Influence of alloying elements on process dynamics during laser deep penetration welding

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology ; Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2017 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 331107213

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Die Untersuchungen zum Einfluss von Legierungselementen auf die Spritzerbildung beim Laserstrahltiefschweißen von Aluminiumlegierungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Kombination zweier Hochgeschwindigkeitskameras erlaubte die Rekonstruktion der dreidimensionalen Trajektorien von Spritzern beim Laserstrahltiefschweißen von Aluminiumlegierungen mit ausreichender Auflösung, um die avisierten Spritzercharakteristika bestimmen und analysieren zu können. - Die Methode des Tieflegierens war zur Probenherstellung nicht geeignet, da die tieflegierten Bereiche eine zu hohe Porosität und zu geringe Homogenität (im Querschnitt sowie längs der Naht) aufwiesen. Abweichend von der vorgeschlagenen Methodik zur Elementvariation mittels Tieflegieren wurde zur Probenherstellung im Fall der AlSi-Legierungen daher ein drahtbasiertes additives Fertigungsverfahren eingesetzt. - Beim Laserstrahltiefschweißen von AlMg-Legierungen treten neben klassischen Spritzern Spritzersprayereignisse auf, die den Spritzerexplosionen, welche auf den Effekt der volumetrischen Verdampfung zurückgeführt werden, ähneln, sodass derselbe Mechanismus (Mg- Verarmung der oberflächennahen Schmelzeschicht) als Ursache plausibel scheint. Ein Sprayereignis erzeugt mehr als 50 vergleichsweise kleine Einzelspritzer. Es zeigten sich beim Spritzerverhalten (außerhalb der Sprayereignisse) keine Korrelationen zwischen der Höhe des Mg-Gehalts und der Spritzergeschwindigkeit, dem Abflugwinkel der Spritzer oder dem Abflugort. - Im Fall von AlSi-Legierungen wird das Spritzerverhalten in der Quantität vom Siliziumgehalt des Werkstücks beeinflusst. Ein höherer Siliziumgehalt führt jedoch nicht zwangsläufig zu einer erhöhten Spritzerproduktion oder erhöhten Anzahl an Gruppenauswürfen. Grundsätzlich treten Gruppenauswurfereignisse mit unterschiedlicher Anzahl an erzeugten Einzelspritzern auf. Es wurde kein Trend zwischen Siliziumgehalt und Spritzer- bzw. Gruppenauswurfanzahl erkannt. - Die Ergebnisse lassen entgegen des Ausgangsziels keine Voraussage eines jeweils geeigneten Elementgehaltes an Magnesium oder Silizium zur Minimierung der Spritzerentstehung insgesamt oder zur Beeinflussung bestimmter Spritzereigenschaften wie Flugrichtung zu. Daher wird auf den eigentlich geplanten Fortsetzungsantrag zu tertiären Legierungssystemen verzichtet.

Publications

• Influence of magnesium content on spatter behavior in laser deep penetration welding of aluminum. Commission IV – Power Beam Processes, International Institute of Welding (IIW) - Annual Assembly, Bratislava, Slowakai (2019) IIW-Dokument Doc.IV-1436-19
  Felsing, A.; Woizeschke, P.
  
• Influence of Magnesium on Spatter Behavior in Laser Deep Penetration Welding of Aluminum Alloys. Journal of Manufacturing and Materials Processing 3 (2019) 71
  Felsing, A.; Woizeschke, P.