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Thursday, September 14, 2023, Berlin 3:00 PM Additive Fertigung - Fügen additiv hergestellter Bauteile |
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Optimierte Schweißbarkeit von additiv gefertigten Aluminiumbauteilen mittels Adjustable Ring Mode Laser |
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Frank Beckmann* / Fraunhofer IAPT, Hamburg Peter Kallage / ROFIN-SINAR Laser GmbH, Deutschland Claus Emmelmann/ Technische Universität Hamburg - iLAS, Deutschland |
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Laseradditiv gefertigte Aluminiumbauteile weisen eine stark eingeschränkte Schweißbarkeit auf. Im Vergleich zum Gussmaterial der gleichen Legierung tritt eine signifikant höhere Porenbildung auf, die das Erreichen normgerechter Schweißnähte erschwert. Ursächlich hierfür ist ein deutlich erhöhter Wasserstoffgehalt des Materials. Während der AM-Prozesskette wird Umgebungsfeuchtigkeit vom Pulver aufgenommen und in Form von Wasserstoff im Bauteil gebunden. Bei der Erstarrung des Schweißgutes wird dieser aufgrund des Löslichkeitsspungs in die Schweißnaht ausgeschieden und reichert diese bis zur Übersättigung und folglich der Entstehung von Gasporen an. Zentraler Ansatz der Laserschweißprozessoptimierung ist es, die Entstehung der Poren zu minimieren oder diese effizient Ausgasen zu lassen. Umfangreiche Versuche des Fraunhofer IAPT zeigen, dass diese Optimierungspotentiale bei einem klassischem gaußförmigen Laserstrahlprofil sowie dessen Variation mittels Doppelfokustechnik oder Strahlpendelung limitiert sind. Eine deutliche Reduktion der Poren lässt sich hingegen mittels sogenanntem Adjustable Ringmode Laser (ARM-Laser) erreichen. Bei diesem neuen Lasertyp wird ein Strahlkern von einem weiteren konzentrischen Strahlring umgeben. Hierbei lässt sich die Leistung von Kern und Ring unabhängig voneinander einstellen und so Einfluss auf den Laserschweißprozess nehmen. Im Rahmen dieser Veröffentlichung wurden umfangreiche Schweißversuche mittels ARM-Laser an laseradditiv hergestellten Aluminiumproben durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die ringförmige Energieeinbringung mit einer „kalten“ Strahlmitte erstmalig eine nahezu porenfreie Naht realisierbar ist. Die Parametervariationen zeigen dabei detailliert den Einfluss der unterschiedlichen Leistungsverteilungen auf Strahlkern und Ring. Abhängig von der Energieverteilung treten die Wasserstoffporen aus der Schweißnaht aus oder werden bei ungünstiger Parameterwahl ihr eingeschlossen. Basierend auf den Prozessergebnissen werden die Erzielten Nahteigenschaften in Bezug auf Porosität, Härte und Festigkeit dargestellt. Weiterhin werden diese Kennwerte für eine Hybridbauweise, also die Kombination von Additiv Gefertigten Material und klassischem Blech, ermittelt und gegenübergestellt. |