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Influence of the spatial laser energy absorption on the molten pool dynamics in high-power laser beam welding

  • The spatial laser energy absorption inside the keyhole is decisive for the dynamic molten pool behaviors and the resultant weld properties in high-power laser beam welding (LBW). In this paper, a numerical simulation of the LBW process, considering the 3D transient heat transfer, fluid flow, and keyhole dynamics, is implemented, in which the free surface is tracked by the volume-of-fluid algorithm. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by an advanced ray-tracing method based on a localized level-set strategy and a temperature-dependent absorption coefficient. The laser energy absorption is analyzed from a time-averaged point of view for a better statistical representation. It is found for the first time that a significant drop in the time-averaged laser energy absorption occurs at the focus position of the laser beam and that the rest of the keyhole region has relatively homogeneous absorbed energy. This uniqueThe spatial laser energy absorption inside the keyhole is decisive for the dynamic molten pool behaviors and the resultant weld properties in high-power laser beam welding (LBW). In this paper, a numerical simulation of the LBW process, considering the 3D transient heat transfer, fluid flow, and keyhole dynamics, is implemented, in which the free surface is tracked by the volume-of-fluid algorithm. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by an advanced ray-tracing method based on a localized level-set strategy and a temperature-dependent absorption coefficient. The laser energy absorption is analyzed from a time-averaged point of view for a better statistical representation. It is found for the first time that a significant drop in the time-averaged laser energy absorption occurs at the focus position of the laser beam and that the rest of the keyhole region has relatively homogeneous absorbed energy. This unique absorption pattern may lead to a certain keyhole instability and have a strong correlation with the detrimental bulging and narrowing phenomena in the molten pool. The influence of different focus positions of the laser beam on the keyhole dynamics and molten pool profile is also analyzed. The obtained numerical results are compared with experimental measurements to ensure the validity of the proposed model.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Xiangmeng MengORCiD, Stephen Nugraha PutraORCiD, Marcel BachmannORCiD, Michael Rethmier
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Journal of Laser Applications
Jahr der Erstveröffentlichung:2023
Organisationseinheit der BAM:9 Komponentensicherheit
9 Komponentensicherheit / 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:AIP Publishing
Jahrgang/Band:35
Ausgabe/Heft:4
Aufsatznummer:042024
Erste Seite:1
Letzte Seite:8
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Keyhole dynamics; Laser beam welding; Laser energy absorption; Molten pool; Numerical modeling
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
DOI:10.2351/7.0001078
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-587531
ISSN:1042-346X
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:06.11.2023
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:06.11.2023
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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