Simulierter Ni-Transport im Schmelzbad beim Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff: a) ohne elektromagnetisch unterstützte Durchmischung, b) mit elektromagnetisch unterstützter Durchmischung
Quelle: BAM Fachbereich 9.3
Das Hochleistungslaserstrahlschweißen ist eines der vielversprechendsten Fügeverfahren in der modernen Fertigungsindustrie. Die Einführung der elektromagnetischen Durchmischung beim Laserstrahlschweißen kann weitere positive Effekte wie z.B. eine Homogenisierung der Elementverteilung und Kornfeinung bringen. Die zugrunde liegende Physik ist jedoch noch nicht vollständig erforscht, da es keine quantitativen Daten des Wärme- und Stoffaustauschs im Schmelzbad gibt. Die Optimierung des Prozesses durch Ausnutzung geeigneter Kombination der Schweißparameter ist daher eine große Herausforderung.
Das Ziel dieser Studie ist es, einen quantitativen Einblick in die physikalischen Phänomene während der elektromagnetisch unterstützten Durchmischung beim Laserstrahlschweißen zu erhalten. Der Einfluss der induzierten Lorentzkraft auf die Thermofluiddynamik und den Elementtransport wird numerisch und experimentell untersucht. Ein dreidimensionales transientes Wärmeleit- und Strömungsmodell unter Berücksichtigung eines dynamischen Keyholes, elektromagnetischer Krafteinbringung und des resultierenden Elementtransports wurde zum ersten Mal realisiert. Es wird gezeigt, dass die durch ein oszillierendes Magnetfeld induzierte Lorentzkraft und ihr induzierter Wirbelstrom einen wichtigen Einfluss auf die Thermofluiddynamik und die Keyhole-Stabilität haben. Die zusätzlichen Elemente des Schweißdrahtes werden durch die verstärkte Vorwärts- und Abwärtsströmung deutlich homogenisiert. Das Modell kann eine sehr genaue Vorhersage des Schweißprozesses und der Verteilung der Elemente liefern. Es wurde erfolgreich durch die experimentelle Schmelzkontur, Hochgeschwindigkeitsbilder des Schmelzbades und EDX-Messungen verifiziert. Diese Arbeit gibt grundlegende Richtlinien für die Parameteroptimierung des elektromagnetisch unterstützten Hochleistungslaserstrahlschweißens.
Numerical and experimental investigation of thermo-fluid flow and element transport in electromagnetic stirring enhanced wire feed laser beam welding
Xiangmeng Meng, Antoni Artinov, Marcel Bachmann, Michael Rethmeier
erschienen in International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 144, Seite 118663 ff.
BAM Fachbereich Schweisstechnische Fertigungsverfahren