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FEM

Modellierung von Temperatur- und Spannungsfeldern zum Laserschweißen von Keramik



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Abb.1: berechnetes Temperaturfeld

Mit dem am LaserInstitut Mittelsachsen e.V. entwickelten Laserzweistrahlverfahren zum Schweißen von Keramik kann dem Einsatz von keramischen Bauteilen zukünftig ein breiteres Anwendungsfeld eröffnet werden. Innerhalb umfangreicher Forschungsarbeiten ist es gelungen, einen Entwicklungsstand zu erreichen, der ein rißfreies Verschweißen von Bauteilen mit hohen Festigkeiten ermöglicht. Eine detailliertere Beschreibung des Verfahrens und der erzielten Ergebnisse wurde u.a. im Laser Magazin 04/96 veröffentlicht. Inzwischen ist ein weiterer Schritt in Richtung verbesserter Beherrschbarkeit der Laserschweißtechnologie durch die Modellierung der für die Schweißung notwendigen Temperaturfelder zur Vorheizung vollzogen worden. Der nachfolgende Beitrag gibt einen Einblick in die Möglichkeiten des Modellierungsverfahrens.

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Abb.2: berechnetes Spannungsfeld

Um die komplexen Einflüsse beim Laserfügen von Keramik besser einschätzen, und es damit schneller und flexibler für verschiedene Anwendungsfälle optimieren zu können, bestand die Notwendigkeit der Berechnung der laserinduzierten Temperatur- und der daraus resultierenden Spannungsfelder. Als Ergebnis können durch eine entsprechende Temperaturfeldgestaltung Risse im Material vermieden werden. Zur mathematischen Modellierung wurde die Finite - Element - Methode (FEM) unter Zuhilfenahme des Programmpakets ANSYS genutzt.
Zunächst wurden grundlegende Berechnungsmöglichkeiten des ANSYS - Programmes anhand einer einfachen Geometrie analysiert. Die dabei erhaltenen Aussagen standen in guter Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen und bildeten die Basis für ein komplexeres Vorgehen.

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Abb.3: berechneter Spannungsverlauf

Hierzu wurde eine im Experiment zu realisierende Verschweißung von transparenter und weißer Aluminiumoxidkeramik untersucht. Der Versuchsaufbau entspricht der im Bild 1 dargestellten geometrischen Anordnung. Die Halterung der beiden Fügepartner bestand aus zwei vertikal stehenden, isolierenden Keramikplatten. Mittels des zum Vorheizen eingesetzten CO2 - Lasers wurde anfänglich ein homogener, ganzflächiger Energieeintrag auf die Fügepartner realisiert. Dabei war jedoch häufig eine typische, in der Abbildung 4 wiedergegebene Rißbildung zu verzeichnen. Um dieses Verhalten insbesondere bezüglich der thermisch induzierten Spannungsfelder näher zu untersuchen, wurden für die beschriebene Anordnung FEM - Berechnungen durchgeführt.

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Abb.4: Rißbild nach homogenen Energieeintrag

Die Simulation dieser Versuchsdurchführung ergab für den Fall des stationären Zustands das im Bild 1 dargestellte Temperaturfeld, welches deutliche Temperaturunterschiede für die Fügepartner an den Auflageflächen ausgibt. Qualitativ gleichwertige Ergebnisse erhält man mittels pyrometrischer Temperaturmessungen. Das bezüglich des Rißverhaltens wesentlichste Ergebnis dieser Modellierung ist das für die transparente Keramikplatte berechnete Feld mechanischer Spannungen, dessen Verlauf der Abbildung 2 zu entnehmen ist. Dabei ist insbesondere an den länglichen Seitenflächen eine deutliche Ausbildung von Zugspannungen zu verzeichnen, wobei der größte Betrag an der hinteren Seitenfläche mit einem Betrag von 148 MPa ausgewiesen wird. Dieses Resultat deckt sich direkt mit den Versuchsergebnissen, bei denen genau an dieser Stelle eine Rißbildung auftrat (vgl. Bild 4).

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Abb.5: Rißfreie Verschweißung bei angepaßtem Energieeintrag

Überlegungen, wie ein rißfreies Vorheizen der Fügepartner erreicht werden könnte, führten zu dem Schluß, daß dazu der Wärmeverlust, der durch die Halterplatten hervorgerufen wird, kompensiert werden muß. Erreicht werden kann das durch einen entsprechend höheren Energieeintrag in diesem Bereich. Diese Möglichkeit wurde zunächst durch eine weitere Berechnung analysiert, bei der im Auflagebereich die Simulation eines doppelt so großen Energieeintrag erfolgte. Die Darstellung der so berechneten Temperaturverteilung ergab ein zur Abbildung 1 ähnliches Bild, wobei nun aber ein deutlich homogeneres Temperaturfeld für die Fügepartner ausgegeben wurde. Auch die Darstellung des Spannungsfeldes ergab ein zur Abbildung 2 ähnliches Bild, wobei aufgrund des homogeneren Temperaturprofils nun insgesamt geringere Spannungswerte ausgewiesen wurden.
Der detailliertere Vergleich der Spannungsverläufe an der hinteren Seitenfläche, die im Bild 3 grafisch dargestellt sind, zeigt für beide Simulationen das auftretende Spannungsmaximum in der Mitte dieser Fläche. Die für den Fall des angepaßten Energieeintrages berechnete Kurve weist dabei deutlich geringere Spannungswerte auf. Folglich wurde bei den praktischen Versuchen ein dementsprechend optimierter Energieeintrag verwendet, mit dem nun rißfreie Verschweißungen möglich waren (siehe Abbildung 5).

Damit ist ein erster Nachweis für die Modellierbarkeit der thermisch induzierten Spannungsfelder und der damit notwendigerweise im Zusammenhang stehenden, vorherzusagenden und anzupassenden laserinduzierten Temperaturfelder beim Laserschweißen von Keramik für eine beliebige Bauteilstruktur gegeben.
Weiterhin sind Rückschlüsse auf die Ursachen, die zur Entstehung von Spannungen führen, möglich. Im Rahmen zukünftiger Arbeiten wird die Methode weiter verfeinert, damit direkte Aussagen über eine optimale Gestaltung des Aufheizprozesses gewonnen werden können, um somit das Keramikschweißverfahren schneller für verschiedene Anwendungen nutzbar zu machen.



Bearbeiter: A.-M. Reinecke; M. Sachs

 
 
Erstellt: 07.02.2012 16:48 | Letzte Änderung: 24.03.2003 10:20
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