"Entwicklung und Integration eines laserbasierten Faserauftragschweiß- und Temperprozesses für Quarzglasprodukte" im Rahmen des Eurostars Projekts E! 115571 LaFiWeG "Vollautomatisches laserbasiertes Faserauftragschweißen für Quarzglasprodukte"

Abstract

Das Konsortium des Eurostars Projektes E! 115571 LaFiWeG besteht aus den Mitgliedern Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), LMB Automation GmbH (LMB), Korea Institute of Machinary and Materials (KIMM) und EV LASER Co., Ltd (EVLASER). Das übergeordnete Ziel des Gesamtvorhabens besteht in der Entwicklung einer Demonstrationsmaschine für ein automatisiertes Laserschweißverfahren. Die im Projekt zu entwickelnde Demonstratoranlage wird aus einem laserbasierten Prozesskopf und Achsensystem bestehen. Der von LMB konstruierte Prozesskopf ist mit einem Galvanometerscanner ausgestattet. Dieser erlaubt neben dem laserbasierten Schweißprozess auch eine Verwendung zum laserbasierten Tempern der Schweißnaht. Darüber hinaus soll ein vom KIMM entwickeltes optisches Kohärenztomographie System (OCT) genutzt werden, um die Qualität der Schweißnaht zu überprüfen. EVLASER wird die Entwicklung der Anlagensteuerung und Implementierung des Prozesskopfes in eine Demonstratoranlage durchführen. Im Verlauf des Gesamtprojektes werden bei den Projektpartnern unterschiedliche Kompetenzen entwickelt. So ist das LZH nach Projektende in der Lage, den laserbasierten Faserschweißprozess zu charakterisieren und zu optimieren. Die Ergebnisse bedienen die marktrelevanten Technologien in Hinblick auf die Applikation von homogenen Quarzglasschweißnähten, die nicht nur eine geringe Defektdichte (z.B. Lufteinschlüsse), sondern auch geringe eingebrachte thermische Spannungen enthalten. Nach Projektlaufzeit ist damit zu rechnen, dass die Technologie zum jetzigen Stand einen neuen Standard bei der Quarzglasverarbeitung setzen kann. Im Rahmen des Teilvorhabens wurde am LZH der laserbasierten Schweiß- und Temperprozesse entwickelt. In der ersten Hälfte der Projektlaufzeit wurde ein geeigneter Parametersatz zur vollständigen Verfüllung des V-Spaltes bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,33 mm/s (20 mm/min) ermittelt. Es konnte festgestellt werden, dass die 400 μm dicke Glasfaser höchstens 1–2 mm in den Laserspot (Spotdurchmesser: 5 mm) eindringen darf, damit die Schmelze in den unteren Bereich des V-Stoßes fließt. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass eine Vergrößerung des Winkels zwischen der Faser und dem Glassubstrat von 45° auf 55° zu einer homogeneren Schweißnaht führt. Der Glasfaservorschub muss mindestens 13,33 mm/s betragen, um bei einer Laserleistung von 166 W eine vollständige Verfüllung des V-Spaltes zu erzielen. Im weiteren Verlauf des Projekts wurde eine Erhöhung der Substratvorschubgeschwindigkeit auf 1 mm/s vorgenommen. Um eine vollständig verfüllte Schweißnaht zu erhalten, wurde die Laserleistung auf 250 W erhöht und der Laserspotdurchmesser von 5 auf 6 mm vergrößert. Dadurch konnten in der Prozesszone ähnliche Temperaturen bei kürzerer Prozesszeit erreicht werden. Zudem war eine Erhöhung des Faservorschubs auf über 50 mm/s und eine Verschiebung des Kontaktpunktes der Faser im Laserspot auf 6 mm erforderlich. Die Untersuchung der Schweißnahtfüllung bei Faserdurchmessern von bis zu 1 mm ergab, dass eine vollständig verfüllte Schweißnaht lediglich mit einer Geschwindigkeit von maximal 0,5 mm/s erreicht werden konnte. Der Faservorschub betrug hierbei 25 mm/s, bei einer Leistung von 250 W. Der Kontaktpunkt Faser-Glas im Laserspot (Durchmesser 6 mm) lag bei ca. 4,5 mm. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Höhe der Schweißnaht mittels des Crossjetdrucks zu regulieren. Bei einem Druck von weniger als 0,5 bar erfolgte keine vollständige Füllung des Spalts, sodass sich unter der Schweißnaht und dem Kontaktpunkt der Gläser ein Luftkanal ausbildete. Mit steigendem Crossjetdruck drang die Schweißnaht tiefer in den Spalt ein. Bei einem Crossjetdruck von 0,5 bar war die Schweißnaht vollständig gefüllt, es bildeten sich kaum Blasen und die Oberfläche war homogen. Bei einem Crossjetdruck von über 0,6 bar kam es vermehrt dazu, dass die Faser den Spalt durchstach und auf der Rückseite eine inhomogene Schweißnaht ausbildete. Zusätzlich entstanden Welligkeiten auf der Oberfläche. Die thermischen Spannungen, die während des Laserprozesses zusätzlich im Quarzglas eingebracht wurden, wurden mit einem Polarimeter untersucht. Bei Erreichen von Spannungswerten über 10 MPa erfolgte die Durchführung eines nachgeschalteten Temperprozesses. Zu diesem Zweck generierte der Galvanometerscanner eine 35 mm lange Laserlinie, die anschließend mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 40 mm/min über die Schweißnaht geführt wurde. Hierbei zeigte sich, dass eine Temperatur von 1450 °C, somit über der Glasübergangstemperatur von 1130 °C, erreicht wurde, wobei sich die Spannungen um ca. 5 MPa reduzierten.