Prozessstrategien zur Vermeidung von Heißrissen beim Schweißen von Aluminium mit pulsmodulierbaren Laserstrahlquellen

Das gepulste Laserstrahlschweißen ermöglicht die Vermeidung der Heißrissbildung beim Schweißen von 6xxx Aluminilegierungen ohne den Einsatz eines Schweißzusatzwerkstoffes. Im Rahmen der Arbeit wurden die Mechanismen und physikalischen Ursachen der Heißrissbildung beim gepulsten Laserstrahlschweißen untersucht und zusammenhängend beschrieben. Dafür wurde ein transientes thermomechanisches Simulationsmodell zur Abbildung des gepulsten Laserstrahlschweißprozesses mit zeitlich veränderlichem Pulsleistungsverlauf aufgebaut und experimentell validiert. Die zeit- und ortsaufgelöste Berechnung des gesamten Spannungs‑, Dehnungs- und Temperaturfeldes ermöglichte die Quantifizierung der wesentlichen Erstarrungsparameter an der Phasenfront zu jedem Zeitpunkt während Schmelzbadkristallisation.

 

Die experimentellen Untersuchungen erfolgten repräsentativ an der industriell etablierten, aber heißrissanfälligen Legierung EN AW 6082-T6. Die grundlegenden experimentellen Untersuchungen wurden zunächst an modellhaften Einzelpunktschweißungen ausgeführt. Innerhalb der experimentellen Untersuchungen wurden drei Regime identifiziert, die sich in Abhängigkeit der Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades ergeben und in denen unterschiedliche Mechanismen die Entstehung von Heißrissen dominieren. Wohingegen die Rissbildung bei hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten auf die Dehnrate, die geringe Permeabilität des interdendritischen Netzwerks und die große Nachspeisedistanz zurückgeführt werden konnte, wurde bei langsamen Erstarrungsgeschwindigkeiten die Seigerung niedrigschmelzender Phasen an der Erstarrungsfront als Rissursache identifiziert. Punktüberlappende Nahtschweißungen sind durch das Umschmelzen rissbehafteter Bereiche des vorherigen Schweißpunktes weniger sensibel für die Bildung von Heißrissen als Punktschweißen.

 

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden aus den prozesstechnischen und physikalischen Ursachen für die Prozessgrenzen Strategien zur Erweiterung abgeleitet, entwickelt und umgesetzt. Hierfür wurde das gepulste Laserstrahlschweißen mit räumlich überlagerter cw-Diodenlaserstrahlung im niedrigen Leistungsbereich untersucht. Mit dem entwickelten Prozessansatz können heißrissfreie Schweißnähte auch mit konventionellen Rechteckpulsen erzeugt werden. Darüber hinaus wird einerseits die Einschweißtiefe signifikant gesteigert. Anderseits wird durch die geringe Leistungszugabe des Diodenlasers die Schweißgeschwindigkeit um den Faktor 4 gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik erhöht.

Pulsed laser welding enables crack free welding of heat treatable aluminum alloys (6xxx) without using an additional filler wire. In this work, hot cracking mechanisms during pulsed laser beam welding were investigated and coherently described. Therefore, a transient thermomechanical simulation model with a non-uniform heat flux was build up and experimentally validated. The time and spatial dependent outcome of the stress, strain, and temperature field enables the quantification of the solidification parameters at the phase front at any time during melt pool solidification.

To address many industrial applications, aluminum (EN AW 6082) was used for the experimental investigations. The experimental studies were initially carried out on individual spot welds. Within the experimental investigations, three regimes of solidification cracking susceptibility have been identified. It was found that the formation of hot cracks is directly related to the solidification rate. At high solidification rates, hot cracking could be attributed to the high strain rate, the dendritic network's low permeability, and the long feeding distance of liquid. At low solidification rates, low melting eutectic formation within the interdendritic structure causes a reappearance of hot cracking. Seam welding with overlapping spot welds is less sensitive to the formation of hot cracks than spot welding due to the remelting of the previous weld spot's cracked areas.

Based on the results, an alternative process was derived, developed, and implemented. In this case, the pulsed laser beam welding process with spatially superimposed cw-diode laser radiation was investigated. The temporal and spatial arrangement of the pulsed Nd:YAG laser with cw-diode laser allows the crack-free welding of heat treatable aluminum alloys using a conventional rectangular pulse shape. Furthermore, the penetration depth, as well as the welding speed, could be increased by superimposing both laser beams.

Beim gepulsten Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen hat sich im industriellen Umfeld die zeitliche Formung der Laserpulse als ein adäquates Werkzeug zur Unterdrückung von Heißrissen erwiesen. Dabei wird die Leistung im Laserpuls meistens linear über einen definierten Zeitraum abgesenkt, um die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze zu verringern. Im Rahmen der Arbeit wurden die Mechanismen und physikalischen Ursachen der Heißrissbildung untersucht und zusammenhängend beschrieben. Dafür wurde ein transientes thermomechanisches Simulationsmodell des gepulsten Laserstrahlschweißprozesses mit zeitlich veränderlichem Pulsleistungsverlauf aufgebaut und experimentell validiert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden aus den prozesstechnischen und physikalischen Ursachen für die Prozessgrenzen Strategien zur Erweiterung abgeleitet, entwickelt und umgesetzt. Hierfür wurde das gepulste Laserstrahlschweißen mit räumlich überlagerter cw-Diodenlaserstrahlung im niedrigen Leistungsbereich untersucht. Mit dem entwickelten Prozessansatz können heißrissfreie Schweißnähte auch mit konventionellen Rechteckpulsen erzeugt werden.

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