Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Automatisierungs- und Regelkonzepte für das MSG-Engspaltschweißen - Pendel- und Füllgradregelung
(2018)
Das MSG-Engspaltschweißen eignet sich auf Grund der I-Nahtvorbereitung besonders für das wirtschaftliche Fügen bei hohen Blechdicken über 100 mm und bietet darüber hinaus zusätzliche technologische Vorteile. Für die automatisierte Anwendung des Verfahrens unter Produktionsbedingungen muss dabei die Prozesssicherheit auch für mitunter große Variationen der Spaltbreite entlang der Schweißnaht gesichert bleiben. In erster Linie betrifft dies bei mechanischer Auslenkung der Drahtelektrode die Adaption der Pendelbewegung auf die jeweilige Spaltbreite um eine ausreichende Flankenanbindung zu garantieren. Für die Online-Regelung der Pendelbewegung mittels Lichtbogensensorik wurde eine Methode implementiert die die notwendigen Pendelwinkel an jeder Nahtflanke unabhängig ermittelt und darüber hinaus Fehlstellungen des Brenners sowie Veränderungen des Kontaktrohrabstandes und der Prozessparameter eigenständig kompensiert. Eine Füllgradregelung auf Grundlage optischer Erfassung und Auswertung der Schweißnahtgeometrie wurde zusätzlich eingesetzt um bei veränderlichen Nahtquerschnittsflächen einen vorgegebenen, gleichbleibenden Lagenaufbau zu erzielen.
Partial penetration welding with fiber laser on 20mm thick plates was carried out in horizontal position to study the role of secondary heating in modeling of high power fiber laser welding. Experiments were carried out using 18.8kW laser with 1.5 m/min welding speed at Ar assist gas flow rates of 0, 17, 29, and 40 l/min, all four cases show similar bead shape with bright emission of vapor plume. Numerical simulations were performed using volume of fluid method by considering three different models as models A–C. Model A considers only Fresnel reflection inside the keyhole using real time tracking of free surface. Model B considers vapor recondensation flux inside keyhole along with model A. Finally, model C is used, which considers vapor plume heating at 4100K temperature along with models A B. Secondary heating by recondensation and vapor plume is vital in modeling of high power fiber laser welding; especially, the upper part of the bead is more influenced due to secondary heating. Tungsten particles are also used to visualize the flow pattern of melt pool.
Das bislang zur Vermeidung unzulässiger Wurzelüberhöhungen beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen bzw. austenitischem Stahl eingesetzte Verfahren der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnte innerhalb der vorliegenden Untersuchung erfolgreich zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von ferromagnetischen Stählen übertragen werden. Es wurden dabei Laserstrahlschweißversuche in PA-Position an bis zu 20 mm dickem Duplexstahl 1.4462 sowie Baustahl S235JR durchgeführt. Unter konstanten Schweißparametern wurden Durchschweißungen generiert. Dem hydrostatischen Druck wurde unter Verwendung der Technologie zur elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung durch Variation der Oszillationsfrequenz und der AC-Leistung des Magnetsystems entgegengewirkt.
Zunächst konzentrierten sich die Versuche auf den Duplexstahl 1.4462, welcher jeweils aus 50 % Ferrit und Austenit besteht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass zur idealen Kompensation von 15 mm bei einer Frequenz von 1,7 kHz eine AC-Leistung von 1,6 kW erforderlich ist, die Schweißnähte aber bereits bei einer AC-Leistung von ca. 0,8 kW in die Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 13919-1:1996-09 eingeordent werden können. Zur idealen Kompensation des hydrostatischen Druckes bei 20 mm dickem Duplexstahl war eine um 20 % höhere AC-Leistung notwendig. Im Anschluss an die Versuche mit dem Duplexstahl wurden die Untersuchungen auf bis zu 20 mm dicke Proben aus Baustahl S235JR erweitert. Für 15 mm konnten die Schweißnähte bei einer Frequenz von 1,7 kHz ab einer AC-Leistung von 1,3 kW in die Bewertungsgruppe B eingeordnet werden. Zur idealen Kompensation von 20 mm dickem Baustahl war eine AC-Leistung von 1,6 kW bei einer Frequenz von 636 Hz nötig. Mit steigender AC-Leistung konnte in allen Versuchsreihen eine sukzessive Verringerung
der Wurzelüberhöhung demonstriert werden.
Elektromagnetische Schmelzbadkontrolle wurde erfolgreich für Laser-MSG-Hybridprozess an einem (ferromagnetischen) 20 mm Baustahl und einem Pipelinestahl eingesetzt.
Einlagiges Laserstrahlschweißen von dickwandigen(>20 mm) in PA-Position bei geringeren Schweißgeschwindigkeiten prinzipiell möglich.
Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit beim Laserstrahlschweißen hat eine Verringerung der notwendigen Laserleistung und eine Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Schweißverbindungen zur Folge.
A three-dimensional multi-physics numerical model was developed for the calculation of an appropriate equivalent volumetric heat source and the prediction of the transient thermal cycle during and after fusion welding. Thus the modelling process was separated into two studies. First, the stationary process simulation of full-penetration keyhole laser beam welding of a 15 mm low-alloyed steel thick plate in flat position at a welding speed of 2 m/min and a laser power of 18 kW was performed. A fixed keyhole with a right circular cone shape was used to consider the energy absorbed by the workpiece and to calibrate the model. In the calculation of the weld pool geometry and the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature were taken into account. The obtained local temperature field was then used in a subsequent study as an equivalent heat source for the computation of the transient thermal field during the laser welding process and the cooling stage of the part. The system of partial differential equations, describing the stationary heat transfer and the fluid dynamics, were strongly coupled and solved with the commercial finite element software COMSOL Multiphysics 5.0. The energy input in the transient heat transfer simulation was realised by prescription of the nodes temperature. The prescribed nodes reproduced the calculated local temperature field defining the equivalent volumetric heat source. Their translational motion through the part was modelled by a moving mesh approach. An additional remeshing condition and helper lines were used to avoid highly distorted elements. The positions of the elements of the polygonal mesh were calculated with the Laplace’s smoothing approach. Good correlation between the numerically calculated and the experimentally observed weld bead shapes and transient temperature distributions was found.
Additive manufacturing (AM) offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of defect-free parts with a high reliability is still a challenge. Thermography is a valuable tool for process surveillance, especially in metal AM processes. The high process temperatures allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range. Here, we compare the results of first measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition (LMD) setup using a MWIR camera with those from a VIS high-speed camera with band pass filter in the NIR range.
Additive manufacturing (AM) opens the route to a range of novel applications.However, the complexity of the manufacturing process poses a challenge for the production of defect-free parts with a high reliability. Since process dynamics and resulting microstructures of AM parts are strongly influenced by the involved temperature fields, thermography is a valuable tool for process surveillance. The high process temperatures in metal AM processes allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range to detect the thermally emitted radiation from the process. In our work, we compare the results of first measurements during the manufacturing processes of a commercial laser metal deposition (LMD) setup and a laser beam melting (LBM) setup using a MWIR camera with those from a VIS high-speed camera with band pass filter in the NIR range.