The availability of high power laser beam sources enables an effective and fast welding process of ever thicker metal parts. At the same time, challenges concerning the process stability appear, e.g. a drop-out of molten material in full-penetration welding as well as the control of the dynamics, especially in the vicinity of the free surfaces of the weld bead where surface tension effects dominate.
The present work provides a primary numerical contribution to the application of oscillating as well as time-invariant magnetic fields to the high power laser beam welding of non-ferromagnetic metal parts of high thickness.
For the simulations, the materials under investigation were aluminum and austenitic stainless steel AISI 304. The numerical results were compared to macrographs of exemplary test welds of the alloys AlMg3 and AISI 304. The simulations were conducted with the commercial finite element package COMSOL Multiphysics. In the framework of the investigations, calculations were done for the fluid flow and temperature as well as for the electromagnetic field quantities.
The evaluation of the electromagnetic weld pool control for the application of oscillating magnetic fields to avoid liquid metal drop-out was carried out on the basis of pressure distribution analysis between the lower and upper weld pool surfaces. The degree of magnetic damping by Lorentz forces was calculated by dimensionless numbers also accounting for the turbulent state of the fluid flow.
In this work, it could be shown, that the vertical part of the Lorentz forces, that are based on an oscillating magnetic field below the process zone and its induced eddy currents in the workpiece, prevents the liquid metal from drop-out. Thereby, a reliable welding process was made possible. The electromagnetic power used for the welding of a 20 mm thick aluminum alloy with electromagnetic support lies in the range of several hundreds Watt.
Numerical investigations concerning the flow damping by permanent magnetic fields show the possibility to reduce the local flow velocity as well as the turbulence distribution effectively. The polarity of the applied magnetic field, which is aligned in horizontal direction and vertical to the welding direction, is indecisive for the direction of the developing Lorentz forces. The numerically predicted transition of the cross-sectional weld bead geometry to a V-shaped profile could also be proved experimentally. The required magnetic flux density for that was in the range of commercially available neodymium iron boron magnets of around 500 mT.

1 Einleitung 1

2 Stand der Technik 5

2.1 Laserstrahlschweißen 5

2.2 Strömungseffekte im Schmelzbad 8

      2.2.1 Dampfkapillarausbildung 8

      2.2.2 Marangoni-Konvektion 10

      2.2.3 Freie Konvektion 14

      2.2.4 Oberflächenstabilität 15

2.3 Schweißen mit Hochleistungslasern 16

2.4 Elektromagnetische Schmelzbadbeeinflussung 19

      2.4.1 Induktive Schmelzbadunterstützung 20

      2.4.2 Hartmann-Effekt 23

      2.4.3 Weitere Anwendungen elektromagnetischer Felder beim Schweißen 27

2.5 Computergestützte Prozessoptimierung 29

      2.5.1 Schweißsimulation 29

      2.5.2 Schweißprozesssimulation 31

      2.5.3 Prozesssimulation bei der Materialbearbeitung unter Einbeziehung elektromagnetischer Kräfte 32

2.6 Zielsetzung der Arbeit 33

3 Versuchsdurchführung 35

3.1 Numerischer Ansatz 35

      3.1.1 Verwendete Werkstoffe und deren numerische Implementierung 35

      3.1.2 Beschreibende Differentialgleichungen 37

      3.1.3 Simulations-Domänen für physikalische Teilbereiche 42

      3.1.4 CFD Randbedingungen 44

      3.1.5 Elektromagnetische Randbedingungen 46

      3.1.6 Übersicht verschiedener numerischer Modelle für das Magnetsystem 47

      3.1.7 Übersicht der Versuchsparameter in den Simulationen 48

3.2 Experimentelle Durchführung 52

      3.2.1 Verwendete Werkstoffe 52

      3.2.2 AC-Versuche 54

      3.2.3 DC-Versuche 57

      3.2.4 Übersicht der Versuchsparameter in den Experimenten 58

4 Ergebnisse 61

4.1 Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung bei Aluminium 61

      4.1.1 Referenzfall ohne Magnetfeld 61

      4.1.2 Referenzfall ohne Magnetfeld und ohne freie Konvektion 63

      4.1.3 Kontrollfall mit verschiedenen Magnetfeldstärken 64

      4.1.4 Experimentelle Verifizierung 72

      4.1.4.1 Experimente an 20 mm dicken AlMg3-Platten 72

      4.1.4.2 Experimente an 30 mm dicken AlMg3-Platten 73

4.2 Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung bei austenitischem Stahl AISI 304 75

      4.2.1 Referenzfall ohne Magnetfeld 75

      4.2.2 Kontrollfall mit Magnetfeld 76

      4.2.3 Experimentelle Verifizierung84

4.3 Elektromagnetische Schmelzbadberuhigung bei dünnem Aluminium 88

      4.3.1 Referenzfall ohne angelegtes DC-Magnetfeld 88

      4.3.2 Kontrollfall mit verschiedenen Magnetfeldstärken 90

      4.3.3 Fall reiner Wärmeleitung mit konstant konvektivem Anteil 96

4.4 Elektromagnetische Schmelzbadberuhigung bei dickem Aluminium 98

      4.4.1 Referenzfall ohne angelegtes DC-Magnetfeld 98

      4.4.2 Kontrollfall mit verschiedenen Magnetfeldstärken 100

      4.4.3 Fall reiner Wärmeleitung mit konstant konvektivem Anteil 107

      4.4.4 Experimentelle Verifizierung 109

5 Diskussion der Ergebnisse 113

5.1 Charakteristische Konvektion im Schmelzbad 113

      5.1.1 Referenzfall ohne elektromagnetische Felder 113

      5.1.2 Berücksichtigung oszillierender magnetischer Felder 115

      5.1.3 Berücksichtigung zeitlich invarianter magnetischer Felder 116

5.2 Elektrische Stromdichteverteilung durch Magnetfelder quer zur Schweißrichtung 117

5.3 Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung bei Aluminium 121

      5.3.1 Vergleich von Experiment und Simulation 122

      5.3.2 Bewertung der Oberflächendynamik 123

      5.3.3 Bewertung des Hartmann-Effekts 124

      5.3.4 Analyse der Schmelzbadform unter der Wirkung von Lorentzkräften 125

5.4 Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung bei austenitischem Stahl AISI 304 129

      5.4.1 Vergleich von Experiment und Simulation 129

      5.4.2 Bewertung der Oberflächendynamik 135

      5.4.3 Bewertung des Hartmann-Effekts 135

5.5 Elektromagnetische Schmelzbadberuhigung bei Aluminium 136

      5.5.1 Vergleich von Experiment und Simulation 137

      5.5.2 Bewertung der Oberflächendynamik 138

      5.5.3 Bewertung des Hartmann-Effekts unter der Wirkung turbulenter Effekte 139

6 Zusammenfassung und Ausblick 143

Abkürzungen und Formelzeichen 147

Abbildungsverzeichnis 151

Tabellenverzeichnis 157

Formelverzeichnis 159

Literaturverzeichnis 161

Eigene Veröffentlichungen 175

中国计量科学院文献馆