Simulation des Einflusses der elektromagnetisch unterstützten Durchmischung beim Laserstrahlschweißen dickwandiger Stahlbauteile mit Zusatzmaterial
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die unzureichende Materialdurchmischung und die daraus resultierende inhomogene Elementverteilung im Schmelzbad ist ein häufig auftretendes Problem beim Hochleistungslaserstrahlschweißen (LBW) unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen. In den letzten Jahren wurde die magnetohydrodynamische (MHD)-Technik durch Anwendung eines externen magnetischen Feldes als vielversprechender Weg betrachtet, um dieses Problem zu lösen. Der grundlegende Mechanismus dieses Prozesses ist jedoch aufgrund der äußerst komplizierten, mehrfach gekoppelten Phänomene, die daran beteiligt sind, noch nicht vollständig aufgeklärt. Ziel dieses DFG-Projekts war es, die Verbesserung der Materialdurchmischung durch elektromagnetisch induziertes Rühren beim Laserstrahlschweißen mit Zusatzdraht quantitativ und systematisch durch eine Kombination von experimentellen und multiphysikalischen Modellierungsansätzen zu untersuchen. Dazu wurde ein dreidimensionales, transientes CFD-Modell entwickelt, um die Wärmeübertragung, den Flüssigkeitsstrom, die Keyholedynamik, den Elementtransport sowie das elektromagnetische Verhalten (induzierter Wirbelstrom und Lorentzkraft) zu berechnen. Ein fortschrittlicher Ray-Tracing-Algorithmus mit virtueller Verfeinerung des Rechengitters wurde entwickelt, um die räumliche Laserenergieverteilung an der Keyholewand unter Berücksichtigung der Mehrfachreflexionen und Fresnel-Absorption zu berechnen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die durch ein oszillierendes magnetisches Feld erzeugte Lorentzkraft einen wichtigen Einfluss auf die Strömung im Schmelzbad und die Stabilität des Keyholes hat. Die Verteilung des Zusatzmaterials wird aufgrund des verstärkten Vorwärts- und Abwärtsflusses im Schmelzbad signifikant homogenisiert. Ein magnetisches Feld mit kleinem Winkel zur Querrichtung erreichte eine bessere Rührwirkung bis in den unteren Teil des Schmelzbads, was zu einer besseren Materialdurchmischung führt. Zusätzlich wurde die Kornfeinung durch das elektromagnetische Rühren mittels EBSD-Analysen bestätigt. Durch Entkopplung der isolierten Effekte im numerischen Modell wurde festgestellt, dass die Kornverfeinerung nicht von der Änderung des Temperaturgradienten und der Erstarrungsgeschwindigkeit, sondern von der Dendritenfragmentierung dominiert wird. In weiteren Studien wurde ein untypisches Schmelzbadprofil erstmals experimentell durch eine Echtzeit-Beobachtung mittels einer Metall-Quartzglas-Konfiguration und numerisch durch eine multiphysikalische Modellierung bestätigt, welches im oberen und unteren Bereich verlängert, aber in der Mitte verengt ist. Dies hat weitere nachteilige Auswirkungen nicht nur auf die Materialdurchmischung, sondern auch auf die Porositätsbildung. Die Applikation eines externen magnetischen Feldes kann dieses Schmelzbadprofil effektiv beseitigen, wodurch ein verbreiteter Kanal für den abwärts gerichteten Elementtransport und das Entweichen von Gasblasen erhalten wird. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes wurden vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachkonferenzen veröffentlicht. Hervorzuheben ist dabei der „IIW Kenneth Easterling Award“ beim 13th International Seminar "Numerical Analysis of Weldability" in Seggau, Österreich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental and numerical assessment of weld pool behavior and final microstructure in wire feed laser beam welding with electromagnetic stirring. Journal of Manufacturing Processes, 45, 408-418.
Meng, Xiangmeng; Bachmann, Marcel; Artinov, Antoni & Rethmeier, Michael
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Numerical and experimental investigation of thermo-fluid flow and element transport in electromagnetic stirring enhanced wire feed laser beam welding. International Journal of Heat and Mass Transfer, 144, 118663.
Meng, Xiangmeng; Artinov, Antoni; Bachmann, Marcel & Rethmeier, Michael
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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
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Theoretical study of influence of electromagnetic stirring on transport phenomena in wire feed laser beam welding. Journal of Laser Applications, 32(2).
Meng, Xiangmeng; Artinov, Antoni; Bachmann, Marcel & Rethmeier, Michael
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The influence of magnetic field orientation on metal mixing in electromagnetic stirring enhanced wire feed laser beam welding. Journal of Materials Processing Technology, 294, 117135.
Meng, Xiangmeng; Bachmann, Marcel; Artinov, Antoni & Rethmeier, Michael
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"An investigation of keyhole dynamics and porosity mitigation in laser beam welding with external magnetic field " In: IIW Annual Assembly, Osaka, Japan, 2022
Meng, X., Bachmann, M., Artinov, A. & Rethmeier, M.
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A study of the magnetohydrodynamic effect on keyhole dynamics and defect mitigation in laser beam welding. Journal of Materials Processing Technology, 307, 117636.
Meng, Xiangmeng; Bachmann, Marcel; Artinov, Antoni & Rethmeier, Michael
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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
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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
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Influence of the free surface reconstruction on the spatial laser energy distribution in high power laser beam welding modeling. Journal of Laser Applications, 34(4).
Meng, Xiangmeng; Putra, Stephen Nugraha; Bachmann, Marcel; Artinov, Antoni & Rethmeier, Michael
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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
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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
