Nutzung elektromagnetischer Volumenkräfte zur gezielten Gestaltung der Nahtgeometrie und Erhöhung der Prozessstabilität beim Laserstrahlschweißen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit den Projektarbeiten sollte gezeigt werden, dass mit einem neuartigen Ansatz, nämlich der Erzeugung von elektromagnetischen Volumenkräften im Schmelzbad und der dadurch unmittelbar möglichen Einflussnahme auf den Impuls der Schmelzbadströmung, erhebliche Verbesserungen der Prozessqualität beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen zu erzielen sind. Anhand dreier Eigenschaften der Schweißnaht konnte dies mit Hilfe theoretischer Untersuchungen und experimentell gewonnener Ergebnisse überzeugend nachgewiesen werden: • In Überlappnähten an Aluminiumblechen mit bis zu 3 mm Wandstärke lassen sich mit dieser Methode über einen geeignet gestalteten Stromfluss durch das Werkstück und Anlegen eines Magnetfelds in einem für roboterbasierte Schweißungen typischen Geschwindigkeitsbereich von einigen m/min praktisch porenfreie Nahtquerschnitte erzeugen. • In einer Anordnung, die sich ohne nennenswerten technischen Aufwand bei Schweißaufgaben mit Zusatzdraht realisieren lässt, können gezielte Änderungen der Nahtgeometrie herbeigeführt werden. Wird durch den Draht ein Gleichstrom in das Schmelzbad geleitet, so verändert die Wirkung der eigenmagnetischen Kräfte mit steigender Stromstärke den Querschnitt von einer mit „Nagelkopf“ behafteten zu einer zunehmend schlankeren Form, wobei die Tiefe zunimmt. • Mit der gleichen Anordnung konnte gezeigt werden, dass eine viel homogenere Verteilung der Zusatzelemente (hier: Si) über den Nahtquerschnitt erreicht wird. Das ist eine Folge des sich aufgrund der in die Tiefe gerichteten Kraftwirkung ausbildenden dreidimensionalen Strömungsfelds, das in einem Visualisierungsexperiment und in Berechnungen nachgewiesen wurde. Ein weiteres Ziel war die Beantwortung der Frage, warum, selbst wenn nur ein Magnetfeld angelegt wird, Krafteinwirkungen zu beobachten sind, diese aber von der Wellenlänge des Laserstrahls abhängen. Die Antwort, untermauert durch die direkte Messung eines prozessinhärenten Stroms und plasmatheoretische Abschätzungen lautet, dass – wie bei Schweißungen mit CO2-Lasern – eine hinreichend große Plasmawolke mit ausreichender Elektronendichte vorhanden sein muss, die das Fließen dieses intrinsischen Stroms ermöglicht. Während der letztgenannte Aspekt noch detailliertere Grundlagenuntersuchungen wünschenswert erscheinen lässt, sind die demonstrierten Eigenschaftsverbesserungen so offenkundig, dass sie in Transferprojekten für industrielle Anwendungen aufbereitet werden können. Des Weiteren finden am IFSW derzeit einige tastende Voruntersuchungen statt, ob das beim Schweißen demonstrierte Potenzial auch für andere Prozesse nutzbar gemacht werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Improvement of laser beam welding by electromagnetic forces in the weld pool. In: Miyamoto, I.; Kobayashi, K. F.; Sugioka, K.; Poprawe, R.; Helvajian, H. (Ed.): Proceedings of the First International Symposium on High-Power Laser Macroprocessing (LAMP 2002), Bellingham (WA): SPIE, 2003, S. 175-179, (SPIE Proceedings, Vol. 4831)
Ambrosy, G.; Berger, P.; Hügel, H.; Lindenau, D.
- The use of electromagnetic body forces to enhance the quality of laser welds. In: Abramski, K.M.; Pliński, E.F.; Woliński, W. (Editors): XIV International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers (GCL, 25-30 Aug. 2002, Wrocław). Bellingham (Wa): SPIE, 2003, S.596-600 (Proc. SPIE 5120)
Ambrosy, G.; Berger, P.; Hügel, H.; Lindenau, D.
- Electro-magnetically supported deep-penetration laser beam welding – calculation of generated forces. In: Kaplan, A.: Proceedings of 17th Meeting on Mathematical Modelling of Materials Processing with Lasers (M4PL 17, Igls bei Innsbruck (A), 21-23.01.2004), Lulea: Lulea University of Technology, 2004
Ambrosy, G.; Berger, P.; Hügel, H.
- Reducing porosity in laser welding of aluminium alloys by electromagnetic forces. In: Lasers in Manufacturing 2005. WLT-Konferenz München (Juni 2005) S. 49-54
Ambrosy, G.; Berger, P.; Avilov, V.; Hügel, H.
- Laser induced plasma as a source for an intensive current to produce electromagnetic forces in the weld pool. In: Schuöcker, D. (Editor): Sixteenth Int. Symp. on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers (GCL, 4.-8.- Sept. 2006, Gmunden). Proc. of the SPIE Vol. 6346, 2006, S. 6346 1Q
Ambrosy, G.; Avilov, V.; Berger, P.; Hügel, H.
- Laser-induced plasma as a source for an electrical current in the weld pool. In: Kaplan, A. (Editor): Proceedings of 20th Meeting on Mathematical Modelling of Materials Processing with Lasers (M4PL 20, 17.-19.- Jan. 2007, Igls b. Innsbruck), Lulea: Lulea University of Technology, 2007
Ambrosy, G.; Avilov, V.; Berger, P.
