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The ever larger requirements of the material selection in the range of maritime industry necessitate the application of high-tech materials. Titanium because of its excellent mechanical properties at low weight is an attractive alternative for the construction of ships. The goal of this investigation was to design a welding method for joining samples of 16 mm thick Ti3Al2.5 V. The welding experiments with a 20 kW Yb-fiber laser source and varying combinations of parameters were intended to qualify the laser beam welding process. The welding results were analyzed by non-destructive and destructive testing. In addition, the welding tests were recorded with two high-speed cameras to observe the weld pool and the vapor plume. The evaluation of the high-speed images in correlation with the results of non-destructive testing shows, that a significant improvement of process stability and weld quality can be achieved by the suppression of the vapor plume.
Impiego di un dispositivo per il vuoto locale di tipo mobile nell'applicazione del processo laser.
(2016)
Lo sviluppo del pennacchio di vapore durante la saldatura laser
di metalli con direzioni di propagazione lungo l'asse del
fascio laser comporta una riduzione della potenza del laser
assorbita nel keyhole. Questi effetti negativi possono essere
notevolmente attenuati mediante l'applicazione di una ridotta
pressione ambientale, diminuendo così l'interazione
tra il fascio laser ed i prodotti dell'evaporazione, condizione
che favorisce la stabilità del processo di saldatura e si traduce
in una maggiore profondità di penetrazione. Una tecnica
convenzionale utilizza il principio della camera a vuoto, simile
a quello utilizzato per la saldatura a fascio elettronico.
L'applicazione di questa tecnica è limitata dalle dimensioni
della camera e riduce quindi i vantaggi di questo approccio,
particolarmente per componenti di grandi dimensioni. Abbiamo
dimostrato la possibilità di applicazione del vuoto in
forma localizzata con apparecchiature mobili, che consentono
di generare una pressione ridotta solo in una piccola zona
attorno al keyhole. Utilizzando un dispositivo di chiusura
appositamente progettato per la pressione, di tipo mobile,
che può essere spostato lungo l'asse del giunto è possibile ottenere
una pressione assoluta di circa 200 mbar. Questo è
sufficiente per aumentare la profondità di penetrazione di
circa il 50%. I campioni di acciaio grado S355 sono stati
saldati con una potenza laser incrementale da 5 kW a 12
kW a pressione atmosferica e confrontati con quelli saldati
a pressione ambiente di 200 mbar. La valutazione della sezione
longitudinale ha rivelato un aumento della profondità
di penetrazione dei giunti di circa il 35%. Inoltre, sono stati
eseguiti test di saldatura in configurazione di giunti testa a
testa con lamiere di 15 mm di spessore con diverse potenze
associate al fascio laser eseguiti a pressione atmosferica ed
a pressione ambiente ridotta di circa 200 mbar. L'aumento
nella profondità di penetrazione fino al 40% è relativo alla
pressione ridotta. In particolare, basse velocità di saldatura
con pressione ridotta si sono rivelate particolarmente vantaggiose
in termini di aumento della penetrazione.
The main characteristic feature of deep penetration laser beam welding is a large temperature difference between the plasma cavity (keyhole) in the centre of the weld pool and the melting/solidification front. Large temperature gradients in the weld pool result in a very intensive thermocapillary (Marangoni) convection. The weld pool surface width becomes very large and unstable. However, an externally applied oscillating magnetic field can stabilize the surface of the melt (the Garnier-Moreau effect, 1983). In the present work this technology was used to stabilize the surface of the weld pool in partial penetration 4.4 kW Nd:YAG laser beam welding of AW-5754 alloyin PA position. The AC magnet was mounted on the laser welding head. The oscillating magnet field was oriented perpendicular to the welding direction. It was found that the AC magnet field can drastically reduce the surface roughness of welds. The analysis of the x-ray images shows a rastic reduction of porosity content in the welds. This effect can be explained as a result of electromagnetic ectification of the melt.
During laser beam welding of aluminum alloys an electromagnetic field may favour pore outgassing through the top oxide layer. High frequencies cause a small penetration depth and thus exert a stabilizing effect on the weld surface. The point at which the laser beam between the two magnetic poles hits the workpiece surface is crucial to the influence of the magnetic field on the weld surface roughness. Using analyzed parameters for different laser points of application cause a change in weld surface roughness could be observed. The weld surface roughness could be reduced by 50%. The outgassing effect in terms of a reduction of pores could be observed for all parameter sets investigated.
The presented apparatus enables laser beam welding of thick materials under local reduced pressure conditions, thus improving the quality of welds and reducing the laser beam power necessary for complete penetration welding. The vacuum cap presented in this article uses a local reduced ambient pressure environment in a tight zone around the welding area and, in contrast to a conventional vacuum chamber, it is movable in the welding direction. The mobile installation is very compact and reaches pressure values of around 200 mbar. The reduced pressure in the vacuum cap is sufficient to generate 50 % higher penetration depth in comparison to welding under ambient pressure conditions. The low pressure around the keyhole reduces the vapour-plasma plume and therefore prevents a defocusing and scattering of the laser radiation. This allows to raise the amount of laser beam power entering the keyhole as well as the effective power density.