Numerische Modellierung einer elektromagnetischen Schmelzbadkontrolle beim Hochleistungs-Laserschweissen von Metallbauteilen hoher Blechdicke

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Rethmeier, seit 12/2013
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 203284221

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für die Sicherheit des Schweißprozesses gerade beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke ist eine geeignete Schmelzbadabsicherung von essentieller Bedeutung. Ohne diese könne einige Vorteile der modernen Strahlquellen, wie das Einlagendurchschweißen, überhaupt nicht für einen Fügeprozess im Dickenbereich ab 20 mm genutzt werden. Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Simulation einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze für nicht ferromagnetische Materialien wie z.B. Aluminium oder nichtrostender Stahl sowie für ausgewählte ferromagnetische Werkstoffe wie Duplexstahl AISI 2025. Mittels eines Elektromagneten wurden dazu oszillierende Magnetfelder unterhalb der Schweißnaht quer zur Schweißrichtung appliziert, die Wirbelströme im Werkstück erzeugen, deren Interaktion in eine gemittelte Lorentzkraft in der Schmelze hauptsächlich in vertikale Richtung mündet. Somit kann dem hydrostatischen Druck in der Schmelze entgegen gewirkt werden. Begleitend zur Simulation wurden experimentelle Untersuchungen für Aluminium sowie für verschiedene Stahlsorten durchgeführt. Als geeignete Wahl einer Simulationsumgebung wurde COMSOL Multiphysics identifiziert, da diese in der Lage ist, sowohl die Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitsverteilung mit und ohne Berücksichtigung turbulenter Effekte zu berechnen, als auch deren Interaktion mit zeitlich veränderlichen oder statischen elektromagnetischen Feldern. Die Ergebnisse der Simulationen zum Schweißprozess von 20 mm dicken Aluminium, austenitischen und austenitisch-ferritischen Stahl zeigen die gute Anwendbarkeit der elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung für diese Werkstoffgruppen. Die ermittelten Ergebnisse bei Aluminiumlegierung von 70 mT bei einer Oszillationsfrequenz von 450 Hz decken sich mit Schweißexperimenten an AlMg3. An Aluminium konnte ebenfalls die Möglichkeit zur Beeinflussung der Schmelzbadströmung mittels des Hartmann-Effekts erfolgreich untersucht werden, wobei ein deutlicher lokaler Effekt für Hartmann-Zahlen um 10^4 beobachtet wurde. Da eine Dämpfung der Strömung allein unter Umständen bei tiefen Schmelzbädern ungünstige Auswirkungen auf die Verteilung von Zusatzwerkstoff haben kann, ist hier eine gekoppelte Anwendung elektromagnetischer Felder denkbar, z.B. die Nutzung des Hartmann-Effekts nahe der Oberfläche zur Stabilisierung der Oberfläche und ein oszillierendes Magnetfeld in der Tiefe zum elektromagnetischen Rühren oder auch ein in diesem Projekt untersuchtes System zur Schmelzbadunterstützung. Die gewonnenen Erkenntnisse an Aluminium zum Hartmann-Effekt führen zu dem Schluss, dass dessen Anwendung an etwa zehnfach schlechter elektrisch leitfähigem Stahl mit außerdem schmaleren Schmelzbädern keinen nennenswerten Einfluss auf die Stabilität der Oberfläche haben kann. In den numerischen Simulationen an 20 mm starkem nichtrostenden Stahl, der geringe magnetische Eigenschaften aufweist, liegen die Vorhersagen der notwendigen Magnetfeldstärke zur Kompensation des Schwerefeldeinflusses deutlich unter den in den Experimenten ermittelten Werten. Eine mögliche Ursache wird in den leicht magnetischen Eigenschaften der verwendeten Legierungen vermutet. Die numerisch ermittelten Werte der Magnetfeldstärke für den Duplexstahl AISI 2025 stimmen dagegen deutlich besser mit den experimentellen Ergebnissen überein. Hervorzuheben ist der Best Paper Award auf der COMSOL Conference 2012 in Mailand für das Paper „Multi-physics process simulation of static magnetic fields in high power laser beam welding of aluminium“, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2011, Multiphysics Process Simulation of the Electromagnetic-Supported Laser Beam Welding, Proc. COMSOL Conference 2011 Stuttgart
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• 2012, Fluid flow simulation of the influence of a steady magnetic field on the weld pool dynamics in deep penetration laser beam welding of aluminium, J. Iron Steel Res. Int., 19–Supp. 1, 467–470
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• 2012, Multi-Physical Finite Element Simulation of an Electromagnetic Weld Pool Support in Full-Penetration High Power Laser Beam Welding of Metal Plates, Proc. 10th International Seminar Numerical Analysis of Weldability 2012 Seggau/Graz
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• 2012, Multi-physics process simulation of static magnetic fields in high power laser beam welding of aluminium, Proc. COMSOL Conference 2012 Milan. [Ausgezeichnet mit dem „Best paper award“]
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• 2012, Numerical simulation of full-penetration laser beam welding of thick aluminium plates with inductive support, J. Phys. D: Appl. Phys., 45, 035201
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• 2012, Simulation of an inductive weld pool support for deep penetration laser beam welding of metal parts, J. Iron Steel Res. Int., 19–Supp. 1, 114–117
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• 2013, About the influence of a steady magnetic field on weld pool dynamics in partial penetration high power laser beam welding of thick aluminium parts, Int. J. Heat Mass Tran., 60, 309–321
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• 2014, Experimental and numerical investigation of an electromagnetic weld pool support system for high power laser beam welding of austenitic stainless steel, J. Mater. Process Tech., 214, 578–591
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• Finite element modelling of an ac electromagnetic weld pool support in full penetration laser beam welding of thick duplex stainless steel plates. Proceedings of the ICALEO 2015 Congress, Atlanta, GA, 2015. 650-659
  M. Bachmann, R. Kunze, V. Avilov, and M. Rethmeier
  
• Full penetration laser beam welding of thick duplex steel plates with electromagnetic weld pool support, J. Laser Appl., 28, 022420 (2016)
  V. Avilov, A. Fritzsche, M. Bachmann, A. Gumenyuk and M. Rethmeier
  
• Numerical assessment and experimental verification of the influence of the Hartmann effect in laser beam welding processes by steady magnetic fields. Int. J. Therm. Sci. Vol 101, March 2016, p. 24-34
  M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk and M. Rethmeier