Laserstrahlmikroschweißen mit SHADOW

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Cornelia Gerber
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1 mit SHADOW Ulm Kilian Klages

2 Inhalt Einleitung Grundlagen Einordnung des Verfahrens Seite 2

3 Übersicht Einleitung Grundlagen Einordnung des Verfahrens Aufgabenstellung Seite 3

4 Prozessschritte Grundlagen Absorption Wärmeleitung Schmelzen Verdampfen Seite 4

5 Grundlagen Wechselwirkung Laserstrahl-Materie Absorption Kohlenstoffstahl Aluminium Kupfer 0,5 Absorptionsgrad A Nd:YAG, λ = 1,064 µm C0 2, λ = 10,6 µm 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Wellenlänge λ / µm Seite 5

6 Wärmeleitung Grundlagen Rosenthal-Lösung d=0,2 mm d=1,0 mm K55 v=10 m/min 2w=0,2 mm Tophat A=0,3, P=1000W Seite 6

7 Inhalt Einleitung Grundlagen Einordnung des Verfahrens Aufgabenstellung Seite 7

Simultanschweißen Bewegter Strahl Punktnahtschweißen

8 Einordnung des Verfahrens Laserstrahl-Schweißverfahren Unterscheidung durch die Dynamik Stehender Strahl Punktschweißen Simultanschweißen Bewegter Strahl Punktnahtschweißen cw-schweißen SHADOW Schweißpunkt Oberseite Unterseite SHADOW -Naht Punktnaht Seite 8

9 SHADOW Einordnung des Verfahrens Prinzip Nd:YAG gepulst Kontinuierliche Schweißnaht durch S tepless H igh Speed A ccurate and D iscrete O ne Pulse W elding Einzelpuls τ H >20 ms großer Vorschub v >10 m/min Zirkulare and lineare Schweißnähte Seite 9

10 Faserführung Drehachse Einordnung des Verfahrens Strahlquelle Faser Optik mit Kamera Laserstrahlung Werkstück Seite 10

11 Freistrahl Scanner Einordnung des Verfahrens Strahlquelle Scanner Laserstrahlung Werkstück Seite 12

12 Intensitätsverteilung Einordnung des Verfahrens Freistrahl mit Gauß 10 6 Intensität I Gauß Top-Hat Faser mit Top-Hat Abstand von Strahlachse r / µm Seite 14

13 Einordnung des Verfahrens Vergleich mit anderen Verfahren Vorteile Kurze Prozesszeiten Einkopplung in flüssige Phase Keine sprunghafte Zunahme der Einschweißtiefe Geringere Verschmutzung Geringere Energieeinbringung Nachteile Schnelles Bewegungsystem Mittlere Leistung begrenzt Zykluszeit P av = P P f P τ H Seite 16

14 Übersicht Einleitung Grundlagen Einordnung des Verfahrens Seite 17

15 Werkstoffeigenschaften Bei Raumtemperatur Messing Kupfer Edelstahl CuZn37 CuNi3Si1Mg X5CrNi18 10 Absorption bei 1064 nm % Streckgrenze N/mm² E-Modul kn/mm² Wärmeleitfähigkeit W/(m*K) spez. Wärmekapazität kj/(kg*k) 0,377 0,385 0,504 Dichte kg(m³) Temperaturleitfähigkeit mm²/s 37,89 55,95 3,77 Linearer Ausdehnungskoeffizient 1/K 1,90E-05 1,76E-05 1,68E-05 Solidus C Liquidus C Seite 19

16 Absorptionsspektren Ergebnisse Nr. Material Dicke [mm] I II IV V VI VII CuFe2P K65 CuFe2P K65 CuSn6 B16 CuSn6 B16 CuSn6 B16 CuSn6 B16 Beschichtung 0,64 Mattverzinnung 2-4 µm 0,64 Mattverzinnung 2-4 µm 0,4 FVZ 6 µm 0,4 FVZ 6 µm 0,4 FVZ 3 µm 0,4 FVZ 3 µm Bemerkung Streifig WR Nicht streifig WR ungebürstet gebürstet ungebürstet gebürstet Seite 20

17 Überlapp X5CrNi18 10-CuZn37 Stahl Stahl 100 µm 20 µm Messing Stahl Zinkausgasung Messing Parameter: P =540 W 2w =260 µm 100 µm Messing Parameter: P =480 W 2w =260 µm Seite 21

18 Vergleich mit Simulation Volumenquelle Idealer Kontakt: P = 540W; Ø=316 [µm]; v = 10 [m/min]; Absorptionskoeffizient 0.8 spezielle Energieverteilungsfunktion (key hole) Seite 22

19 Überlapp X5CrNi18 10-CuNi3Si1Mg 100 µm Stahl Kaltriss Stahl 20 µm Kupfer Parameter: P =460 W 2w =260 µm Parameter: Kupfer P =540 W 2w =260 µm Seite 24

20 Überlapp X5CrNi CuNi3Si1Mg X12CrNi177 0,20mm CuNi3Si1Mg 0,25mm X12CrNi177 0,30mm CuNi3Si1Mg 0,25mm P = 533W, 2w=200 µm Seite 25

21 Überlapp Rissbildung Ursache Wärmeleitung Längenausdehnung Schrumpfung bei Erstarrung Metallurgisch Intermetallische Phasen Seite 26

22 Überlapp Kennfelder I=const Seite 27

23 Überlapp X5CrNi18 10-CuNi3Si1Mg Parameter: P =500 W 2w =320 µm Ergebnisse F Max =250 N t = 90 µm b =190 µm Seite 28

24 T-Stoß X5CrNi18 10-CuNi3Si1Mg 100 µm Stahl β 100 µm Stahl Kaltriss Parameter: P =400 W 2w =200 µm Kupfer β=60 Kupfer Geringere Bruchkraft Geringere Anbindungslänge Seite 30

Aussehen (1 2) Beide Verfahrensausprägungen, abhängig von P and Θ

25 T-Stoß X5CrNi18 10-CuZn37 2w = 200µm, P = 300 W, Θ i = 20, Θ s = -20, d = +50 µm Geringe Bruchkraft (< 100 N) 100 µm Schlechtes Aussehen (1 2) Beide Verfahrensausprägungen, abhängig von P and Θ i 2w=200µm, P = 600 W, Θ i = 40, Θ s = -20, d = +50 µm 100 µm Seite 31

26 T-Stoß X5CrNi18 10-CuZn37 Steel NORMAL 2w = 200 µm, P = 400 W Mittlere Bruchkraft ( N) Gutes Aussehen Brass 100 µm INVERTED 2w = 200 mm, P = 600 W Hohe Bruchkraft ( N) Schlechtes Aussehen Steel 100 µm Seite 32

27 Anwendungsbeispiele Balancier (CuBe2) max. Drehmoment T = 0.50 N cm Schweißtiefe s = 300 µm Seite 33

28 Anwendungsbeispiele Indicateur du Jour (Datumsscheibe) Q = 11.8 J τ H = 20,0 ms v f = 40 m/min N = 1 z = 0,15 mm α = 45 Material Scheibe Zahnrad Ms61Pb t = 100 µm Ms61Pb d = µm Seite 34

29 Anwendungsbeispiele K55 auf Cu-Sintermaterial Parameter τ H = 23ms E P = 58 J v= 25m/min 1 mm Seite 35

30 Anwendungsbeispiele Gesamtanlage mit manuellen Bestückplatz Verschweißen der einzelnen Kupferlaschen für Statorwicklung Nd:YAG-Laser, P = 300 W Schweißzeit 2x 20 ms Seite 36

Zusammenfassung Einsatz gepulster Nd:YAG-Laser Nahtbreiten b = 100 800 µm

31 Zusammenfassung Einsatz gepulster Nd:YAG-Laser Nahtbreiten b = µm Schnell und flexibel SHADOW als neues Verfahren Große Materialvielfalt Seite 37

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