V28-LB-Koll2015_Rose_TUD_1

Fakultät Maschinenwesen
IF
Fügetechnik und Montage
Interaktionsmechanismen und Effekte bei
laserunterstützten WSG-Verfahren am Beispiel
des Wolfram-Plasmalichtbogens
DFG FU 307/4-1 und BE 1875/19-1
DVS V2.8, Duisburg, 24.03.2015
S. Rose, A. Mahrle, M. Schnick, M. Lohse, U. Füssel, E. Beyer
Technische Universität Dresden
Institut für Fertigungstechnik
Einführung
Plasmaschweißen – Prozesscharakterisierung
• Bei hohen Schweißgeschwindigkeiten
können instabile Lichtbogenansätze
entstehen.
Aluminium
Baustahl
Hochleg. Stahl
 Kann der Lichtbogen durch einen
zusätzlichen Laser stabilisiert werden?
Problem der bisherigen Untersuchungen zu
laserunterstützten Prozessen:
• Prozesse in geneigten Anordnung destabilisieren in
neutraler Position eigentliche stabile Prozesse.
 Wie groß ist der Stabilisierungseffekte gegenüber
einer neutralen Brennerposition?
 Untersuchungen sollten in vertikaler Anordnung von
Lichtbogen und Laser für optimale
Prozesseigenschaften durchgeführt werden.
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Untersuchungsaufbau
Laserunterstütztes Plasmaschweißen in koaxialem Aufbau von Plasma und Laser
• modifizierter Plasmabrenner mit Hohlkathode, Polarität DC EN
• Faserlaser mit max. 400 W, 1.07 μm Wellenlänge, Focuslänge 1254 mm, Rayleighlänge 32 mm
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Untersuchungsaufbau
Laserunterstütztes Plasmaschweißen in koaxialem Aufbau von Plasma und Laser
 Der Laser passiert die Hohlkathode berührungslos.
 Der Laserspot auf der Oberfläche ist leicht defokussiert (Ø 300 μm).
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Experimentelle Ergebnisse
Laserunterstütztes Plasmaschweißen in koaxialem Aufbau von Plasma und Laser
Plasma + Laser
Laser
AlSi1MgMn
1.4301
S 235
Plasma
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Experimentelle Ergebnisse
Laserunterstütztes Plasma
Laser
Plasma
Laserunterstütztes Plasmaschweißen in koaxialem Aufbau von Plasma und Laser
1 mm 1.4301, 40 A Stromstärke, 200 W Laserleistung,
0,75 m/min Vorschub
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Experimentelle Ergebnisse
Laserunterstütztes Plasmaschweißen in koaxialem Aufbau von Plasma und Laser
AlMg3.5 (Al 5154)
AlMg3.5 (Al 5154)
A. Mahrle et al.:
Process characteristics of fiber-laser assisted plasma arc welding. Journal of Physics D: Applied Physics, Vol.
44, No. 34, 2011
S. Rose et al.:
Plasma welding with a superimposed coaxial fiber laser beam. Welding in the World, Vol 57, No. 6, 2013
M. Schnick et al.: Experimental and numerical investigations of the interactions between a plasma arc and a laser. Welding in the
World, Vol. 56, No. 3/4, 2012
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Zwischenfazit
Vorteile laserunterstützter Plasmaschweißprozesse
• Der Lichtbogenansatz kann stabilisiert werden.
• Der Einbrand kann erhöht werden.
• Die Wirkungsgrad der Schweißung kann maßgeblich gesteigert werden.
 Wie interagieren Laser, Lichtbogen und Werkstück?
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Interaktionsmechanismen
Potentielle Interaktionsmechanismen zwischen Lichtbogen und Laser
Folgende Hypothesen wurden experimentell und numerisch untersucht:
Hypothese A: Direkte Interaktion durch Absorption der Laserstrahlung in der Lichtbogensäule
Hypothese B: Indirekte Interaktion durch die laserbedingte Verdampfung des Grundwerkstoffes und
die damit veränderte Plasmazusammensetzung
Hypothese C: Indirekte Interaktion durch Änderung der thermischen Randbedingungen am
Werkstück – insbesondere des Lichtbogenansatzes – und / oder Strömungseffekte
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Interaktionsmechanismen
Laserunterstütztes Plasmaschweißen in koaxialem Aufbau von Plasma und Laser
vorlaufender Laser
nachlaufender Laser
Verschiebung
Zu Hypothese A: Unterschiedliche Laserpositionen in der Hohlkathode
beeinflussen die Lichtbogensäule nicht.
Zu Hypothese B: Unterschiedliche Positionen des Laserpunktes
beeinflussen den Verdampfungsgrad des
Grundwerkstoffes (erhöhte Eisenabstrahlung).
Zu Hypothese C: Unterschiedliche Positionen des Laserpunktes
beeinflussen die Temperaturverteilung am Werkstück
bedingt durch die erhöhte Absorption des Laserstrahles
und des stabileren Lichtbogenansatzes.
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Laserunterstützes Plasmaschweißen
Verschiebung
Einzelprozesse
0.01 mm²
0.52 mm²
Laser 100 W
Plasma 40 A
Einfluss der Laserspotausrichtung auf der Werkstückoberfläche
Laserunterstützter Prozess
0.49 mm²
1.14
0,37mm²
mm²
führender Laser
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1.00 mm
Nachlaufender Laser
0.45 mm
Vorlaufender Laser
Plasma + Laser
Position ∆ 1 mm
nachlaufender Laser
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Interaktionsmechanismen
Einfluss der Laserspotausrichtung auf der Werkstückoberfläche
Δ 0,6 V
Δ 1,9 V
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Interaktionsmechanismen
Zu Hypothese A – Direkte Beeinflussung durch Absorption des Laserstrahls
MHD-Plasmasimulation
1 mm stainless steel (1.4301) | Plasma 40 A | 0.75 m min-1 feed
22,0
100 W leading
Laser on
21,5
100 W trailing
50 W trailing
21,0
voltage / V
20,5
20,0
19,5
19,0
18,5
18,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
time / s
• geringe Anzahl an Teilchen
• auch wenn der Laserstrahl (zu 10 %!)
absorbiert würde, wären die Anstiege
von Stromdichte und Temperatur
vernachlässigbar
 Keine Interaktion in der Lichtbogensäule
• 100 W vorlaufend => Δ 1,9 V
• 100 W nachlaufend => Δ 0,6 V
 Unterschiedliche Spannungsänderungen bei
gleicher Laserleistung
 Interaktion findet am Werkstück statt
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Interaktionsmechanismen
Zu Hypothese B – Grundwerkstoffverdampfung
Indirekte Beeinflussung durch
Verdampfung und Änderung
der Plasmazusammensetzung
 Hohe Verdampfungsrate würde zur Verringerung der Stromdichte und Destabilisierung des
Lichtbogens führen.
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S. Rose
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Interaktionsmechanismen
Zu Hypothese B – Grundwerkstoffverdampfung: indirekte Messung der
Verdampfung durch Strahlungsmessung mit eisendampfsensitive Photodioden
Keine signifikante Änderung der
Eisenabstrahlung in Abhängigkeit
der Laserposition
 Lediglich geringe
Metalldampfstrahlung, nahezu
unabhängig von der Laserposition
 Kein Keyhole bei 200 W
Laserleistung zu beobachten.
1 mm stainless steel (1.4301) | Plasma 40 A | 1,25 m min-1 feed
•
2,0
1,8
1,6
εFe / εFe(max)
1,4
1,2
1,0
0,8
Laser on
0,6
0,4
radiation 200 W leading
0,2
radiation 200 W trailing
0,0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
time / s
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1,2
Vgl: ausdampfendes Keyhole (800 W)
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Interaktionsmechanismen
Zu Hypothese C: Einfluss der Temperaturverteilung am Werkstück
• Strom- und Spannungsabfall verringern sich mit breiterer Wärmequelle.
• Lichtbogeneinschnürung erfolgt bereits bei geringfügig erhöhter Oberflächentemperatur (500 K).
 Positiver Einfluss des Laser und positive Effekte der Defokussierung im Modell nachvollziehbar.
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Schlussfolgerung
Interaktionsmechanismen zwischen Lichtbogen und Laser
 Die relevanten Vorgänge der Laser-Lichtbogen-Interaktion finden am Werkstück statt.
• Indirekte Interaktion durch Änderung der thermischen Randbedingungen am Werkstück –
insbesondere des Lichtbogenansatzes – und / oder Strömungseffekte (Hypothese C)
Maßgebliche Beeinflussung folgt der Temperaturverteilung am Werkstück.
Diese beeinflusst:
- Lichtbogenansatz
- Absorptionsgrad des Lasers
- Formung des Schmelzbades
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S. Rose
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Vielen Dank für Ihr Interesse.
Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt.
Förderkennzeichen: DFG FU 307/4-1 und BE 1875/19-1
Kontakt:
Technische Universität Dresden
Fakultät Maschinenwesen
Institut Fertigungstechnik - IF Professur Fügetechnik und Montage
01069 Dresden
Dr.-Ing. Sascha Rose
Tel.: +49 / 351 / 463 - 32849
Fax: +49 / 351 / 463 - 37249
Sascha.Rose@tu-dresden.de
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