Dmitri Donst - Entwicklung eines Zweistrahlverfahrens zum flussmittelfreien Laserstrahlhartlöten von Aluminiumblechwerkstoffen

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Produktbeschreibung

Aluminium ist das meistverwendete Leichtmetall, das drei wichtige Eigenschaften in sich vereint: geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Aluminiumlegierungen als Konstruktionswerkstoffe in verschiedenen Produkten eingesetzt. lm Rahmen vieler Konstruktionen müssen Bauteile kostengünstig und daher stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Ein wirtschaftliches stoffschlüssiges Verfahren mit vielen technologischen Vorteilen ist das Laserstrahlhartlöten. Derzeit ist das Laserlöten von Aluminium nur unter Einsatz von chemischen Flussmitteln möglich. Die Flussmittel zerstören die Oberflächenoxidhaut und ermöglichen dadurch die Benetzung und somit den Lötprozess. Allerdings sind Flussmittel aufwändig zu applizieren sowie gesundheits- bzw. umweltschädlich und deshalb in einer Fertigungsumgebung unerwünscht. Daher wird das Laserlöten von Aluminium bis heute in keiner industriellen Anwendung umgesetzt, obgleich ein enormer Bedarf seitens der lndustrie vorhanden ist. An diesem Punkt setzt diese Arbeit an und hat zum Ziel, das flussmittelfreie Laserstrahlhartlöten von Aluminiumblechwerkstoffen mittels Zweistrahlverfahren zu entwickeln. Ein cw-Lötlaser bringt hierbei die Wärmeenergie in den Prozess ein. Der zweite Pulslaserstrahl (pw) zerstört die Oxide, verbessert die Benetzung und ermöglicht dadurch den flussmittelfreien Lötprozess. Die beiden Laserstrahlen werden hierbei überlagert. Aufbauend auf den analytischen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen erfolgt zunächst die Entwicklung eines Prozesserklärungsmodells. Dabei werden anhand von Analogieuntersuchungen und Simulationen grundlegende Prozessmechanismen analysiert und erklärt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in experimentellen Untersuchungen zum Laserlöten industrierelevanter Bördel- und Kehlnahtgeometrien angewandt. Hierbei werden erstmalig Laserlötnähte flussmittelfrei gefügt, deren Zugfestigkeit die Festigkeit des eingesetzten Grundwerkstoffs übersteigt. Gegenüber dem Stand der Forschung wird eine signifikante Steigerung der Lötgeschwindigkeit, Prozessstabilität und Qualität der Verbindung erzielt. Abschließend findet ein Wissenstransfer auf Demonstrationsbauteile statt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das enorme Potential der neu entwickelten Technologie auf und eröffnen ein weites Spektrum an möglichen Anwendungen, die bis dahin nicht in Frage kamen. Die zudem entwickelte Laserbearbeitungsoptik stellt den ersten Schritt für die Weiterentwicklung der Technologie dar und zeigt die weitreichenden Perspektiven für die Lasersystemtechnik. Hierzu zählen sowohl die Peripheriegeräte wie z.B. Drahtvorschub, als auch die notwendigen Laserstrahlquellen sowie Strahlführungs- und Fokussiersysteme.