Beeinflussung des Strömungsregimes in laserinduzierten Schmelzbändern durch Prozessgasgemische mit grenzflächenaktiven Komponenten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des durchgeführten Forschungsvorhabens wurde die Beeinflussung des Strömungsregimes in laserinduzierten Schmelzbädern durch grenzflächenaktive Gaskomponenten sowohl experimentell als auch theoretisch eingehend untersucht. In Auswertung der erzielten Ergebnisse konnten konkrete Vorstellungen über die wirksamen Prozessmechanismen abgeleitet als auch die Einsatzgrenzen des Verfahrens näher spezifiziert werden. Maßgeblich für eine beobachtbare Wirkung von Kohlenstoffdioxid im eingesetzten Prozessgas ist die Erhöhung der effektiven Grenzflächenaktivität der Schmelze, die eine Richtungsumkehr der Schmelzbadströmung und damit eine signifikante Zunahme der Einschweißtiefe bewirken kann. Dieser Effekt ist jedoch nur beim Wärmeleitungsschweißen von Eisenwerkstoffen mit einem ursprünglich geringen Anteil grenzflächenaktiver Elemente nachweisbar. Der Anstieg der Einschweißtiefe erfolgt dann zumeist sprunghaft ab einem bestimmten Wert der Kohlenstoffdioxidkonzentration. Im Gegensatz hierzu zeigen Werkstoffe mit einem hohen Gehalt grenzflächenaktiver Elemente lediglich in ihrer Wirkung vernachlässigbare Effekte auf einen steigenden Kohlenstoffdioxidgehalt im Prozessgas. Die für das Wärmeleitungsschweißen maßgeblichen Zusammenhänge zwischen Schweißparametern, Werkstoffeigenschaften und der zu erwartenden Nahtgeometrie werden durch das im Forschungsprojekt entwickelte dreidimensionale Simulationsmodell in guter Übereinstimmung zu experimentellen Versuchsergebnissen erfasst. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist eine zuvor erfolgte Modellkalibrierung, die neben der Festlegung der relevanten Materialeigenschaften auch eine exakte Bestimmung des Absorptionsgrades voraussetzt. Das Simulationsmodell kann zukünftig zusammen mit dem kalorimetrischen Messaufbau für die Parameterfestlegung und –optimierung von Laserstrahlschweißprozessen im Wärmeleitungsmodus eingesetzt werden. Zudem können alternative Lösungsansätze untersucht werden, bei denen eine Steuerung der Schmelzbadströmung nicht durch eine Variation der Prozessgaszusammensetzung sondern durch geeignete Strahlmanipulationen erfolgen soll.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2007), Modellierung, Simulation und rechnergestützte Prozessauslegung zum Wärmeleitungsschweißen mit Laserstrahlung, Tagungsband zur iwb – Schweißtagung – Verfahrensgerechte Produkt- und Prozessgestaltung, Neu-Ulm, Hanser-Verlag, 17.-18. Oktober 2007
A. Mahrle, E. Beyer
- (2008), Derivation of Optimal Processing Parameters for Conduction Mode Laser Beam Welds by Simulation, Proceedings of the 3rd Pacific International Conference on Applications of Lasers and Optics, Beijing (China), 16.-18. April 2008, Paper P223, S. 936-941. ISBN: 0-912035-846
A. Mahrle, E. Beyer
- (2008), Quantifizierung des Einflusses grenzflächenaktiver Elemente auf das Wärmeleitungsschweißen, WLT-Summerschool, Stuttgart, 03. März 2008
M. F. Zäh, R. Daub
- (2009), Control of the Flow Regime in Laser- Induced Melt Pools, Part II: Numerical Investigations on the Heat Conduction Mode Laser Beam Welding Process, Presentations of the 22nd Meeting on Mathematical Modelling of Materials Processing with Lasers, Innsbruck (Österreich), 22.-23. Januar 2009, CD-ROM
A. Mahrle, E. Beyer, R. Daub, M. F. Zäh
- (2009), Control of the Flow Regime in Laserinduced Melt Pools, Part I: Experimental Investigations on the Heat-conduction Mode Laser Beam Welding Process, Presentations of the 22nd Meeting on Mathematical Modelling of Materials Processing with Lasers, Innsbruck (Österreich), 22.-23. Januar 2009, CD-ROM
R. Daub, M. F. Zäh, A. Mahrle, E. Beyer
- (2009), Influence of CO2 in the Ar Process-Gas on the Heat-Conduction Mode Laser Beam Welding Process with Nd:YAG and Diode Lasers. In: WLT (Hrsg.): Lasers in Manufacturing (LIM 2009). München, 15.-18. Juni 2009. Stuttgart: AT-Fachverlag 2009 S. 45-51. ISBN: 978-3-00-027994-2
M. F. Zäh, R. Daub, A. Mahrle, E. Beyer
