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Wednesday, September 13, 2023, Mailand 10:00 AM Moderne Fügeverfahren - Laserstrahlschweißen |
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Simulationsbasiertes Optimieren der zeitabhängigen Pulsleistung beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen zur Vermeidung von Heißrissen |
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Marc Seibold* / Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Fertigungstechnik, Deutschland Jean-Pierre Bergmann / Technische Universität Ilmenau Fachgebiet Fertigungstechnik, Deutschland Klaus Schricker/ Technische Universität Ilmenau Fachgebiet Fertigungstechnik, Deutschland Dmytro Strelnikov/ Technische Universität Chemnitz Numerische Mathematik, Deutschland Roland Herzog/ Universität Heidelberg Scientific Computing and Optimization, Deutschland |
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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 6xxx-Serie, die eine ausgeprägte Heißrissanfälligkeit 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 und die Erstarrungsgeschwindigkeit 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 gezeigt werden, dass zuverlässig die zeitabhängige Pulsleistung für einen Laserstrahlschweißprozess so bestimmt wird, 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, kann durch Lösung eines mathematischen Optimierungsproblems eine freie Anpassung der Pulsform gefunden werden. Zu den Eingangsgrößen zählen Laserleistung unter Berücksichtigung des Einkoppelgrades, Fokusdurchmesser, Regelungszeiten zur Änderung der Laserintensität, Materialdicke, Punktdurchmesser, maximale Pulsenergie, Legierungstypen, Stoßarten. Durch die Randbedingung, die Pulsenergie zu minimieren, ist es möglich mit einer höheren Schweißgeschwindigkeit als bei der Verwendung einer Rampdown-Pulsform zu schweißen. |