Enhancement of understanding about electron beam deep welding processes by making use of real-time - Polarisation intensity quotient goniometry of the vapour capillary with a special view to functional connections of the weld pool dynamics
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Steigerung des Verständnisses von Elektronenstrahltiefschweißprozessen durch Nutzung von Polarisationsgoniometrie zur Analyse der Schmelzbaddynamik bei definierten Strahlparametern. Dazu wurde ein Messaufbau realisiert, der den Blick auf die Prozesszone für das Polarisationsgoniometer ermöglicht. Das Funktionsprinzip und die Grenzen des Goniometers zur Bestimmung der Oberflächennormalen und anschließenden 3D-Rekonstruktion wurde ausführlich erarbeitet und der realisierte Aufbau anhand von geheizten Kugeln validiert. Bei der koaxialen Anwendung auf Dampfkapillaren beim EB-Schweißen konnten Aufnahmen mit einer Framerate von 75 kHz, einem Bildfeld von ca. 1,5 x 1,5 mm und einer örtlichen Auflösung von ca. 30 µm erreicht werden, wodurch die Kapillarfront und Teile der Kapillarflanken aufgenommen werden konnten. Trotz Einschränkungen geometrischer (koaxialer Beobachtungswinkel) und optischer (Schärfentiefe von 5 mm, indirekte Emission und Phasenshift durch bedampften Spiegel) Natur, konnten mit den mittels Goniometer errechneten Winkeln die Kapillarfrontmitte sichtbar gemacht werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Kapillare im dunkleren Bereich des Kamerabildes oft flacher ist, als im hellen Fleck selbst. Anhand der α0°-Linie kann die Kapillarbewegung insbesondere für 5 mm tiefe Kapillaren nachvollzogen werden. Beim Querpendeln bewegt die Linie sich entgegen der EB-Bewegung, was auf eine asymmetrische Kapillarform zur Vorschubrichtung schließen lässt. Zudem ist zu erkennen, dass bei Pendelfrequenzen von 10.000 Hz der Kapillargrund der Amplitude nicht mehr vollständig folgen kann. Die mittels Power-Spectral-Density (PSD) ermittelten Frequenzen auf der Kapillarfront und den Kapillarflanken wurden in einer weiteren Versuchsreihe als Pendelfrequenz verwendet, um eventuelle lokale Eigenfrequenzen anzuregen, einen Einfluss auf die resultierende Schweißnaht wurde jedoch bei keiner Frequenz festgestellt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Variation des Arbeitsdruckes (mittels Heliumleckage) keinen nachweisbaren Einfluss auf das Strahlprofil und die resultierende Nahtgeometrie aufweist. Die Nutzung des Röntgeneigenleuchtens eignet sich beim randnahen Schweißen sehr gut zur Detektion der Kapillarform für jegliche Einschweißtiefen. Zur Untersuchung der Kapillardynamik verfügte der verwendete Aufbau nicht ausreichende Lichtstärke, was durch eine größere Lochblende und Erhöhung der Belichtungszeit kompensiert werden musste. Infolge dessen wurden Abstriche in örtlicher und zeitlicher Auflösung in Kauf genommen werden. Es ließen sich nur Durchschnittsaufnahmen aus überlagerten Einzelbildern aus den Videoaufnahmen generieren. Durch ein bereits durch die Dobeneck-Technologie-Stiftung bewilligtes Upgrade des Systems mit einem Bildverstärker lassen sich voraussichtlich Aufnahmeraten ab 1 kHz mit einer guten örtlichen Auflösung erreichen. Zusätzlich zu den Kapillaren beim EB-Schweißen wurde die Prozesszone beim Laserstrahlschneiden untersucht, deren geometrische Beschaffenheit ideale Bedingungen (optimierter Beobachtungswinkel, kaum/keine indirekte Emission) für das Messverfahren ermöglicht. Der Vergleich zwischen eingefrorenem Schliff und zeitgleichen Röntgenaufnahmen zu den Goniometeraufnahmen zeigte eine sehr gute Übereinstimmung. Die Geschwindigkeit der bestimmten Strukturen liegt zwischen 2 - 10 m/min, je nach Strukturgröße. Zudem kann im Vergleich zur Dampfkapillare die reale 3D-Geometrie erfasst werden. Die Validierung des Goniometers an geheizten Kugeln im Vakuum hat zudem gezeigt, dass das Goniometer auch zur Bestimmung des Brechungsindexes n und des Extinktionskoeffizienten k genutzt werden kann, insbesondere auch im flüssigen Zustand, da die Kugelform durch die Oberflächenspannung beibehalten wird. Weiteren Untersuchung von Kapillargeometrien mittels Goniometer sind beim Laserstrahlschweißen im DFG-Projekt 463452146 geplant, indem die Kapillarfront unter einem optimierten Beobachtungswinkel bestimmt wird. Weitere Untersuchungen von Schneidfronten laufen aktuell in einem DFG-Projekt, indem das Goniometer um eine zweite Wellenlänge für eine gleichzeitige Temperatur- und Geometrieerfassung erweitert wurde. Das Ziel, die charakteristische Winkelabhängigkeit des Emissionsgrades von senkrecht und parallel polarisierter elektromagnetischer Strahlung des Schmelzbades zur Erweiterung des Verständnisses von EB-Schweißprozesses wurde grundsätzlich erreicht. Allerdings sind diese Erkenntnisse auf oberflächennahe Bereiche (<5mm) begrenzt. Die Auswertung der Tiefschweißbereiche einer Kapillare konnte aufgrund der steilen Winkel nicht hinreichend nachgebildet werden.
Publications
- Observing weld pool dynamics of the vapour capillary by using the real-time polarisation intensity quotient goniometry; DVS-Berichte, Band 334 : International Electron Beam Welding Conference - Lectures of the 4th IEBW Conference, March 21-22, 2017, Aachen, Germany; pp. 91 – 98; DVS Media, Düsseldorf (978-3-945023-97-6)
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- Thermal emission-based geometry determination of hot surfaces generated during laser material processing: ICALEO 2018, 603 (2018)
Sawannia, Michael; Berger, Peter, Jarwitz, Michael; Weber, Rudolf; Graf, Thomas
(See online at https://doi.org/10.2351/7.0004014) - Determination of the 3D-Geometry of Cutting Fronts with High Temporal Resolution: Lasers in Manufacturing Conference, 2019
Sawannia, Michael; Berger, Peter, Jarwitz, Michael; Weber, Rudolf; Graf, Thomas
- Adaption of a topographical measurement system for beam welding processes with high temporal and spatial resolution; Journal of Advanced Joining Processes, 1, 2020, March, pp. 100025, Elsevier, Amsterdam
Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Jakobs, Stefan; Sawannia, M.; Stüsser-Ufer, Sebastian
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jajp.2020.100025) - Determination of the geometry of laser-cutting fronts with high spatial and temporal resolution; IOP Conference Series: Materials Science and Engineering
Sawannia, Michael; Berger, Peter; Weber, Rudolf; Graf, Thomas
(See online at https://doi.org/10.1088/1757-899X/1135/1/012013) - Utilisation of the X-ray emission of an electron beam capillary for visualisation of the beam-material interaction; Materials Testing (MT)
Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Jakobs, Stefan; Gach, Stefan
(See online at https://doi.org/10.1515/mt-2021-2126)
