Simulation Based Optimization of the Time-Dependent Pulse Power for Laser Beam Welding of Aluminum Alloys in Order to Avoid Hot Cracks (OptiPuls)


Start: 2020-05-01
End: 2022-04-30
Principal Investigators: Roland Herzog, Jean-Pierre Bergmann
Staff: Dmytro Strelnikov, Marc Seibold
Funded by: BMWi within the Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. (DVS) funding scheme

Project Description

Im Rahmen des Projekts „Simulationsbasierte Optimierung der zeitabhängigen Pulsleistung beim Laserstahlschweißen von Aluminiumlegierungen zur Vermeidung von Heißrissen“ (OptiPuls) konnte gezeigt werden, dass die bestehenden Grenzen des gepulsten Schweißens erweitert werden können. Im Projekt wurde die Erstarrungsgeschwindigkeit als primär steuernde Größe hinsichtlich der Rissentstehung adressiert. Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen an der Werkstückoberfläche und Röntgenaufnahmen konnte die kritische Erstarrungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Parallel dazu konnte mit Hilfe eines eigens erstellten numerischen Modells eine hinsichtlich der Erstarrungsgeschwindigkeit optimierte Pulsformen ermittelt werden. Der Vergleich der optimierten Pulsform mit einer konventionellen Pulsform zur Erzeugung heißrissfreier Schweißungen zeigt das Potential zur Steigerung der Schweißgeschwindigkeit und damit der Wirtschaftlichkeit. Dies konnte durch das Fügen an unterschiedlichen Stoßkonfigurationen, verschiedenener Vorschubgeschwindigkeiten wie auch Pulsüberlappungen dargstellt werden. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse ist daher umsetzbar und birgt eine bis zu 34% Steigerung der Schweißgeschwindig im vergleich zu einer heißrissfreien Schweißung mit konventioneller Pulsform.

Associated Publications

  • Marc Seibold, Jörg Hildebrand, Dmytro Strelnikov, Jean Pierre Bergmann, Klaus Schricker and Roland Herzog
    Simulationsbasierte Optimierung der zeitabhängigen Pulsleistung beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen zum Vermeiden von Heißrissen
    Schweißen und Schneiden 68(4), p.38-45, 2024
    doi:10.53192/SUS20240438
    bibtex 
    @ARTICLE{SeiboldHildebrandStrelnikovBergmannSchrickerHerzog:2024:1,
  AUTHOR = {Seibold, Marc and Hildebrand, Jörg and Strelnikov, Dmytro and Bergmann, Jean Pierre and Schricker, Klaus and Herzog, Roland},
  DATE = {2024},
  DOI = {10.53192/SUS20240438},
  JOURNALTITLE = {Schweißen und Schneiden},
  NUMBER = {4},
  PAGES = {38--45},
  TITLE = {Simulationsbasierte Optimierung der zeitabhängigen Pulsleistung beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen zum Vermeiden von Heißrissen},
  VOLUME = {68},
}
  • Roland Herzog and Dmytro Strelnikov
    An optimal control problem for single-spot pulsed laser welding
    Journal of Mathematics in Industry 13(1), 2023
    arXiv:2109.10788
    doi:10.1186/s13362-023-00132-7
    bibtex 
    @ARTICLE{HerzogStrelnikov:2023:1,
  AUTHOR = {Herzog, Roland and Strelnikov, Dmytro},
  PUBLISHER = {Springer Science and Business Media LLC},
  DATE = {2023-03},
  DOI = {10.1186/s13362-023-00132-7},
  EPRINT = {2109.10788},
  EPRINTTYPE = {arXiv},
  JOURNALTITLE = {Journal of Mathematics in Industry},
  NUMBER = {1},
  TITLE = {An optimal control problem for single-spot pulsed laser welding},
  VOLUME = {13},
}
  • Marc Seibold, Dmytro Strelnikov, Klaus Schricker, Roland Herzog and Jean Pierre Bergmann
    Influence of solidification rate on hot crack behavior in heat conduction laser beam welding of EN AW-6082
    Procedia CIRP 111, p.490-495, 2022
    doi:10.1016/j.procir.2022.08.076
    bibtex 
    @ARTICLE{SeiboldStrelnikovSchrickerHerzogBergmann:2022:1,
  AUTHOR = {Seibold, Marc and Strelnikov, Dmytro and Schricker, Klaus and Herzog, Roland and Bergmann, Jean Pierre},
  PUBLISHER = {Elsevier BV},
  DATE = {2022},
  DOI = {10.1016/j.procir.2022.08.076},
  JOURNALTITLE = {Procedia CIRP},
  PAGES = {490--495},
  TITLE = {Influence of solidification rate on hot crack behavior in heat conduction laser beam welding of EN AW-6082},
  VOLUME = {111},
}
  • Jean Pierre Bergmann, Martin Bielenin, Roland A. Herzog, Jörg Hildebrand, Ilka Riedel, Klaus Schricker, Carsten Trunk and Karl Worthmann
    Prevention of solidification cracking during pulsed laser beam welding
    Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 17(1), p.405-406, 2017
    doi:10.1002/pamm.201710172
    bibtex 
    @ARTICLE{BergmannBieleninHerzogHildebrandRiedelSchrickerTrunkWorthmann:2017:1,
  AUTHOR = {Bergmann, Jean Pierre and Bielenin, Martin and Herzog, Roland A. and Hildebrand, Jörg and Riedel, Ilka and Schricker, Klaus and Trunk, Carsten and Worthmann, Karl},
  PUBLISHER = {Wiley-Blackwell},
  DATE = {2017-12},
  DOI = {10.1002/pamm.201710172},
  JOURNALTITLE = {Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics},
  NUMBER = {1},
  PAGES = {405--406},
  TITLE = {Prevention of solidification cracking during pulsed laser beam welding},
  VOLUME = {17},
}

Associated Software

  • Dmytro Strelnikov
    Numerical model for single spot pulsed laser beam welding, 2022
    https://github.com/optipulsproject/python-optipuls/
    bibtex 
    @SOFTWARE{Strelnikov:2022:1,
  AUTHOR = {Strelnikov, Dmytro},
  URL = {https://github.com/optipulsproject/python-optipuls/},
  DATE = {2022},
  TITLE = {Numerical model for single spot pulsed laser beam welding},
}

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