Electro-magnetic melt pool displacement for joining dissimilar materials
Final Report Abstract
Das übergeordnete Ziel stellte die Gewinnung eines grundlegenden Verständnisses zur Beeinflussbarkeit eines kurzzeitig existierenden Schmelzbades (< 500 ms) durch Lorentzkräfte dar. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienten zur Erzeugung einer reproduzierbaren Fügeverbindung zwischen artungleichen Werkstoffen mittels Schmelzbadverdrängung, wobei der Fokus auf die Überwachung sowie gezielte Beeinflussung der Temperaturentwicklung beider Fügepartner lag, um die Bildung intermetallischer Phasenanteile zu reduzieren. Diesbezüglich wurden in den bearbeiteten Arbeitspaketen folgende zentrale Ergebnisse und Erkenntnisse erzielt: Prozesssimulation zur Parameterfeldeingrenzung. Die simulationsbasierte Prozessanalyse verbesserte das Verständnis hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Schmelzbadverdrängung. Unter Anwendung höherer Magnetfeldleistung war der Verdrängungsprozess früher abgeschlossen, sodass die Laserstrahlquelle bereits zu einem früheren Zeitpunkt abgeschaltet werden konnte. Im Vergleich dazu benötigten geringere Magnetfeldleistung mehr Zeit für eine vollständige Schmelzverdrängung. Es konnten vielversprechende Magnetfeldparameter identifiziert und die zugehörigen Druckkraftverläufe im Aluminiumschmelzbad ermittelt werden. Darüber hinaus trug die berechnete Temperaturentwicklung der Fügepartner zum besseren Verständnis bezüglich der Bildung der intermetallischen Phasen bei. Aufbau Magnettechnik und Bestimmung magnetischer Parameter. Im Rahmen der Kalibrierung des Magnetsystems mittels Hallsonde konnten die numerisch berechneten Lorentzkraftverteilungen in z-Richtung über die Blechdicke erfolgreich validiert werden. Thermoelementmessungen zur Bestimmung der zusätzlichen Wärmemenge des Magneten zeigten, dass innerhalb der kurzen Prozesszeiten kein signifikanter Temperaturanstieg durch das Magnetsystem entstand. Somit war eine Anpassung der Laserführung während des Verdrängungsprozesses nicht notwendig. Schmelzbaderzeugung. Durch den Vergleich der zwei zur Verfügung gestellten Laserbearbeitungsanlagen wurde deutlich, dass zur Einstellung definierter Schmelzbadgrößen ein Laser mit einer Einstrahldauer > 50 ms bei gleichzeitiger Laserleistung im kW-Bereich zu bevorzugen ist. Das Laserparameterfeld beschränkte sich auf eine Laserleistung von 2,5 kW und eine Lasereinstrahldauer von 200 ms zur Erzeugung reproduzierbarer Schmelzbäder ohne größere Schmelzbadauswürfe ohne Stahllage. Das ermittelte Parameterfeld konnte auf die Schmelzbaderzeugung mit Stahllage ohne Anpassung der Laserführung übertragen werden. Magnetische Schmelzbadverdrängung. Anhand der Verdrängungsversuche in Abhängigkeit der Frequenz und Magnetfeldleistung wurde deutlich, dass die Verdrängungshöhe der Schmelze selbstlimitierend ist und sich zwischen den wirkenden Kräften im Schmelzbad ein Gleichgewichtszustand einstellt. Darüber hinaus konnte ein Einfluss auf die laterale oberflächennahe Schmelzbadausdehnung durch die Verdrängung festgestellt werden, da sich der konvektive Wärmetransport an die Blechoberseite verlagert. Die Geometrie der Dampfkapillare wurde unter Einsatz des Magnetfeldes nicht beeinflusst. Fügen durch magnetische Schmelzbadverdrängung. Die Validierung des zweidimensionalen numerischen Modells mittels Querschliffen und Thermoelementmessungen ergab in Anbetracht der getroffenen Vereinfachungen eine gute Übereinstimmung hinsichtlich der Schmelzbadkonturen, der Wärmeeinflusszone im Stahlblech sowie der Temperaturentwicklung der Fügepartner. Die numerischen Vorhersagen konnten durch die experimentellen Versuche bestätigt werden. Eine Anfasung der Aussparung der Stahllage führte zu einer Hinterschneidung der verdrängten Schmelze an der Oberseite des Stahlblechs, sodass eine Förderung des Formschlusses erzielt werden konnte. Die intermetallischen Phasen konnten mithilfe von EBSD- und EDX-Analysen identifiziert werden. Die entstandenen intermetallischen Phasen entsprechen dem Stand der Kenntnisse im Bereich des Laserstrahlschweißens von Stahl und Aluminium.
Publications
- Entwicklung einer neuartigen Fügetechnologie für artungleiche Werkstoffe. 40. Assistentenseminar Fügetechnik, DVS Berichte, Band: 357, 2020. 34- 43, ISBN 978-3-96144-071-9
Heßmann J., Hilgenberg K., Rethmeier M.
- Numerical and experimental investigation of controlled weld pool displacement by electromagnetic forces for joining dissimilar materials. Journal Metals, MDPI, 10, 11, 2020, 1447-1463
Heßmann J., Bachmann M., Hilgenberg K.
(See online at https://doi.org/10.3390/met10111447) - An electromagnetic approach to dissimilar metal welding. Laser Systems Europe. Autumn magazine edition 2021. 1-5
Heßmann J., Bachmann M., Hilgenberg K.
- Joining dissimilar materials: a new approach based on laser beam welding and melt displacement by electromagnetic forces. Lasers in Manufacturing Conference 2021. 1-9
Heßmann J., Bachmann M., Hilgenberg K.
- Prozesssimulation elektromagnetischer Kräfte zum Fügen artungleicher Werkstoffe. 41. Assistentenseminar Fügetechnik, DVS Berichte, Band: 370, 2021. 51- 60, ISBN 978-3-96144-141-9
Heßmann J., Hilgenberg K.
