Das Laser-Applikations-Zentrum (LAZ) der Hochschule Aalen forscht und entwickelt an neuen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung. So werden innerhalb öffentlicher Forschungsprojekte innovative Werkstoffe für die Additive Fertigung entwickelt und untersucht, darunter Magnetwerkstoffe oder Energiespeichermaterialien für die Elektromobilität.

Ein weiterer Schwerpunkt ist der Leichtbau. Hier werden unter anderem metallische Mischverbindungen und hybride Leichtbaustrukturen aus Aluminium und CFK für CO2-effiziente Mobilitätskonzepte untersucht. Die neuentwickelten Verfahren Aluminium-Laserpolieren und Hochtemperatur-Kapillarspaltlöten finden bereits Anwendung in Industrieprojekten.

Laserprozesse sind hochdynamische, thermisch induzierte Prozesse und mit bloßem Auge nicht zu erfassen. Oft eingesetzte visuelle Kameras können den Wärmefluss im Bauteil nicht sichtbar machen. Auch eine berührende Temperaturmessung der bewegten Metallschmelzen ist nicht möglich. Zudem soll die Bearbeitungszone frei von Einflüssen des Prüfsystems bleiben. Genau das leisten Wärmebildkameras, die gleichzeitig hohe Bildfrequenzen und geometrische Auflösungen bieten.

Wärmebildkamera in der Laserbearbeitung

Die Fertigung mit dem Laser stellt spezielle Anforderungen an eine Wärmebildkamera. Typischerweise herrschen Bearbeitungstemperaturen von 500 bis 2.000 Grad Celsius. Zudem gilt es, die Komponenten der Kamera vor Spritzern aus dem Bearbeitungsprozess zu schützen. Finden die Laserprozesse zur Bearbeitung unter gezielter Prozessatmosphäre in Prozesskammern statt, ist die Messstrecke mit einem Prozessgas angereichert.

Speziell die Optik der Kamera muss vor der reflektierten Laserstrahlung geschützt werden. Sie wird daher mit einer Laserschutzlinse für Festkörperlaser sowie einem Filter für die Durchglas- und Hochtemperaturmessung ausgestattet. Damit lässt sich die Kamera in unmittelbarer Nähe zu den Laserstrahlen problemlos nutzen.

Die Wärmebildkamera ›Image IR 8300 HP‹ von Infratec unterstützt das LAZ durch ihr hohes Auflösungsvermögen. Dank der Micro-Scan-Funktion der Kamera lassen sich Aufnahmen mit einer geometrischen Auflösung von mehr als einem Mega-Pixel erstellen. Dank des Optik-Pakets aus Tele-Objektiv mit 50-Millimeter-Brennweite und der Makro-Vorsatzlinse zur Reduktion des minimalen Fokussierabstands auf 170 Millimeter passen die Forscher die Kamera an wechselnde Arbeitsabstände und Größen der Messobjekte an.

Temperierungsverhaltens analysieren

Das LAZ der Hochschule Aalen setzt sich mit dem Laser-Hochtemperatur-Kapillarspaltlöten korrosionsfester Stähle für Rohr-Baugruppen auseinander. Im Gegensatz zum Induktions- und Ofenlöten dient der Laserstrahl als flexibles und effizientes Werkzeug. Die Herausforderung besteht zum einen in der benötigten hochreinen, reduzierenden Prozessatmosphäre zur Beseitigung der Oxidschichten für eine gute Benetzung des Kupferlotes und zum anderen in der gleichmäßigen Temperierung der Fügezone.

Für die homogene Durchwärmung wird der Laserstrahl mit einem koaxial integrierten High-Speed-Pyrometers mit Abtastraten von mehreren Kilohertz auf die gewünschte Temperatur von 1.300 Grad Celsius geregelt. Neben der Temperaturregelung hat die Belichtungsstrategie Einfluss auf die Ausbildung der Temperaturzonen. Zur Prozessentwicklung wird neben der FEM-Simulation bei den empirischen Versuchen die Wärmebildkamera eingesetzt.

Die Versuche finden in einer Sechs-Achs-Laserzelle mit einem infraroten Vier-Kilowatt-Scheibenlaser statt. Die Versuchsgeometrie besteht aus einer Rohr-Steckverbindung, austenitischem Chrom-Nickelstahl 1.4301, mit Außenrohrdurchmessern von 10 oder 7,9 Millimetern. Drei um 120 Grad versetzte Heftpunkte fixieren die Rohr-Steckverbindung. Als Lot dient Rein-Kupfer in Form eines Lotringes. Die für die Versuche genutzte, sauerstoffreduzierte Prozesskammer hat ein laserdurchlässiges Strahleintrittsfenster im Deckel.

Die Lötversuche werden unter Formiergasatmosphäre bei einem Restsauerstoffgehalt von unter 150 ppm durchgeführt. Die Atmosphäre wird mittels eines Restsauerstoffmessgerätes überwacht. Während des Prozesses rotiert die in einem Drei-Backenfutter gespannte Lötbaugruppe mit einer externen Maschinenachse um die Rohrachse. Der Laserstrahl ist auf einen Durchmesser von neun Millimeter fokussiert und temperiert radial die äußeren Oberflächen der Fügezone. Das Strahlzentrum ist dabei zentrisch zum Lotring orientiert.

Aufheizen, Löten, Abkühlen

Der Laserlötprozess untergliedert sich in die drei Phasen Aufheizen, Löten mit Bauteilrotation und Abkühlen. Während der Aufheizphase erhitzt der Laser stationär die zugewandte Bauteiloberfläche auf die Regeltemperatur von 1.300 Grad Celsius. Während der Lötphase führt die Baugruppe bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 540 Grad pro Minute eine vollständige Rotation durch. Nach dem Aufschmelzen des Kupfer-Lotdepots setzt die Lotspaltfüllung ein.

Aufgrund der geringeren Emission von Kupfer erscheint die sich ausbildende Hohlkehle kühler als die umgebende Stahloberfläche der Fügepartner. Bedingt durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Lotes setzt zu diesem Zeitpunkt auch die Durchwärmung des Innenrohres ein. Nach Ende der vollständigen Rotation und Abschalten des Lasers kühlt das Bauteil in 18 Sekunden auf unter 600 Grad Celsius ab.

Die Messdaten der Wärmebildkamera ermöglichen eine nachgelagerte Prozessanalyse. Aufgrund der Auswertung der Thermografiedaten konnte die Temperierungsstrategie optimiert und damit Lötzeiten von unter zehn Sekunden realisiert werden.

Prozesswissen sammeln

Die Thermografie liefert wichtige Erkenntnisse bei der Prozessentwicklung des Laserlötens. So lassen sich optimierte Bahnplanungen für eine optimale Durchwärmung erkennen und damit gleichzeitig die thermische Belastung der umgebenden Zonen reduzieren. Vergleichbare Effekte erhofft sich das LAZ bei ähnlichen Aufgaben. So soll mithilfe der Wärmebildkamera beim Selektiven Laserstrahlschmelzen die Temperaturverteilung in der Schichtebene erfasst werden. Der Fokus liegt hier auf dem Aufheiz- und Abkühlungsverhalten der Materialien.