Influence of beam oscillation on laser beam welding of high strength steels

Hochfeste Stähle sind aufgrund ihres guten Preis-Leistungs-Verhältnisses vor allem für hohe Produktionsstückzahlen ein essentieller Baustein zur Umsetzung des werkstofflichen Leichtbaus. Um den höheren Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gerecht zu werden und Nahtdefekte zu vermeiden, gilt es den Schweißprozess entsprechend anzupassen. Folglich wird in der vorliegenden Arbeit der Einfluss von Strahloszillation auf die Schmelzbadgeometrie und die Erstarrungsbedingungen beim Schweißen hochfester Stähle analysiert. Ziel ist die Unterdrückung von Nahtmittenrissen, die sich laut Stand der Technik durch drei Strategien vermeiden lassen. So führen eine Reduzierung der Dehnungsgeschwindigkeiten während der Erstarrung, eine Ablenkung der Erstarrungsrichtung zum Schmelzbad hin durch eine Vergrößerung des Winkels der Erstarrungsfronten sowie eine Verringerung der im Prozess auftretenden Dehnungen zu einer verminderten Heißrissgefahr. Durch die anfängliche Ermittlung kritischer Schmelzbadformen und die anschließende systematische Untersuchung der Parameter Oszillationsfigur, -amplitude, -frequenz, Streckenenergie, Fokusdurchmesser und Schutzgas wird eruiert, wie die Schmelzbadgeometrie unter Anwendung von Strahloszillation bestmöglich im Sinne der drei Strategien variiert werden kann. Abschließend wird anhand von Beispielen erfolgreich demonstriert, dass sich Nahtmittenrisse durch die Anwendung von Strahloszillation beim Laserstrahlschweißen vermeiden lassen.
Due to their good price-performance ratio, high strength steels are a key element for building lighter products especially for high production volumes. In order to meet the challenges of welding those materials and to avoid seam defects, the welding process has to be adapted. For this purpose, the present thesis investigates the influence of beam oscillation on the melt pool shape as well as the solidification conditions during laser beam welding of high strength steels. The aim is to suppress the appearance of centerline cracks, which are assigned to the category of solidification cracks and can be avoided by means of three strategies which were identified in the state of the art. Accordingly, a reduction of the strain rates during solidification, a redirection of the solidification structures by increasing the angle of solidification fronts of the melt pool and a de-crease of the strains appearing in the process contribute to lessen hot cracking susceptibility. By the primarily determination of critical melt pool geometries and the subsequent analysis of the influence of the parameters oscillation figure, amplitude, frequency, energy per unit length, focal diameter and shielding gas, suitable ways to manipulate the melt pool shape according to the three strategies are determined. Finally, the avoidance of centerline cracks by using beam oscillation in laser beam welding is demonstrated by means of three examples.
FAU Studien aus dem Maschinenbau; 386