Einfluss zusätzlich induzierter Temperaturfelder beim Laserstrahlschweißen dünner Bleche
Während des Laserstrahlschweißens entstehen thermisch induzierte Dehnungen und Spannungen, die zu Verschiebungen der Fügepartner im Prozess führen. Diese Verschiebungen werden durch den Einsatz von Spannsystemen in der Produktion unterbunden. Jedoch sind diese Systeme zumeist nur für eine einzelne Schweißaufgabe ausgelegt. Aufgrund der zumeist massiven Bauweise der Systeme und des anwendungsspezifischen Einsatzes dieser ergeben sich hohe Kosten. Somit ist man bestrebt, die Spannsysteme einfacher zu gestalten und damit Bewegungsfreiheiten der Fügepartner im Prozess zu akzeptieren. Um nun die auftretende Querverschiebung zu minimieren, können zusätzliche Wärmequellen oder Wärmesenken genutzt werden, um Einfluss auf das Temperaturfeld und damit auf das Dehnungsfeld zu nehmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher zunächst der Einfluss variierender Schweißparameter (Schweißgeschwindigkeit, voreingestellter Spalt) bei einer einseitig gespannten Fügekonfiguration am I-Stumpfstoß untersucht. Dazu erfolgten Untersuchungen vordergründig am hochlegierten Stahl 1.4301. Unter Verwendung eines Diodenlasers wurde der Einfluss einer zusätzlichen Wärmequelle auf die Verschiebung im Prozess und das gesamte Verzugsverhalten charakterisiert und bewertet. Der Abstand der beiden Wärmequellen zueinander, die Laserleistung und die Spotabbildung wurden dazu variiert. Die Untersuchungen wurden zunächst an einer Blechdicke von 1 mm durchgeführt und sie wurden im Anschluss an die Blechdicken 0,5 mm und 2 mm übertragen. Es ist festzuhalten, dass durch den Einsatz der zweiten Wärmequelle die Verschiebung minimiert und damit längere Schweißnahtlängen erzielt wurden. Jedoch trat ein höherer Beulverzug auf, der auf die vermehrten Längsspannungen im Bauteil zurückzuführen ist. Die Wirkungsweise der zweiten Wärmequelle wurde unter Anwendung der FE-Methoden und einer analytischen Beschreibung näher beleuchtet. Unter Anwendung einer CO2-Düse wurde die Wärmesenke abgebildet, um das sich ausbildende Temperaturfeld zu verkleinern. Ebenfalls wurde der Einfluss der Senke auf die Querverschiebung im Prozess und auf den globalen Verzug nach dem Schweißprozess charakterisiert und bewertet. Für die drei zuvor genannten Blechdicken zeigt sich dabei, dass die Verschiebung im Prozess minimiert und damit eine vollständige Durchschweißung erzielt wurde. Auch nimmt der Gesamtverzug der Bauteile ab. Darüber hinaus fanden vergleichende Untersuchungen an der Aluminiumlegierung EN AW 5754 statt. Es wurde festgestellt, dass die hier im Vergleich zum Stahl höhere Verschiebungen auftraten. Durch den Einsatz der Wärmequelle wurde keine Reduzierung der Verschiebung erzielt. Jedoch wurde unter Anwendung der Wärmesenke eine Minimierung der Verschiebung erreicht und damit längere Schweißnahtlängen realisiert.
During laser beam welding, thermally induced strains and stresses occur, which lead to displacements of joining partners. These displacements are prevented by the use of clamping systems in production. However, these systems are designed only for one welding task. Due to the mostly massive construction of the systems and their application-specific use, the costs are high. For that reason, efforts are being made to simplify the clamping systems and thus to accept freedom of movement of the joining partners in the process. If there was a possibility to influence the temperature profile and consequently the strain profile by using an additional heat sink or a heat source in a way that the displacements during welding were minimized, the clamping systems could be made less massive and thus more cost-effective. Within the scope of this work, firstly the influence of varying welding parameters (welding speed, preset gap) on a one-sided free clamping situation at the butt joint configuration was investigated. For this purpose the investigations were carried out primarily on a high-alloy steel (1.4301). The influence of the heat source on a displacement in the process and the overall distortion behavior was characterized and evaluated using a diode laser. The mutual distance of two heat sources, the laser power and the spot size were varied for this purpose. The investigations were first performed on a sheet thickness of 1 mm and they were subsequently transferred to sheet thicknesses of 0,5 mm and 2 mm. It should be noted that by using the second heat source the displacement was minimized and thus longer weld lengths were achieved. However, a higher buckling distortion occurred which can be attributed to the increased longitudinal stresses in the component. By using the FE methods and the analytical calculation models, the influence of the heat source was further explained. With the help of a CO2-nozzle, the heat sink was represented in order to reduce the developing temperature profile. Moreover, the influence of the heat sink on the displacement in the process and after the test was characterized and evaluated. It was found that the use of the heat sink leads to reduced displacement in the process and an overall reduced distortion of the components. In addition, comparative investigations were carried out on aluminum alloy EN AW 5754. It was found that the displacements were higher compared to steel. No reduction in the displacement was achieved by using the heat source. However, a minimization was achieved with the use of the heat sink and thus longer weld lengths were obtained.
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