Untersuchung der Schmelzbaddynamik beim Nonvakuum-Elektronenstrahlschweißen mit Hilfe mathematischer Modellbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neben dem etablierten Elektronenstrahlschweißen im Vakuum bietet auch das Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre (NV-EBW) interessantes, industrielles Einsatzpotential. Die modernen NV-EBW Anlagen verfügen über ein großes Leistungspotential, welches einen Schweißprozess mit hohen Geschwindigkeiten zulässt. Dabei wird die maximale Schweißgeschwindigkeit von der Entstehung dynamischer Defekte wie z.B. Randkerben und Humping begrenzt. Zu den Ursachen dieser Nahtfehler beim Feinblechschweißen fehlt in der Schweißtechnik im Moment eine Vorstellung über die ablaufenden physikalischen Prozesse im Schmelzbad. Es existieren keine physikalischen Modelle oder Simulationsprogramme zur Beschreibung und Vorhersage der Schweißergebnisse und der Nahtfehlerbildung. Desweiteren fehlen für das NV-EBW ausführliche experimentelle Beobachtungen der Schmelzbaddynamik. Ein Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Klärung der ablaufenden physikalischen Prozesse im Schmelzbad mittels moderner Messtechnik und theoretischer Modellbildung. Ein weiteres Ziel war die Übertragung dieser Erkenntnisse auf den praktischen NV-EBW-Prozess. Zur Erreichung dieser Forschungsziele wurden ausführliche praktische Schweißuntersuchungen unter Beobachtung der Schmelzbaddynamik und Auswertung der Nahtqualität durchgeführt. Im Laufe der Projektdurchführung wurden Hochgeschwindigkeitsvideo- und Thermographieaufnahmen angefertigt und ausgewertet. Solche komplexen experimentellen Untersuchungen der Schmelzbaddynamik wurden erstmalig für das NV-EBW ausgeführt. Für die Visualisierung der Schmelzeströmung im Schweißbad anhand von Schliffbildern wurde als Indikatormaterial Nickel benutzt. Außerdem wurden umfangreiche metallografische Untersuchungen unter Einsatz optischer und elektronischer Analysemethoden durchgeführt. Die theoretische Analyse der Schmelzbaddynamik wurde unter Anwendung mathematisch-physikalischer Methoden und Computermodellierung durchgeführt. Im Projektzeitraum wurden wesentliche Erkenntnisse im Bereich der Schmelzbaddynamik erzielt, deren Ergebnisse für das Verständnis der Schweißdefektbildungsursachen beim Schweißen mit hohen Geschwindigkeiten wichtig sind. Einen wichtigen Einfluss haben die Leistungsdichteverteilung der Energiequelle und die daraus resultierende Schmelzbadgeometrie, wobei von einem komplexen Zusammenhang verschiedener verfahrensspezifischer Randbedingungen auszugehen ist. Für die Messung der Elektronenstrahlcharakteristika wurde das DIABEAM System verwendet. Dabei wurde der Einfluss der sekundären Elektronen auf das Messergebnis der Leistungsdichteverteilung des Elektronenstrahls erklärt. Humping kann als eine instabile Bewegung des Schmelzbades beschrieben werden, für die verschiedene theoretische Modelle existieren. Im Gegensatz zu den bereits etablierten Vorstellungen über die Ursache der Humpingentstehung bei denen der Hauptparameter der absolute Wert des Oberflächenspannungskoeffizienten ist, wurde festgestellt, dass der Marangoni-Effekt ein die Schmelzbaddynamik entscheidend bestimmender Faktor ist. Bei diesem Effekt ist der Temperaturgradient entscheidend für den Oberflächenspannungskoeffizienten. Es wurden analytische Modelle entwickelt, die die geometrischen Parameter des Schmelzbades anhand der gemessenen Elektronenstrahlcharakteristika berechnen und die Parameter bestimmen, die dazu führen, dass die Bedingungen für eine Humpingentstehung erfüllt sind. Die entwickelten Modelle wurden mithilfe zahlreicher Experimente verifiziert, die eine gute Übereinstimmung mit den Modellierungsergebnissen aufgezeigt haben. Aufgrund der durchgeführten experimentellen und theoretischen Untersuchungen hat sich eine klare Vorstellung über die Defektentstehungsursachen bedingt durch die Schmelzbaddynamik entwickelt. Um diese Defekte zu beseitigen, soll eine Kombination von Maßnahmen vorgeschlagen werden, die es erlaubt den Marangoni-Effekt zu verringern. Diese Maßnahmen sollten eine Angleichung der Temperaturgradienten auf der Oberfläche entlang des Schmelzbades durch Einsatz zusätzlicher Wärmequellen, z. B. eines Laserstrahls, und auch die Senkung der Oberflächenspannung mit Hilfe oberflächenaktiver Stoffe umfassen. Die Durchführung von Arbeiten in dieser Richtung ist für die nähere Zukunft geplant. Der Antrag für das entsprechende Projekt befindet sich derzeit in Vorbereitung. Auf Basis der bisherigen Projektergebnisse soll im Rahmen des Folgeprojektes eine Software für die Stabilitätsanalyse der technologischen Schweißparameter erstellt werden. Die daraus resultierenden Ergebnisse können in der Praxis für die Vermeidung von Schweißnahtdefekten beim Schweißen mit hohen Geschwindigkeiten verwendet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Experimental investigation of electron beam characteristics in atmosphere. "Beam technologies & Laser Application", Proceedings of the VI. international conference, 23-25 September, 2009, St-Petersburg, Russia. p. 238-249 (rus.)
Fr.-W. Bach, A. Beniyash, T. Hassel, R. Konya, N. Murray
- Measurement method of electron beam plasma parameters by non-vacuum electron beam welding. Laser technology and their applications. Materials of VI international scientific and technical conference in Saint-Petersburg.: Editor SPbSPU, 2009, pp. 259-266
U. Reisgen, M. Schleser, A. Abdurakhmanov, A. Gumenyuk
- „Non-vacuum electron beam diagnostics“ Proceedings of 9th International Conference on Electron Beam Technologies, 1-4 June 2009, Varna, Bulgaria, p.52-58, ISSN 0861-4717
Fr.-W. Bach, A. Beniyash , R. Konya , A. Szelagowski , T. Hassel
- Messung der Strahlqualität einer Elektronenstrahlanlage in Umgebungsatmosphäre. Measurement of electron beam quality for non vacuum electron beam equipment. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 41 (2010) 1, pp. 45-52
Reisgen, U.; Schleser, M.; Abdurakhmanov, A., Masny, H.
- “Nonvakuum-Elektronenstrahlschweißen mit gepulstem Strahlstrom und Ultraschallanregung“ genehmigte Dissertation, Verlag: Books on Demand GmbH, Norderstedt, 2010 ISBN-13: 978-3-839-15277-5
Stefan Jäger
- „Dynamic processes at high speed laser and electron beam treatment of materials”. p. 91-101, 25th Anniversary of Cooperation, Transactions of Saint-Petersburg State Polytechnic University and Leibniz University of Hannover, St. Petersburg- Hannover 2010, ISBN 978-5-7422-2652-9
G.Turichin, E. Valdaytseva, Fr.-W. Bach, A. Beniyash
