Präzisionserhöhung beim Laserstrahl-Mikroschweißen durch angepasstes Energiemanagement

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2-3 Tage
Autor:
Häusler, André
ISBN
978-3-86359-933-1
39,00 €
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Quick Overview

Zur Kompensation von Fehlstellen bietet der Einsatz einer Leistungsmodulation beim Laserstrahl-Mikroschweißen von Kupfer hinsichtlich der Gestaltung und Qualität neue Freiheitsgrade. Durch eine zeitlich und örtlich hochaufgelöste Messung der Energieeinbringung und einer kombinierten Verwendung der örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation wird mit dieser Arbeit ein grundlegendes Prozessverständnis zur Beeinflussung der Präzision und Effizienz beim Laserstrahl-Mikroschweißen bereitgestellt.

Die zunehmende Elektrifizierung von Automobilen erfordert eine Vielzahl an Fügeverbindungen an elektrisch und thermisch hochleitenden Materialien. Neben dem Widerstands- oder Ultraschallschweißen stellt das Fügen mit Laserstrahlung eine hochautomatisierte, kontaktlose und reproduzierbare Verbindungstechnologie dar, welche flexibel für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden kann. Die industriell verfügbaren Laserstrahlquellen arbeiten zur Erfüllung dieser Aufgabe im Wellenlängenbereich λ ≈ 1 µm, in dem besonders Kupfer einen geringen Absorptionsgrad aufweist, welcher zu einer instabilen Energieeinbringung und damit zu Prozessunruhen führen kann. Um dennoch einen stabilen Tiefschweißprozess realisieren zu können, ist eine Intensität gefordert, die entweder durch eine Reduzierung des Fokusdurchmessers oder durch eine Erhöhung der Laserleistung erreicht werden kann. Letzteres führt aufgrund einer höheren energetischen Belastung bei thermisch sensiblen Bauteilen zu einer Schädigung. Kleinere Fokusdurchmesser führen wiederum zu geringen Anbindungsquerschnitten, welche für elektrisch leitende Anwendungen nachteilig sind.
Zur Kompensation der geringen Anbindungsquerschnitte bietet der Einsatz einer örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation beim Laserstrahl-Mikroschweißen hinsichtlich der Gestaltung und Qualität der resultierenden Fügestellen neue Freiheitsgrade. Der Begriff der örtlichen Leistungsmodulation bezieht sich auf eine kreisförmige Überlagerung der linearen Vorschubgeschwindigkeit, woraus sich eine spiralförmige Bahnbewegung des Laserstrahls ergibt, wohingegen die zeitliche Leistungsmodulation zu einer kontinuierlichen Veränderung der Laserleistung über die Prozesszeit führt. Neben den prozesstechnischen Grundlagen werden im Zuge dieser Arbeit sowohl experimentell als auch simulativ die Einflüsse der einzelnen Kompensationsmethoden auf Effizienz und Präzision eines Laserstrahl-Mikroschweißprozesses untersucht. Die Effizienz ist dabei definiert als Quotient aus aufgeschmolzenen Volumen und Laserleistung, wohingegen die Präzision mit Hilfe der Größen Einschweißtiefenkonstanz und Nahtoberflächenrauheit quantifiziert wird. Durch eine zeitlich und örtlich hochaufgelöste Messung der Energieeinbringung und einer kombinierten Verwendung der örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation wird mit dieser Arbeit ein grundlegendes Prozessverständnis zur Beeinflussung der Präzision und Effizienz beim Laserstrahl-Mikroschweißen bereitgestellt.

 

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Autor Häusler, André
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Gewicht 0.241 kg
Erscheinungsdatum 04.02.2021
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Die zunehmende Elektrifizierung von Automobilen erfordert eine Vielzahl an Fügeverbindungen an elektrisch und thermisch hochleitenden Materialien. Neben dem Widerstands- oder Ultraschallschweißen stellt das Fügen mit Laserstrahlung eine hochautomatisierte, kontaktlose und reproduzierbare Verbindungstechnologie dar, welche flexibel für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden kann. Die industriell verfügbaren Laserstrahlquellen arbeiten zur Erfüllung dieser Aufgabe im Wellenlängenbereich λ ≈ 1 µm, in dem besonders Kupfer einen geringen Absorptionsgrad aufweist, welcher zu einer instabilen Energieeinbringung und damit zu Prozessunruhen führen kann. Um dennoch einen stabilen Tiefschweißprozess realisieren zu können, ist eine Intensität gefordert, die entweder durch eine Reduzierung des Fokusdurchmessers oder durch eine Erhöhung der Laserleistung erreicht werden kann. Letzteres führt aufgrund einer höheren energetischen Belastung bei thermisch sensiblen Bauteilen zu einer Schädigung. Kleinere Fokusdurchmesser führen wiederum zu geringen Anbindungsquerschnitten, welche für elektrisch leitende Anwendungen nachteilig sind.
Zur Kompensation der geringen Anbindungsquerschnitte bietet der Einsatz einer örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation beim Laserstrahl-Mikroschweißen hinsichtlich der Gestaltung und Qualität der resultierenden Fügestellen neue Freiheitsgrade. Der Begriff der örtlichen Leistungsmodulation bezieht sich auf eine kreisförmige Überlagerung der linearen Vorschubgeschwindigkeit, woraus sich eine spiralförmige Bahnbewegung des Laserstrahls ergibt, wohingegen die zeitliche Leistungsmodulation zu einer kontinuierlichen Veränderung der Laserleistung über die Prozesszeit führt. Neben den prozesstechnischen Grundlagen werden im Zuge dieser Arbeit sowohl experimentell als auch simulativ die Einflüsse der einzelnen Kompensationsmethoden auf Effizienz und Präzision eines Laserstrahl-Mikroschweißprozesses untersucht. Die Effizienz ist dabei definiert als Quotient aus aufgeschmolzenen Volumen und Laserleistung, wohingegen die Präzision mit Hilfe der Größen Einschweißtiefenkonstanz und Nahtoberflächenrauheit quantifiziert wird. Durch eine zeitlich und örtlich hochaufgelöste Messung der Energieeinbringung und einer kombinierten Verwendung der örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation wird mit dieser Arbeit ein grundlegendes Prozessverständnis zur Beeinflussung der Präzision und Effizienz beim Laserstrahl-Mikroschweißen bereitgestellt.

 

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Institut für Industriekommunikation und Fachmedien (IIF) GmbH an der RWTH Aachen

Steinbachstr. 25
52074 Aachen
Deutschland