Experimentelle und numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Bulgings und dessen Einfluss auf die Bildung von Mittelrippendefekten beim Hochleistungslaserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle hoher Blechdicke

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcel Bachmann
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411393804

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Zusammenhang zwischen der Form des Schmelzbades und der Bildung von Defekten ist in der Schweißtechnik seit langem bekannt. Ziel des Projektes war die experimentelle und numerische Untersuchung des Einflusses der sogenannten Bulging-Region, definiert als eine verlängerte und verbreiterte Form des Schweißbades bei etwa halber Einschweißtiefe, auf die Bildung von Mittelrippendefekten. Es wurde ein gekoppeltes multiphysikalisches numerisches Modell entwickelt, das die Analyse der Entstehungsmechanismen der Bulging-Region ermöglicht. Darüber hinaus wurden zahlreiche experimentelle Messungen wie der gemittelten Zeit bis zum Erreichen einer Durchschweißung, Schmelzbadlänge, Temperatur, Prozesseffizienz und metallographische Querschliffe zur Validierung der numerischen Ergebnisse herangezogen. Sowohl in den physikalischen als auch in den numerischen Experimenten wurden verschiedene Faktoren wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Fokuslage variiert, um das Auftreten des Bulgings über ein breites Prozessfenster zu bewerten. Es wurde festgestellt, dass eine Bulging-Region entsteht, sobald die beiden Hauptwirbel im Längsschnitt des Schmelzbades durch einen Einschnürbereich getrennt werden. Des Weiteren wurde auch gezeigt, dass die Einschnürung und das Bulging temporär, aber immer gemeinsam auftreten, da die Einschnürung das Bulging verursacht und umgekehrt. Außerdem wurde aufgrund der experimentellen Ergebnisse erwartet, dass die Bildung einer Bulging-Region stark von der Einschweißtiefe abhängt. Obwohl auf Basis der experimentellen Ergebnisse im untersuchten Prozessfenster keiner der variierten Prozessparameter als dominant identifiziert werden konnte, wurde diese Erwartung durch die numerischen Ergebnisse bestätigt. Die verschiedenen Berechnungen ergaben, dass der Übergang von einer leichten Ausbauchung zu einer voll ausgeprägten Bulging-Region etwa im Bereich zwischen 6 mm und 9 mm Einschweißtiefe liegt. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes wurden in mehreren Fachzeitschriften veröffentlicht und auf Konferenzen zum Thema Schweißen und Laserbearbeitung vorgestellt. Hervorzuheben ist dabei der „IIW Kenneth Easterling Award“ auf der „13th International Seminar - Numerical Analysis of Weldability" in Seggau.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Assessment of thermal cycles by combining thermo-fluid dynamics and heat conduction in keyhole mode welding processes. International Journal of Thermal Sciences, 145, 105981.
  Artinov, Antoni; Karkhin, Victor; Khomich, Pavel; Bachmann, Marcel & Rethmeier, Michael
  
• Lamé curve approximation for the assessment of the 3D temperature distribution in keyhole mode welding processes. Journal of Laser Applications, 32(2).
  Artinov, Antoni; Karkhin, Victor; Bakir, Nasim; Meng, Xiangmeng; Bachmann, Marcel; Gumenyuk, Andrey & Rethmeier, Michael
  
• Numerical study of additional element transport in wire feed laser beam welding. Procedia CIRP, 94, 722-725.
  Meng, Xiangmeng; Artinov, Antoni; Bachmann, Marcel & Rethmeier, Michael
  
• On the relationship between the bulge effect and the hot cracking formation during deep penetration laser beam welding. Procedia CIRP, 94, 5-10.
  Artinov, Antoni; Bachmann, Marcel; Meng, Xiangmeng; Karkhin, Victor & Rethmeier, Michael
  
• "Numerical study of the bulging effect in deep penetration laser beam welding". In: Lasers in Manufacturing (LiM), (online conference), 2021, pp. 1–8
  M. Bachmann, A. Artinov, X. Meng & M. Rethmeier
  
• Numerical Analysis of the Partial Penetration High Power Laser Beam Welding of Thick Sheets at High Process Speeds. Metals, 11(8), 1319.
  Artinov, Antoni; Meng, Xiangmeng; Bachmann, Marcel & Rethmeier, Michael
  
• The bulging effect and its relevance in high power laser beam welding. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1135(1), 012003.
  Artinov, Antoni; Meng, Xiangmeng; Bakir, Nasim; Üstündağ, Ömer; Bachmann, Marcel; Gumenyuk, Andrey & Rethmeier, Michael
  
• Elucidation of the Bulging Effect by an Improved Ray‐Tracing Algorithm in Deep Penetration Wire Feed Laser Beam Welding and Its Influence on the Mixing Behavior. Advanced Engineering Materials, 24(6).
  Bachmann, Marcel; Meng, Xiangmeng; Artinov, Antoni & Rethmeier, Michael
  
• Evaluation of narrowed weld pool shapes and their effect on resulting potential defects during deep penetration laser beam welding. Journal of Laser Applications, 34(4).
  Bachmann, Marcel; Meng, Xiangmeng; Artinov, Antoni & Rethmeier, Michael
  
• High-power laser beam welding for thick section steels – new perspectives using electromagnetic systems. Science and Technology of Welding and Joining, 27(1), 43-51.
  Rethmeier, Michael; Gumenyuk, Andrey & Bachmann, Marcel
  
• Study on the transition behavior of the bulging effect during deep penetration laser beam welding. International Journal of Heat and Mass Transfer, 184, 122171.
  Artinov, Antoni; Meng, Xiangmeng; Bachmann, Marcel & Rethmeier, Michael
  
• The detrimental molten pool narrowing phenomenon in wire feed laser beam welding and its suppression by magnetohydrodynamic technique. International Journal of Heat and Mass Transfer, 193, 122913.
  Meng, Xiangmeng; Artinov, Antoni; Bachmann, Marcel; Üstündağ, Ömer; Gumenyuk, Andrey & Rethmeier, Michael
  
• "A numerical study of the suppression of detrimental weld pool profile in the wire feed laser beam welding by magnetohydrodynamics". In: Mathematical Modelling of Weld Phenomena. Ed. by C. Sommitsch, N. Enzinger, and P. Mayer. Vol. 13. Verlag der Technischen Universität Graz, 2023.
  X. Meng, A. Artinov, M. Bachmann, Ö. Üstündag, A. Gumenyuk & M. Rethmeier
  
• "Numerical analysis of the dependency of the weld pool shape on turbulence and thermodynamic activity of solutes in laser beam welding of unalloyed steels". In: Mathematical Modelling of Weld Phenomena. Ed. by C. Sommitsch, N. Enzinger, and P. Mayer. Vol. 13. Verlag der Technischen Universität Graz, 2023
  A. Artinov, P. Kising, M. Bachmann, X. Meng & M. Rethmeier
  
• "Numerical analysis of the influence of the auxiliary oscillating magnetic field on the suppressing the porosity formation in deep penetration laser beam welding of aluminum alloy". In: Mathematical Modelling of Weld Phenomena. Ed. by C. Sommitsch, N. Enzinger, and P. Mayer. Vol. 13. Verlag der Technischen Universität Graz, 2023.
  F. Yang, M. Bachmann, X. Meng, A. Artinov & M. Rethmeier
  
• "Numerical study on the formation of a bulging region in partial penetration laser beam welding". In: Mathematical Modelling of Weld Phenomena. Ed. by C. Sommitsch, N. Enzinger, and P. Mayer. Vol. 13. Verlag der Technischen Universität Graz, 2023.
  A. Artinov, X. Meng, M. Bachmann & M. Rethmeier
  
• A General Analytical Solution for Two-Dimensional Columnar Crystal Growth during Laser Beam Welding of Thin Steel Sheets. Applied Sciences, 13(10), 6249.
  Artinov, Antoni; Karkhin, Victor; Meng, Xiangmeng; Bachmann, Marcel & Rethmeier, Michael