Experimentelle und theoretische Analyse des Tiefschweißeffektes beim lasergestützten Plasmaschweißen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Experimentelle und theoretische Analyse des Tiefschweißeffektes beim lasergestützten Plasmaschweißen“ wurde die Verfahrensvariante des lasergestützten Plasmaschweißens mit geringen Laserleistungen und geringen Lichtbogenströmen unter Anwendung experimenteller und numerischer Methoden untersucht. Hierbei wurde die Zielstellung verfolgt, die für den charakteristischen Tiefschweißeffekt ursächlichen Wechselwirkungsmechanismen zu identifizieren und zu beschreiben. Hierzu wurde u.a. eine neue kontaktlose Messmethodik zur Bestimmung von Energieübertragungs- und thermischen Prozesswirkungsgraden unter realen Schweißbedingungen entwickelt, die auf einem Abgleich thermografisch gemessener Temperaturprofile und numerisch berechneter Temperaturverteilungen basiert und eine hohe Präzision der ermittelten Werte gewährleistet. Im Rahmen der Projektbearbeitung neu entwickelt wurde auch ein SPH-Modell der Schmelzbadströmung für den kombinierten Laser-Plasmalichtbogenprozess. In Kombination mit einem erweiterten Lichtbogenmodell konnten so Effekte adressiert und im Rahmen von Sensitivitätsanalysen untersucht werden, die einer experimentellen Beobachtung nicht direkt zugänglich sind. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass die mit dem Tiefschweißeffekt verbundene Steigerung des thermischen Prozesswirkungsgrades, die sich in einem signifikanten Zuwachs der Einschweißtiefe und der Nahtquerschnittsfläche äußert, primär auf eine Steigerung des Schmelzwirkungsgrades – nicht jedoch auf eine Erhöhung der eingekoppelten Leistung (Energieübertragungswirkungsgrad) – zurückzuführen ist. Damit konnten bereits vorliegende Untersuchungsergebnisse abschließend bestätigt werden, dass Wechselwirkungen zwischen Laserstrahlung und Lichtbogenplasma nicht für den Synergieeffekt ursächlich sein können. Zusätzlich wurde gezeigt, dass ein qualitativ und quantitativ vergleichbarer Synergieeffekt bezügliche Einschweißtiefe und Nahtquerschnittsfläche auch durch eine Überlagerung unterschiedlich fokussierter Laserstrahlen realisiert werden kann, und die physikalischen Wirkmechanismen folglich in einem modifizierten Wärmetransport innerhalb der Schmelzzone zu sehen sind. Das erarbeitete Prozessverständnis setzt hierbei nicht zwingend die Ausbildung einer laserinduzierten Dampfkapillare für das Erreichen eines Tiefschweißeffektes bei geringen Blechdicken voraus. Simulationsrechnungen zur Lichtbogencharakteristik haben dagegen gezeigt, dass eine Metalldampfströmung das heißere Lichtbogenplasma aus dem Öffnungsbereich der Dampfkapillare verdrängt und zu dessen Kühlung mit reduzierten Stromdichten auf der Werkstoffoberfläche beiträgt. Folglich kann auch nicht davon ausgegangen werden, dass das Lichtbogenplasma in den Kapillarbereich einströmt und in dieser Weise die Bildungsmechanismen einer Dampfkapillare bei Laserstrahlintensitäten weit unterhalb der üblichen Schwellintensität für das Erreichen einer Metallverdampfung beeinflussen könnte. Eine Simulation der Schmelzbadströmung hat gezeigt, dass die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten durch Aufprägung einer lokalen hohen Wärmestromdichte (Laserspot) signifikant erhöht werden und folglich eine Intensivierung des konvektiven Energietransportes bedingen. Somit lässt sich abschließend feststellen, dass der Tiefschweißeffekt primär auf die veränderte Wärmestromdichteverteilung und möglicherweise auch auf die reduzierte Wärmeableitung aus der heißeren Kernzone des Schmelzbades infolge der Überlagerung zweier Wärmequellen unterschiedlicher Intensität zurückzuführen ist. Der erzielbare Synergieeffekt ist bei geringen Blechdicken sowie bei Werkstoffen mit geringer Wärmeleitfähigkeit deutlicher ausgeprägt. Bei größeren Blechdicken und/oder geringeren Vorschubgeschwindigkeiten kann zusätzlich der gesteigerte Staudruck des Plasmalichtbogens infolge einer ausgeprägten Oberflächendeformation der Schmelzbadoberfläche einen Beitrag zur Wirkungsgradsteigerung leisten. Als Ursache für den synergetischen Tiefschweißeffekt kann dieser Mechanismus jedoch ausgeschlossen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019) Thermal Efficiency Analysis for Laser-Assisted Plasma Arc Welding of AISI 304 Stainless Steel. Materials (Basel, Switzerland) 12 (9)
Hipp, Dominik; Mahrle, Achim; Beyer, Eckhard; Jäckel, Sebastian; Hertel, Martin; Füssel, Uwe
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(2017), Dynamic method for determination of coupling efficiencies in laser material processing, Proc. of the Int. Conf. Lasers in Manufacturing, LIM 2017, Munich (Germany), Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e.V.
D. Hipp, A. Mahrle, E. Beyer
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(2017), Method for high accuracy measurements of energy coupling and melting efficiency under welding conditions. Proc. of the Int. Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, ICALEO 2017, Atlanta (USA)
D. Hipp, A. Mahrle, S. Jäckel, E. Beyer, C. Leyens, U. Füssel
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(2017), Numerical investigations on the thermal efficiency in laser-assisted plasma arc welding, 70th IIW Annual Assembly, Commission XII, Shanghai (China), Document No. IIW Doc. XII-2337-16
S. Jäckel, M. Trautmann, M. Hertel, U. Füssel, D. Hipp, A. Mahrle, E. Beyer
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(2018), Method for high accuracy measurements of energy coupling and melting efficiency under welding conditions, Journal of Laser Applications, 30
D. Hipp, A. Mahrle, S. Jäckel, E. Beyer, C. Leyens, U. Füssel
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(2018), Numerical investigations on the thermal efficiency in laser-assisted plasma arc welding, Welding in the World, International Institute of Welding
S. Jäckel, M. Trautmann, M. Hertel, U. Füssel, D. Hipp, A. Mahrle, E. Beyer
