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The magnetohydrodynamic (MHD) technology is recognized as a promising approach for improving the quality of deep penetration laser beam welding. This study employs experimental and numerical methods to investigate the effects of an auxiliary oscillating magnetic field on reducing porosity in the laser beam welding of 5754
aluminum alloy. The experimental results clearly demonstrate a significant reduction of 97% in the porosity ratio of the welded joints applied with an oscillating magnetic field compared to those without magnetic field, thereby validating the efficiency of applying MHD technology in mitigating porosity during the laser beam welding process. In addition, a transient 3D multi-physical model has been developed, integrating the MHD model and metal vapor plume, to gain a more comprehensive understanding of the porosity suppression mechanism. The weld pool shape is significantly widened and enlarged because of the Lorentz force, which facilitates the escape of gas bubbles. Meanwhile, the introduction of an oscillating magnetic field generates a time-averaged downward Lorentz force. This averaged downward Lorentz force, in turn, enhances and stables the downward fluid flow, which hinders the bubble backward movement. Meanwhile, this averaged downward Lorentz force induces an upward electromagnetic expulsive force on the bubble, which effectively increases the upward escape velocity of bubbles in the weld pool. The simulation results agree well with the experimental results.
Der Absorptionsgrad metallischer Werkstoffe spielt bei Fügeprozessen mit einer Strahlungsquelle wie dem Hochleistungslaserstrahltiefschweißen eine bedeutende Rolle. Dieser beeinflusst die Menge der absorbierten Laserenergie, welche zum Aufschmelzen sowie zur lokalen Verdampfung des zu verbindenden Materials führt. Die Laserstrahlabsorption wird von vielen physikalischen Faktoren, z.B. Laserprofil, Laserwellenlänge, Materialeigenschaft sowie Temperatur, entschieden. Dennoch wird die Temperaturabhängigkeit in vielen Simulationsarbeiten häufig ignoriert und stattdessen ein empirisch angepasster Parameter zur Kalibrierung der Ergebnisse implementiert. Diese Vorgehensweise wirkt sich negativ auf die Zuverlässigkeit des numerischen Modells sowie auf die Vorhersagbarkeit der Simulationsergebnisse aus. In der vorliegenden Arbeit wird die Temperaturabhängigkeit des Laserabsorptionsgrades in ein selbstkonsistentes zweiphasiges Modell unter Berücksichtigung der gekoppelten 3D-Fluidströmung und Wärmeübertragung einbezogen. Die berechnete Laserstrahlabsorption wird durch die temperaturabhängigen Materialeigenschaften, die Lasercharakteristik und den Einfallswinkel des Laserstrahls bestimmt. Die freie Oberfläche jeder Phase wird mithilfe der Volume-of-Fluid Methode (VOF), berechnet und die Laser-Material-Wechselwirkung wird durch ein implementiertes Ray-Tracing-Verfahren modelliert, welches auf einem lokalisierten Level-Set-Algorithmus basiert. Anschließend wird die transiente Wärmeeinbringung und die Geometrie der Schweißnaht analysiert und mit dem temperaturunabhängigen Absorptionsmodell verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Temperaturabhängigkeit der Laserabsorption entscheidend für die genaue Bestimmung der Wärmeeinbringung und der Schmelzbadgeometrie ist. Das entwickelte Modell wurde anhand der experimentellen Untersuchungen validiert und die Bedeutung der Temperaturabhängigkeit bei der Laserstrahlabsorption wurde für die Simulation des Laserstrahltiefschweißens quantifiziert.
The amount of absorbed energy in the keyhole as well as its distribution is essential to model the laser beam welding process. The recoil pressure is a key determining factor for the macroscopic flow of the molten metal in the weld pool during high-power laser beam welding. Consequently, a realistic implementation of the laser radiation on the weld metal is crucial to obtain accurate simulation results.
The following developments on the laser-material interaction are discussed for the numerical simulation of the laser beam welding process. The first implemented improvements relate to locating the exact reflection points in the ray tracing method in the determination algorithm for the intersection of the reflected rays and the keyhole surface. A second correction refers to the numerical treatment of the Gaussian distribution of the laser beam, whose beam width is defined by a decay of the laser intensity by a factor of 1/e2 thus ignoring around 14 % of the total laser beam energy. In a third step, the laser radiation distribution in vertical direction was approximated according to the beam caustics. Finally, a virtual mesh refinement was adopted in the ray tracing routine. The obtained numerical results were validated with experimental measurements.
In this contribution, we present a physically motivated heat source model for the numerical modeling of laser beam welding processes. Since the calibration of existing heat source models, such as the conic or Goldak model, is difficult, the representation of the heat source using so-called Lamé curves has been established, relying on prior Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations.
Lamé curves, which describe the melting isotherm, are used in a subsequent finite-element (FE) simulation to define a moving Dirichlet boundary condition, which prescribes a constant temperature in the melt pool. As an alternative to this approach, we developed a physically motivated heat source model, which prescribes the heat input as a body load directly. The new model also relies on prior CFD simulations to identify the melting isotherm. We demonstrate numerical results of the new heat source model on boundary-value problems from the field of laser beam welding and compare it with the prior CFD simulation and the results of the Lamé curve model and experimental data.
It is proposed to model the experimentally observed weld pool boundary with superellipses (Lamé curves) and to find the unknown parameters of the curves using optimization methods. It has been shown experimentally that during laser welding of austenitic stainless steel with a thickness of 2 mm at a speed of 20 mm/s, the rear weld pool part has a shape close to triangular which can be accurately approximated by a superellipse. Analytical dependences of the trajectory and growth rate of the crystal and its cross-sectional area on the geometry of the rear weld pool part are obtained.
A method of solving the thermo-fluid dynamics problem is presented, enabling the prediction of the shape and dimensions of the weld pool during keyhole laser welding of thick plates. It is shown that the rear weld pool boundary can be satisfactorily approximated by a set of superellipses (Lamé curves). The presence of a convex rear weld pool boundary in the mid-plane has been observed experimentally and reproduced numerically. It was shown that in this zone the concentration of liquating impurities increases and the local solidification temperature decreases, contributing to the susceptibility to hot cracking.
The main solidification parameters, namely the crystal axis, the growth rate, and the cross-sectional area of the columnar crystal control the primary microstructure and thus the final weld seam properties.
Limited understanding of solidification parameters due to complexities in experimental and theoretical weld pool boundary determination and
its mathematical description.
Application of local Lamé curves for efficient weld pool boundary reconstruction Derivation of general analytical solutions for the main solidification parameters of a two-dimensional columnar crystal growth during laser beam welding of thin steel sheets.
The Lamé curves approximation technique was successfully applied for the reconstruction of the rear part of the two-dimensional steady-state weld pool boundary. General analytical expressions for the main solidification parameters, namely the crystal axis, the growth rate and the cross-sectional area of the crystal were derived.
The derived expressions and herewith obtained results were verified and validated by comparing them to known theoretical solutions and experimental measurements. Dimensionless analysis of the influence of the size and shape of the rear weld pool boundary on the solidification parameters was provided.
The derived general solutions and the analysis provided allow for critical welding parameters to be estimated and adapted accordingly to improve the welding process.
Die Wärmeverteilung des Lasers beim Laserstrahltiefschweißen ist für die Formgebung der Dampfkapillare und für die Schweißbaddynamik entscheidend. In dieser Arbeit werden die Laserwärmeverteilung und deren Einflüsse auf die Schweißbadtiefe sowie -breite numerisch anhand des Ray-Tracing-Verfahrens analysiert. Hierbei wird der La-serstrahl in mehreren Strahlenbündeln bzw. Subrays unterteilt. Diesbezüglich soll der Pfad der Subrays präzis be-rechnet werden, um die Dynamik der Dampfkapillare und des Schweißbades eines realen Schweißprozesses rich-tig abzubilden. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Genauigkeitsverbesserung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays auf der freien Oberfläche anhand der Level-Set-Methode. Um die Güte dieses Simulationsansatzes zu gewährleisten, wurde eine Gegenüberstellung mit den zwei klassischen Ray-Tracing-Verfahren mittels drei verschiedenen Benchmark-Testreihen durchgeführt. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse zur Validierung der implementierten numerischen Ansätze verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit kann es gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmeverteilung aufgrund der verschiedenen Ray-Tracing-Verfahren deutlich zu erkennen ist, welche wiederum die Schweißbaddynamik sowie die lokalisierte Dampfkapil-lardynamik stark beeinflussen. Ferner wurde es bestätigt, dass die implementierte Level-Set-Methode zu einer ge-naueren Ermittlung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays und somit zu einer Verbesserung der simulierten Schmelzkontur führt.
Die Wärmeverteilung des Lasers beim Laserstrahltiefschweißen ist für die Formgebung der Dampfkapillare und für die Schweißbaddynamik entscheidend. In dieser Arbeit werden die Laserwärmeverteilung und deren Einflüsse auf die Schweißbadtiefe sowie -breite numerisch anhand des Ray-Tracing-Verfahrens analysiert. Hierbei wird der La-serstrahl in mehreren Strahlenbündeln bzw. Subrays unterteilt. Diesbezüglich soll der Pfad der Subrays präzis berechnet werden, um die Dynamik der Dampfkapillare und des Schweißbades eines realen Schweißprozesses richtig abzubilden. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Genauigkeitsverbesserung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays auf der freien Oberfläche anhand der Level-Set-Methode. Um die Güte dieses Simulationsansatzes zu gewährleisten, wurde eine Gegenüberstellung mit den zwei klassi-schen Ray-Tracing-Verfahren mittels drei verschiedenen Benchmark-Testreihen durchgeführt. Anschließend wur-den die Versuchsergebnisse zur Validierung der implementierten numerischen Ansätze verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit kann es gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmeverteilung aufgrund der verschiedenen Ray-Tracing-Verfahren deutlich zu erkennen ist, welche wiederum die Schweißbaddynamik sowie die lokalisierte Dampfkapillardynamik stark beeinflussen. Ferner wurde es bestätigt, dass die implementierte Level-Set-Methode zu einer genaueren Ermittlung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays und somit zu einer Ver-besserung der simulierten Schmelzkontur führt.
Through experimental observation and auxiliary numerical simulation, this investigation studies the different types of grain refinement of 5754 aluminum alloy laser beam welding by applying a transverse oscillating magnetic field. Scanning electron microscope results have proved that the application of a magnetic field can reduce the average crystal branch width and increase its number. The interaction between the induced eddy current generated by the Seebeck effect and the applied external magnetic field produces a Lorentz force, which is important for the increase of the number of crystal branches. Based on the theory of dendrite fragmentation and the magnetic field-induced branches increment, the grain size reduction caused by the magnetic field is studied. Furthermore, the effects of the magnetic field are analyzed by combining a phase field method model and simulations of nucleation and grain growth. The grain distribution and average grain size after welding verifies the reliability of the model. In addition, the introduction of a magnetic field can increase the number of periodic three-dimensional solidification patterns. In the intersection of two periods of solidification patterns, the metal can be re-melted and then re-solidified, which prevents the grains that have been solidified and formed previously from further growth and generates some small cellular grains in the new fusion line. The magnetic field increases the building frequency of these solidification structures and thus promotes this kind of grain refinement.