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Main Title: Laserstrahlschweißen von Stahl und Titan hoher Blechdicke unter dem Einfluss eines lokal reduzierten Umgebungsdruckes
Translated Title: Laser beam welding of steel and titanium with high sheet thickness under the influence of a local reduced ambient pressure
Author(s): Schneider, André
Advisor(s): Gumenyuk, Andrey
Referee(s): Rethmeier, Michael
Reisgen, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: The increasing power of the laser beam sources allow a continuous expansions of applications, particularly for metals with high thickness. Due to the increase of the power, a number of negative effects arise which can adversely affect the welding result. That is particularly important for the metal vapour plume, that forms due to the high temperature in the keyhole and evolves in direction of the laser beam axis. The usable laser beam power is thus decreased and thereby the available power for the welding process declines as well. A suppression of the vapour plume is possible, with the help of an applied vacuum. Thereby, the complete amount of laser beam power is available for the welding process. This has positive effects on the welding depth and the weld quality. The limiting factor is the size of the vacuum chamber, which is adapted to the component to be welded. The aim of this study was to make the vacuum technology available independently of the component size. The patented pending vacuum cap presented in this thesis is placed at the welding area and movable in welding direction. The positive influence of the vacuum is used during the welding process, but it is not limited by the component size. The used local vacuum device has been specially designed for the available laser system, designed by CAD and manufactured afterwards. Instead of being made of glass, an aerodynamic window was used as a boundary layer between the ambient pressure and the vacuum region. For the design of the Laval nozzle in the aerodynamic window, a Schlieren test stand has been developed to make the stream visible. The positive influence of the welding under vacuum to the weld pool is independent of the composition of the material. However, the effect of the vacuum is stronger for some alloys compared to others. Steel was readily welded already under atmospheric conditions, whereas welding of titanium alloys succeeds only with high complexity of the shielding gas supply. For this reason, significant effects were expected for the titanium alloy. Therefore, the focus of this work lies on the titanium alloy Ti3Al2,5V. Previously, it was not possible to weld material thicknesses of 20 mm with satisfactory quality with a 20 kW fiber laser. Piineering tests were carried out on different thicknesses of S235 and S355. The great potential of this method was already shown for these structural steel types. The welding depths were increased by around 30 % to 50 % compared to the welding under atmospheric pressure. The transfer of the results on the titanium plates showed similar results. Again, a significant increase in the penetration depth up to 75 % can be observed under the influence of the local vacuum. Thus it was possible to weld thick titanium plates up to 28 mm with using fiber lasers.
Die immer größeren Leistungen der Laserstrahlquellen ermöglichen eine ständige Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten, insbesondere bei Metallen hoher Blechdicke. Durch den enormen Leistungsanstieg entstehen aber eine Reihe von negativen Effekten, die sich ungünstig auf das Schweißergebnis auswirken können. Zu diesen Effekten zählt insbesondere die Metalldampfwolke, die sich aufgrund der sehr hohen Temperatur im Keyhole bildet und entlang der Laserstrahlachse ausbreitet. Die nutzbare Leistung der Laserstrahlquelle kann durch diese Wolke abgeschwächt werden. Dadurch steht dem Schweißprozess nur noch ein Teil der Leistung zur Verfügung. Mit Hilfe eines Vakuums ist es möglich, die Metalldampfwolke zu unterdrücken und dadurch wieder mehr Leistung der Laserstrahlanlage für den Schweißprozess zur Verfügung zu stellen. Dies wirkt sich positiv auf die Einschweißtiefe und die Schweißnahtqualität aus. Der begrenzende Faktor hierbei ist die Größe der Vakuumkammer, welche an das zu verschweißende Bauteil anzupassen ist. Das Ziel der Untersuchung war es, die Vakuumtechnik unabhängig von der Bauteilgröße verfügbar zu machen. Die in dieser Arbeit präsentierte und zum Patent angemeldete lokale Vakuumeinrichtung wird direkt an der Schweißstelle angebracht und in Schweißrichtung bewegt. Somit wird der positive Einfluss des Vakuums beim Schweißen genutzt, ohne in der Bauteilgröße begrenzt zu sein. Die bei den Versuchen genutzte lokale Vakuumvorrichtung wurde speziell auf die Gegebenheiten der zur Verfügung stehenden Laseranlage ausgelegt, mittels CAD konstruiert und anschließend gefertigt. Anstelle eines Schutzglases wurde ein aerodynamisches Fenster als Grenzschicht zwischen dem Umgebungsdruck und dem Unterdruckbereich genutzt. Für die Auslegung der Lavaldüse im aerodynamischen Fenster wurde ein Schlierenversuchsstand entwickelt, um die Strömungen sichtbar zu machen. Der positive Einfluss des Vakuumschweißens auf die Schmelzbaddynamik ist unabhängig von der Zusammensetzung des Materials, allerdings wirkt sich das Vakuum bei einigen Legierungen stärker aus als bei anderen. Während Baustahl bereits unter atmosphärischen Bedingungen gut schweißbar ist, gelingt das Schweißen von Titanlegierungen nur unter erhöhtem Aufwand bei der Schutzgaszuführung. Aus diesem Grund sind bei Titanlegierungen deutlichere Effekte als beim Baustahl zu erwarten. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Titanlegierung Ti3Al2,5V, bei der es bisher nicht möglich war Materialstärken von 20 mm mit einem 20 kW-Faserlaser in zufriedenstellender Qualität zu verschweißen. Vorversuche wurden an verschiedenen Blechdicken aus S235 und S355 durchgeführt und bereits hier zeigte sich das große Potential dieses Verfahrens. Es wurden Einschweißtiefen erreicht, die 30 % bis 50 % über den unter atmosphärischen Druck erzeugten Schweißnähten liegen. Eine Übertragung der Ergebnisse auf die Titanbleche zeigte ähnliche Ergebnisse. Auch hier konnte ein deutlicher Anstieg der Einschweißtiefe unter dem Einfluss des lokalen Vakuums beobachtet werden und das sogar um bis zu 75 %. Somit war es möglich bis zu 28 mm dicke Titanplatten mittels Faserlaser einlagig zu verschweißen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6231
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5790
Exam Date: 2-Feb-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 9-Mar-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): laser
vacuum
welding
steel
titanium
Vakuum
schweißen
Stahl
Titan
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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