Civans OPA6-Laser stellt die Strahlformungstechnologie der kohärenten Kopplung mehrerer Faserlaser erstmals für das Laserschweißen zu Verfügung. Diese Technologie ermöglicht die flexible Erzeugung einer Vielzahl verschiedener, quasi-statischer Intensitätsverteilungen, sowie deren dynamische Modulation und Kombination in Frequenzen von bis zu mehreren MHz. Hieraus erschließen sich riesige Möglichkeiten an neuartigen Stellgrößen, um den Schweißprozess gezielt zu beeinflussen. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die quasi-statischen Intensitätsverteilungen verschiedener Strahlformen, welche mit dem OPA6-Laser generiert werden können.
Um diese neuartigen Stellgrößen systematisch zur Prozessoptimierung einsetzen zu können, muss die Wechselwirkung solcher dynamisch modulierter Laserstrahlen mit dem Werkstoff grundlegend erforscht werden.
Hierfür wurde im Rahmen einer Kooperation mit Civan ein OPA6-Laser in die Online-Röntgenanlage des IFSW integriert (siehe Abbildung 2).
Anhand der Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen kann das dynamische Verhalten der Kapillare im Schweißprozess analysiert, sowie dreidimensionale Rekonstruktionen der Kapillargeometrien erstellt werden. In Kombination mit der IFSW-eigenen Raytracing-Software ermöglicht dies die Analyse des Einflusses der dynamischen Strahlformung auf den Energieeintrag. Beispielhaft wurde dies in [1] erstmals gezeigt. In Verbindung mit weiteren Diagnosewerkzeugen wie die Rückreflexmessung, Optische Kohärenztomografie (OCT), Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Kapillaröffnung, der Schmelzebadoberfläche und der Spritzerbildung sowie die Messung von thermischer Strahlung und nachträglichen metallographischen Analysen ist eine ganzheitliche Betrachtung der Wirkkette vom Energieeintrag bis zur Wiedererstarrung und Gefügebildung in der Schweißnaht möglich. Abbildung 3 zeigt in der oberen Reihe Mittelwertbilder aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die das Potenzial verdeutlichen, mittels Strahlformung die Kapillargeometrie zu formen. In der unteren Reihe sind die Mittelwertbilder mit der jeweils verwendeten quasi-statischen Intensitätsverteilung überlagert, was die hohe Übereinstimmung zwischen eingestellter und beobachteter Kapillargeometrie verdeutlicht.
Erste Untersuchungen wurden bereits im Rahmen der IIW 2022, SLT 2022 sowie LANE 2022 vorgestellt und in [1,2] veröffentlicht und zeigen das hohe Potential der dynamischen Strahlformung zur dynamischen Modulierung der Kapillargeometrie.
[1] Wagner, J.; Leis, A.; Armon, N.; Nissenbaum, A.; Hagenlocher, C.; Holland, J.; Weber, R.; Graf, T. Coherent beam combining – unlimited flexibility in laser material processing. PhotonicsViews 2022, 19, 60–63, doi:10.1002/phvs.202200024.
[2] Wagner, J.; Heider, A.; Ramsayer, R.; Weber, R.; Faure, F.; Leis, A.; Armon, N.; Susid, R.; Tsiony, O.; Shekel, E.; et al. Influence of dynamic beam shaping on the geometry of the keyhole during laser beam welding. Procedia CIRP 2022, 111, 448–452, doi:10.1016/j.procir.2022.08.185.
