Laserbasiertes Fügen von Glasbauteilen mit Pulverzusatzwerkstoff (Pulverfügen)

Kurzbeschreibung
Im vorliegenden Schlussbericht zum Forschungsvorhaben werden die erzielten Projektergebnisse vom laserbasierten Fügen der untersuchten Glaswerkstoffe Borosilikatglas und Quarzglas vorgestellt.
Das Fügen von Glasbauteilen wird bisher manuell unter Zuhilfenahme von Gasbrennern vorgenommen. Die manuelle Bearbeitung unterliegt qualitativen Schwankungen, die bei einem Anstieg der Nachfrage von komplexen Glasbauteilen vermieden werden müssen. Die Auto-matisierbarkeit dieses Fügeprozesses mit dem Gasbrenner ist unzureichend. Im Vergleich dazu bietet das Laserschweißen eine hohe Automatisierungsmöglichkeit. Das Zuführen von pulverförmigen Zusatzwerkstoff ermöglicht dabei die notwendige Spaltüberbrückung.
Zur Entwicklung eines automatisierten, temperaturgeregelten Prozesses wurden der Prozess und die Einflussparameter zunächst mittels Finiten-Elementen-Methode untersucht. Die Prozessparameter konnten anschließend mit empirischen Versuchen ermittelt werden. Das Verfahren ist für Verbindungen artgleicher Glaswerkstoffe entwickelt worden. Aufgrund des ge-ringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten konnten Verbindungen aus Quarzglas ein-facher realisiert werden. Anschließend wurde die Systemtechnik für Borosilikatglasverbindungen angepasst. Die erzeugten Verbindungen wurden optisch mittels Mikroskopie, Polarimetrie und mechanisch durch einen 4-Punkt-Biegeversuch analysiert. Die Festigkeit der Schweißverbindungen beider Glaswerkstoffe konnte nachgewiesen werden. Durch polarimetrische Messungen wurde der optische Gangunterschied der hergestellten Proben aufgenommen. Dadurch konnten Rückschlüsse auf die induzierten inneren Restspannungen der Bauteile gezogen werden. Die lokale Erwärmung beim Schweißvorgang führt zu thermome-chanischen Spannungen, die vor allem bei komplexen Bauteilen zum Glasbruch führen kann. Geschweißte Quarzglasbauteile mussten im Anschluss des Schweißvorgangs einer thermischen Nachbehandlung (Tempern) unterzogen werden. Ein Tempern der borosilikati-schen Glaswerkstoffe reichte nicht aus, um ein Versagen des Werkstoffes zu verhindern, so dass die zu verbindenden Bauteile zum Schweißen auf die Temperatur von 560 °C vorgewärmt werden mussten. Die Werkstoffveränderung innerhalb der Schweißnaht wurde durch die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX-Analyse) untersucht. Weiterhin wurden unterschiedliche Verbindungsarten hergestellt.

Die freundliche Unterstützung der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung (AiF), Köln, (AiF-Nr. 15987 N) und der Projektpartner, ermöglichte diese Arbeiten. Finanziert wurde das Projekt mit Mitteln des Bundesminister für Wirtschaft und Technologie, Berlin. Wir danken allen genannten Institutionen.

Laufzeit: 01.03.2011 - 31.08.2013
Forschungsstelle:
Forschungsgemeinschaft Technik und Glas“ (FTG)