Kamerabasierte Untersuchungen der Schmelze- und Gasströmungen beim Laserstrahlschweißen verzinkter Stahlbleche

Camera-based investigations of the melt and gas flows during laser beam welding of zinc-coated steel sheets

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-104486
  • In der vorliegenden Arbeit wurde ein kamerabasiertes System zur Prozessbeobachtung erprobt und zur detaillierten Untersuchung des Laserstrahlschweißens verzinkter Stahlbleche im Überlappstoß genutzt. Das System erlaubt nicht nur die direkte Beobachtung der Schmelze- und Gasströmungen im Inneren der Dampfkapillare, sondern, durch die Nutzung von Tracerpartikeln, auch erstmals die Messung der Verdampfung der Beschichtung verzinkter Bleche im Überlappstoß. Mithilfe moderner Bildverarbeitungsalgorithmen, welche bisher nicht zur Analyse von Lasermaterialbearbeitungsprozessen genutzt wurden, konnten die Verdampfung des Blech- und des Beschichtungsmaterials und die Schmelzeströmungen beimIn der vorliegenden Arbeit wurde ein kamerabasiertes System zur Prozessbeobachtung erprobt und zur detaillierten Untersuchung des Laserstrahlschweißens verzinkter Stahlbleche im Überlappstoß genutzt. Das System erlaubt nicht nur die direkte Beobachtung der Schmelze- und Gasströmungen im Inneren der Dampfkapillare, sondern, durch die Nutzung von Tracerpartikeln, auch erstmals die Messung der Verdampfung der Beschichtung verzinkter Bleche im Überlappstoß. Mithilfe moderner Bildverarbeitungsalgorithmen, welche bisher nicht zur Analyse von Lasermaterialbearbeitungsprozessen genutzt wurden, konnten die Verdampfung des Blech- und des Beschichtungsmaterials und die Schmelzeströmungen beim Laserstrahlschweißen verzinkter Bleche quantifiziert werden. Aus den gemessenen Daten konnte darüber hinaus ein analytisches Prozessmodell des Laserstrahlschweißens verzinkter Bleche im Überlappstoß aufgebaut werden. Mithilfe des durch die Messungen gestützten Modells konnte gezeigt werden, dass die Zinkbeschichtung und der Fügespalt zwischen den Blechen einen Einfluss auf die Schmelze- und Gasströmungen haben und sich dieser Einfluss in einer Änderung der Kapillaröffnungsgeometrie äußert. Diese Erkenntnisse wurden zur Konzeptionierung, dem Aufbau und der Erprobung einer, auf der Beobachtung der Kapillaröffnung beruhenden, Prozesssteuerung zur adaptiven Einstellung des Fügespalts während des Prozesses genutzt.show moreshow less
  • In the present work a camera-based process observation system was evaluated and used for analyzing the welding of zinc-coated steel sheets in overlap configuration. Using this system, the melt and vapor flow around the interaction zone between laser and material could be monitored. Moreover, a measurement of the zinc evaporation inside the keyhole could be obtained using tracer particles. For quantifying the melt flow, the evaporation of the sheet material and the evaporation of the zinc coating image processing algorithms have been used. The resulting data was then used for the development of an analytical process model of the welding process of zinc-coated steel sheets in overlapIn the present work a camera-based process observation system was evaluated and used for analyzing the welding of zinc-coated steel sheets in overlap configuration. Using this system, the melt and vapor flow around the interaction zone between laser and material could be monitored. Moreover, a measurement of the zinc evaporation inside the keyhole could be obtained using tracer particles. For quantifying the melt flow, the evaporation of the sheet material and the evaporation of the zinc coating image processing algorithms have been used. The resulting data was then used for the development of an analytical process model of the welding process of zinc-coated steel sheets in overlap configuration. By using this model, it could be shown that the zinc coating and the joining gap between the sheets have an influence on the pressures due to the melt and vapor flow inside the keyhole which in turn shows an effect on the keyhole geometry. These results led to the development of a new approach for the adaptive control of the joining gap during the welding process by imaging the keyhole opening length.show moreshow less

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Metadaten
Author:Felix Tenner
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-104486
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-161-4
ISBN:978-3-96147-161-4
Series (Volume number):FAU Studien aus dem Maschinenbau (314)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Editor:Jörg Franke, Nico Hanenkamp, Marion Merklein, Michael Schmidt, Sandro Wartzack
Referee:Michael Schmidt, Frank Vollertsen
Advisor:Michael Schmidt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2018
Embargo Date:2019/02/14
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2018/05/03
Release Date:2019/02/20
Tag:Laserstrahlschweißen; Prozessuntersuchung; kamerabasiert; verzinkte Bleche
Laser beam welding; camera-based; process observation; zinc-coated steel sheets
SWD-Keyword:Laserschweißen; Prozessüberwachung; Mehrkamerasystem
Pagenumber:xxiii, 184 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-96147-160-7
Original publication:mb.fau.de/diss
Institutes:Technische Fakultät / Department Maschinenbau
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 621 Angewandte Physik
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International