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Numerical analysis of the partial penetration high power laser beam welding of thick sheets at high process speeds

  • The present work is devoted to the numerical analysis of the high-power laser beam welding of thick sheets at different welding speeds. A three-dimensional transient multi-physics numerical model is developed, allowing for the prediction of the keyhole geometry and the final penetration depth. Two ray tracing algorithms are implemented and compared, namely a standard ray tracing approach and an approach using a virtual mesh refinement for a more accurate calculation of the reflection points. Both algorithms are found to provide sufficient accuracy for the prediction of the keyhole depth during laser beam welding with process speeds of up to 1.5 m/min. However, with the standard algorithm, the penetration depth is underestimated by the model for a process speed of 2.5 m/min due to a trapping effect of the laser energy in the top region. In contrast, the virtually refined ray tracing approach results in high accuracy results for process speeds of both 1.5 m/min and 2.5 m/min. A detailedThe present work is devoted to the numerical analysis of the high-power laser beam welding of thick sheets at different welding speeds. A three-dimensional transient multi-physics numerical model is developed, allowing for the prediction of the keyhole geometry and the final penetration depth. Two ray tracing algorithms are implemented and compared, namely a standard ray tracing approach and an approach using a virtual mesh refinement for a more accurate calculation of the reflection points. Both algorithms are found to provide sufficient accuracy for the prediction of the keyhole depth during laser beam welding with process speeds of up to 1.5 m/min. However, with the standard algorithm, the penetration depth is underestimated by the model for a process speed of 2.5 m/min due to a trapping effect of the laser energy in the top region. In contrast, the virtually refined ray tracing approach results in high accuracy results for process speeds of both 1.5 m/min and 2.5 m/min. A detailed study on the trapping effect is provided, accompanied by a benchmark including a predefined keyhole geometry with typical characteristics for the high-power laser beam welding of thick plates at high process speed, such as deep keyhole, inclined front keyhole wall, and a hump.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Antoni ArtinovORCiD, Xiangmeng MengORCiD, Marcel BachmannORCiD, Michael RethmeierORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Metals
Jahr der Erstveröffentlichung:2021
Organisationseinheit der BAM:9 Komponentensicherheit
9 Komponentensicherheit / 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:MDPI
Verlagsort:Basel
Jahrgang/Band:11
Ausgabe/Heft:8
Aufsatznummer:1319
Erste Seite:1
Letzte Seite:16
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Deep penetration; High process speeds; High-power laser beam welding; Numerical modeling; Ray tracing
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
DOI:10.3390/met11081319
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-532170
ISSN:2075-4701
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:16.09.2021
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:22.09.2021
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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