Innovatives Laserschweißen: Das Unsichtbare sichtbar machen

Auch Bosch Research will es ganz genau wissen – was passiert zum Beispiel während des Schweißens in einem Bauteil? Wir wollen verstehen, welche Wirkprinzipien kritische Fehler in Schweißnähten verursachen. Dank dieses Know-hows ist Bosch in der Lage, mit dem Laser geschweißte Verbindungen in einer Vielzahl von Produkten in hoher Qualität herzustellen. Das ist besonders wertvoll für die Elektromobilität mit Produkten wie Elektromotoren oder Leistungselektronik. Dafür machen die Forscher des Bosch Research Projekts „Adapted Laser Processing for E-Mobility“, Andreas Heider, Christoph Bantel und Roland Gauch am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY das Unsichtbare mit Röntgenstrahlung sichtbar.

Das DESY ist ein Forschungszentrum der deutschen Helmholtz-Gemeinschaft und zählt zu den weltweit führenden Beschleunigerzentren. Mit den DESY-Großgeräten erkunden Forscherinnen und Forscher den Mikrokosmos – von Elementarteilchen über das Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe bis hin zu Prozessen, die zwischen Biomolekülen ablaufen. Der dafür notwendige komplexe Versuchsaufbau und die Organisation wurde vom Fraunhofer Institut gemeinsam mit DESY realisiert. Nur durch die gemeinsame Nutzung der Experimentieranlage mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), dem Institut für Strahlwerkzeuge an der Universität Stuttgart (IFSW) und dem Bayerischen Laserzentrum (BLZ) war es möglich, diese Experimente durchzuführen.

Im Rahmen der Kooperation konnten sie beobachten, was während des Laserstrahl-Schweißens im Bauteil passiert. Nahtfehler, die während und nach dem Schweißen auftreten, können häufig zu einer fehlerhaften Schweißnaht oder im schlimmsten Fall zum Versagen des Bauteils führen. Die Ursache von Nahtfehlern zu kennen ist daher von entscheidender Bedeutung. Schweißprozesse dauern teilweise nur wenige Tausendstel bis hundertstel Sekunden – entstehende Nahtfehler sind daher nur sehr schwer zu beobachten. Das Wissen über Wechselwirkungsmechanismen zwischen Laserstrahl und Werkstoff wird zur Auslegung von robusten und schnelleren Prozessen genutzt. Das macht die Produkte nicht nur kostengünstiger, sondern minimiert auch Produktionsfehler.

Klassische Untersuchungsmethoden wie Schliffbilder zeigen nur das Ergebnis der Schweißnaht nach dem Schweißen. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigen den Prozess nur von oben. Für das Verständnis der Wirkprinzipien ist der „Blick ins Bauteilinnere“ mittels Synchrotron-Röntgenstrahlung während des Schweißens besonders wertvoll. Und hier kommt DESY ins Spiel: Die kohärente Röntgenstrahlung, die an DESYs hochbrillanter Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III erzeugt wird, erlaubt den Blick ins Innere beim Schweißen. Metalle wie Kupfer konnten bei den Experimenten erstmals mit bis zu 10.000 Bildern pro Sekunde durchleuchtet werden. Die Auflösung der Bilder ist dabei so fein wie die halbe Dicke eines menschlichen Haares.

Mit sorgfältig konzipierten und vorbereiteten Versuchen wurden gezielt produktionsrelevante Wirkprinzipien erforscht. Besonders interessant war dabei der Einfluss der Laserwellenlänge neuer grüner und blauer Laserstrahlquellen auf die Prozessstabilität. Zusätzlich konnten die physikalischen Vorgänge bei unterschiedlichen Prozessstrategien, Materialien und die Auswirkung von kontaminierten Oberflächen auf das Schweißergebnis analysiert und bewertet werden.

Dank dieser Kooperation konnten die Bosch Research Experten beobachten und analysieren, was zuvor noch keiner gesehen hatte. Aus dem generierten Prozessverständnis werden Vorteile für die Produktion von Bosch erarbeitet. Die laserbasierten Fügeprozesse tragen damit zur nachhaltigen, innovativen und kosteneffizienten Fertigung von Bosch bei. Davon profitieren aktuelle und zukünftige Produkte in der Elektromobilität.