Aluminiummischkristalle nur einen begrenzten Gehalt an Legierungselementen lösen.
Dadurch sammeln sich in der Restschmelze vor der Erstarrungsfront zunehmend
schmelzpunktherabsenkende Elemente an [Sah99]. Die Folge davon sind
Entmischungsvorgänge während der Erstarrung, welche ein inhomogenes Gefüge erzeugen
können. Dieser Prozess wird als Seigerung bezeichnet [Sah99]. Aufgrund ihrer veränderten
chemischen Zusammensetzung erstarrt die Schmelze bereits teilweise vor Erreichen der
Solidustemperatur. Dieses Gebiet der Konzentrationsverschiebung wird als Zone der
konstitutionellen Unterkühlung bezeichnet. Diese tritt ausschließlich bei Legierungen auf und
wird im Folgenden erläutert.