Influence of the spatial intensity distribution on keyhole stability during high power laser welding

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2010 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 186992358

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen zur Beeinflussung der Prozessdynamik durch unterschiedliche räumliche Intensitätsverteilungen des Laserstrahls lassen sich wie folgt zusammenfassen:  Es wurde ein vereinfachtes Prozessmodell auf Basis des Energie- und Druckgleichgewichts in der Dampfkapillare erstellt, das die Dynamik der Kapillare während des Schweißens beschreiben kann. Es konnte gezeigt werden, dass die berechneten Ergebnisgrößen aus dem Modell zur Beschreibung der Porenbildung genutzt werden können. Die berechneten Trends konnten in experimentellen Messungen der Prozessdynamik mit Hilfe akustischer und optischer Messung der Prozessemissionen validiert werden. Es konnten höhere Frequenzen bei Verwendung eines Top Hat Profils im Vergleich zum Gauss-ähnlichen Profil gemessen werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass die dynamischen Kapillareigenschaften vom räumlichen Strahlprofil beeinflusst werden können. Abweichend vom ursprünglichen Projektplan wurden statt zwei Intensitätsprofilen insgesamt fünf Intensitätsprofile untersucht, um eine ausreichende Validierung von Zusammenhängen sicherzustellen. Die Analyse der Porosität nach Schweißungen mit den verschiedenen Profilen konnte deutliche Unterschiede zeigen. Es konnte ermittelt werden, dass die Porosität bei höheren in der Kapillare entstehenden Frequenzen und Federkennwerten und kleineren Amplituden geringer ist. Es konnte gezeigt werden, dass bereits der aus der quasi-statischen Berechnung ermittelte Federkennwert und die aus der dynamischen Berechnung ermittelten Amplituden und Frequenzen der Kapillarschwingungen als Indikator für das dynamische Verhalten der Kapillare und für die Porenbildung genutzt werden kann.  Auf Basis der Modelluntersuchungen und der identifizierten Prozessparameter, die die Porosität beeinflussen, konnte eine Stabilitätszahl definiert werden, die es ermöglicht die Porosität der Naht abhängig von berechneten Kapillarparametern vorherzusagen. Durch Vereinfachungen der Beschreibung des dynamischen Kapillarsystems konnte eine „Rückrechnung“ durchgeführt werden, die durch Vorgabe von stabil angenommenen Kapillareigenschaften das zu diesen Eigenschaften führende Intensitätsprofil berechnet. Aus technischen Gründen konnte dieses Strahlprofil noch nicht in diesem Projekt umgesetzt und untersucht werden. Es verspricht aufgrund der berechneten Stabilitätszahl eine reduzierte Porenbildung. Wenn eine Strahlformung dieses Profils technisch umsetzbar ist, sollte die Auswirkung auf die Porosität während des Schweißens untersucht werden. Der vorgeschlagene Berechnungsansatz kann dazu beitragen, die Prozessstabilität durch an definierte Prozessparameter angepasste Strahlformung zu erhöhen. Weitere Untersuchungen von berechneten Strahlprofilen bei weiteren Prozessparametern und Untersuchungen von weiteren Strahlprofilen sind daher in weiteren Projekten wünschenswert.

Publications

• Analytical Investigation of the Influence of the Spatial Laser Beam Intensity Distribution on the Keyhole Dynamic in Laser Beam Welding, Lasers in Engineering 23, 1-2 (2012) 109-122
  Gatzen, M.; Thomy, C.; Vollertsen, F.
  
• Investigation on the influence of different laser beam intensity distributions on keyhole geometry during laser welding. In: Physics Procedia 39, pages 17-26, 2012
  Volpp, J.
  
• Simplified analytical modeling of dynamic behavior of the keyhole for different spatial laser intensity distributions during laser deep penetration welding. In: Proc. of 6th international conference "Mathematical modeling and information technologies in welding and related processes", Katsiveli, Ukraine, May 29 – June 1 2012
  Volpp, J.; Gatzen, M.; Vollertsen, F.
  
• Analytical modeling of the keyhole including multiple reflections for analysis of the influence of different laser intensity distributions on keyhole geometry. In: Physics Procedia, Volume 41, pages 453-461, 2013
  Volpp, J.
  
• Indirect measurement of keyhole pressure oscillations during laser deep penetration welding. In: Proc. of 32nd International Congress on Applications of Laser and Electro-Optics (ICALEO 2013), LIA Orlando/USA (2013), Miami FL, USA, paper no. 1301
  Volpp, J.; Freimann, D.
  
• Keyhole oscillations during laser deep penetration welding at different spatial laser intensity distributions. In: Proc. of 33rd International Congress on Applications of Lasers and Electro- Optics (ICALEO 2014). LIA Orlando/USA (2014), San Diego CA, USA, paper no. 601
  Volpp, J.; Vollertsen, F.
  
• Impacts on keyhole oscillations and process pores during laser deep penetration welding. In: Proc. of 34th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO 2015), LIA Orlando FL (2015), Atlanta GA, USA, paper no. 401
  Volpp, J; Woizeschke, P; Vollertsen, F.
  
• Modeling keyhole oscillations during laser deep penetration welding at different spatial laser intensity distributions. In: Production Engineering Research and Development 9, 2 (2015) 167- 178
  Volpp, J; Vollertsen, F.