Synchrotron-basierte in situ Analyse wellenlängenabhängiger Prozessphänomene beim Laserstrahlschweißen von Kupfer

Hummel, Marc Daniel; Reisgen, Uwe; Häfner, Constantin Leon

doi:HT031043895

Synchrotron-basierte in situ Analyse wellenlängenabhängiger Prozessphänomene beim Laserstrahlschweißen von Kupfer = Synchrotron-based in situ analysis of wavelength-dependent process phenomena for laser beam welding of copper

Hummel, Marc Daniel^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeMarc Daniel Hummel

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-269-6

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Lasertechnik. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Häfner, Constantin Leon (Thesis advisor)^RWTH* ; Reisgen, Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04084
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010404/files/1010404.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der steigende Bedarf an elektrischen Systemen und Batteriespeichern bedarf hochqualitativer und effizienter Schweißprozesse für Kupfermaterialien. Diese bieten höchste elektrische Leitfähigkeit, sind aber gleichzeitig, auf Grund ihrer hohen Reflektivität für Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich, herausfordernd zu bearbeiten. Neuartige Laserstrahlquellen im sichtbaren Wellenlängenbereich von 515 nm bieten, auf Grund des höheren Grundabsorptionsgrads, eine Alternative für etablierte Schweißprozesse. Damit diese Laserstrahlquellenindustriell eingesetzt werden können, müssen grundlegende Prozessphänomene verstanden und Unterschiede zu dem aktuellen Stand der Technik bekannt sein. In dieser Arbeit wird das Laserstrahlschweißen von Kupferbasislegierungen inForm von CuSn6 und Cu-ETP mit Laserstrahlquellen von 515 nm und1030/1070 nm Laserstrahlwellenlänge betrachtet. Dazu wird auf Basis von Phasenkontrast-Bildgebung mit Synchrotronstrahlung eine Diagnosemethodik für den Spezialfall des Laserstrahlschweißens ausgelegt. Dabei werden zeitliche Auflösungen von 5000 Hz und örtliche Auflösungen von 6 µm erreicht. Mitdiesem Ansatz werden grundlegende Prozessphänomene in situ beim Schweißen, unter Einsatz der zwei verschiedenen Laserstrahlwellenlängen, untersucht. Im Fokus der Betrachtung stehen dabei die qualitätsbestimmenden Faktoren wie Einschweißtiefe, Schweißnahtbreite und Porosität. Zusätzlich wird durch die hochaufgelöste Visualisierung der inneren Prozessphänomene die Laser-Material-Wechselwirkung in Abhängigkeit von Laserprozessparametern wie Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit analysiert. Durch Einsatz der gewonnen Erkenntnisse wird die Weiterentwicklung einer Schweißmethodik mit überlagerter örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulation durchgeführt. Dadurch wird eine Verbesserung der Einschweißtiefenkonstanz am Schweißnahtgrund erreicht und eine flexible Steuerung der Einschweißtiefe ermöglicht. Anhand einer artungleichen Fügekonfiguration aus Kupfer und Edelstahl im Stumpfstoß, wird die Schweißmethode in der Anwendung demonstriert. Durch eine kombinierte Herangehensweise aus Grundlagenuntersuchung und konsequentem Transfer des Wissens in die Anwendung, trägt diese Arbeit zur Erweiterung des Prozessverständnisses für das Laserstrahlschweißen von Kupfer bei.

The increasing demand for electrical systems and battery storage requires highquality and efficient welding processes for copper materials. These offer maximum electrical conductivity but are also challenging to process due to their high reflectivity for laser radiation in the near infrared range. Novel laser beam sources in the visible wavelength range of 515 nm offer an alternative for established welding processes due to their higher absorptivity on copper. For these laser beam sources to be used industrially, fundamental process phenomena must be understood and differences to the current state of the art must be known. In this work, the laser beam welding of copper-based alloys in the form of CuSn6and Cu-ETP with laser beam sources of 515 nm and 1030/1070 nm laser beam wavelength is examined. For this purpose, a diagnostic methodology for the special case of laser beam welding is designed on basis of phase-contrast imaging with synchrotron radiation. Temporal resolutions of 5000 Hz and spatial resolutions of 6 µm are achieved. This approach is used to investigate fundamental process phenomena in situ during welding, using the two different laser beam wavelengths. The focus is on quality-determining factors such as welding depth, weld seam width and porosity. In addition, the high-resolution visualization of internal process phenomena is used to analyse the laser-material interaction as a function of laser process parameters such as laser power and feed rate. The knowledge gained will be used to further develop a welding methodology with superimposed spatial and temporal power modulation. The result is an improvement of the welding depth consistency at the weld seam root and enables flexible control of the welding depth. The welding method is demonstrated in application using a dissimilar joining configuration of copper and stainless steel in butt joint configuration. Through an approach of combined basic research and consistent transfer of knowledge into application, this work contributes to the expansion of process understanding for laser beam welding of copper.

OpenAccess:
PDF
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