Es werden Lösungen für die Anwendung von Festkörperlasern hoher Strahlleistung an Aluminiumblechen entwickelt, wie sie im Bereich der Kraftfahrzeugherstellung mit großen Produktionszahlen und dementsprechend kurzen Taktzeiten aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten gefordert werden. Dabei werden ausgehend von typischen Anwendungsbeispielen für den Karosserieleichtbau die Laserstrahlschneidbarkeit und die -Schweißbarkeit von Aluminiumlegierungen im Hinblick auf hohe Prozeßsicherheit behandelt. Für die Untersuchungen wird ein Nd:YAG-Festkörperlaser mit 4 kW Strahlleistung eingesetzt. Es werden Blechdicken beim Schneiden zwischen 0,8 und 6 mm und beim Schweißen bis zu 3 mm untersucht. Anhand der vorgestellten Ergebnisse erscheinen karosserietypische Laseranwendungen zum Schneiden und Schweißen von Aluminium machbar. Der Schneidprozeß wird durch Parameter wie Laserstrahlleistung, Fokuslage, Schneidgeschwindigkeit, Arbeitsabstand der Düse und Schneidgasdruck, aber auch durch Werkstoffparameter wie Legierungszusammensetzung, Werkstückdicke und Schneidgasart maßgeblich bestimmt. Randbedingungen und Grenzen für das Laserstrahlschmelzschneiden bzw. -brennschneiden von Aluminium werden aufgezeigt. Der Einfluß von Schneidwinkelauslenkungen des Laserstrahls in und orthogonal zur Schneidrichtung auf die Schnittqualität wird diskutiert. Schneidvorgänge an unbeschichteten und oberflächenveredelten Aluminiumlegierungen werden untersucht. Erreichbare Schneidleistungen an Blechdicken bis zu 6 mm werden aufgezeigt. Besonderheiten für das Trennen von Außenhautteilen werden vorgestellt. Beim Schweißprozeß zeigt sich, daß neben Schweißgeschwindigkeit und Fokuslage relativ zum Werkstück die Schweißtiefe eine maßgebliche Rolle hinsichtlich des Prozeßwirkungsgrades spielt. Der Einfluß des Schweißzusatzes auf die Nahtqualität bei großen Fügespaltweiten wird untersucht. Geometrische Bedingungen wie Flanschlänge, Schweißposition, Schweißwinkel sowie Gas- und Schweißzusatzführung werden für unterschiedliche Stoß- und Nahtformen hinsichtlich der Nahtqualität diskutiert. Zur Beschreibung der Rißbildung bei geringen Flanschbreiten und niedrigen Schweißgeschwindigkeiten wird eine an die Statik angelehnte Modellvorstellung entwickelt. Im Hinblick auf die Nahtausbildung beim Schweißen wird eine qualitativ beschreibende Modellvorstellung angegeben, die vom Einfluß der Oberflächenspannung und Schmelzbadströmung ausgeht. Während die Höhe der Oberflächenspannung in erster Linie über die Rauheit der Nahtoberfläche entscheidet, führen die durch den Temperaturgradienten der Oberflächenspannung erzeugten thermokapillaren Schmelzbadströmungen entsprechend den entwikkelten Modellvorstellungen zu Unterschieden hinsichtlich der Prozeßsicherheit, wie Schweißnahtfehlstellen (Schmelzauswürfe) und Poren (Gas- und Prozeßporen), sowie der Nahtquerschnittsform (Tiefe, Breite). Die Ergebnisse sind dabei von der Legierungszusammensetzung, der Schutzgasart sowie von der Stoß- und Nahtform abhängig. Mit diesen Modellvorstellungen sind alle Nahtquerschnittsformen bzw. die Nahtrauhigkeit sowie die von der Schmelzbadströmung abhängige Prozeßsicherheit und Porenbildung zu interpretieren. Die entwickelten Modellvorstellungen bilden die Grundlage für ein tieferes Verständnis der Vorgänge beim Laserstrahl-Schweißprozeß an Aluminium.

    The thesis focuses upon the development of practical solutions for high power Nd:YAG laser applications in aluminum car body manufacturing with its capability for high production rates and short cycle times. Typical applications in lightweight car body construction are discussed and parameters for high process stability laser cutting and welding are determined. In the research a Nd:YAG laser with a maximum output power of 4 kW was used to cut aluminum sheet metal in thicknesses between 0.8 and 6.0 mm, and to weld thicknesses of up to 3.0 mm. Based upon the presented results, laser cutting and welding applications in aluminum body construction appear not only feasible but production ready. The thesis analyzes work ranges and limiting factors for aluminum laser cutting and the effect of cutting angles on the trim edge quality. In aluminum laser cutting, the process is predominantly determined by parameters such as laser beam power, focus position, cutting speed, distance of the cutting nozzle to the work piece and gas pressure. Also relevant are alloy composition, workpiece thickness, coating type and cutting gas composition. Obtainable cutting performances are documented and characteristics for the cutting of outer skin parts, both with and without coatings, are presented. The process efficiency of aluminum laser welding mainly depends upon welding depth but is also influenced by welding speed and focus position relative to the work piece. Geometrical conditions such as flange length, welding position and welding angle, as well as shielding gas and weld wire positioning have a great impact on the weld quality of various weld configurations. The effect of filier wire on the weld quality for applications where large gaps exist between work pieces is also discussed. A theoretical model based upon statics is developed to describe the circumstances of hot cracks at joints with short flanges and when welding with low speeds. In regards to the weld cross-sectional formation, another theoretical model is introduced. The model is based upon the effect of surface tension and the melt flow in the weld pool, which are both dependant on alloy and shielding gas composition, as well as weld condition. The surface tension influences the roughness of the weld surface, while the thermocapillary flow of the weld pool currents determine the stability of the welding process, impacting the occurrence of weld defects (puddle ejections and blow holes), pores (gas and process pores) and determining the cross-sectional shape of the weld (depth and width). The developed model reveals the interrelationship between the various weld defects. It provides a much better understanding of the aluminum laser welding process and thus represents the basis for future research on this subject.


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    Titel :

    Schneiden und Schweißen von Aluminiumwerkstoffen mit Festkörperlasern für den Karosseriebau


    Beteiligte:


    Erscheinungsdatum :

    2013


    Format / Umfang :

    190 Seiten, Bilder, Tabellen, 177 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch