Das Laserstrahlhartlöten ermöglicht die Herstellung von Fügeverbindungen mit exzellenten Nahtqualitäten. Daher hat es sich bei anspruchsvollen Anwendungen, wie zweiteiligen Heckklappen und der Verbindung von Dach und Seitenwandrahmen (Dachnullfuge) etabliert. Um die hohen Qualitätsanforderungen durch das Laserstrahlhartlöten realisieren zu können, sind allerdings anspruchsvolle konstruktive Randbedingungen zu erfüllen, die über die Fertigungskette nicht immer vollständig sicherzustellen sind. Das Ergebnis solcher Fertigungs- und Materialschwankungen äußert sich dann oft als Nahtimperfektionen, die während des Laserlötprozesses entstehen. Diese verursachen vor allem mit steigenden Prozessgeschwindigkeiten einen erhöhten und kostenintensiven Nacharbeitsaufwand und sollten daher vermindert bzw. gänzlich vermieden werden. Das Ziel ist somit den Laserlötprozess so robust wie möglich auszulegen, um auf diese Fertigungsschwankungen ohne Einschränkungen in der Nahtqualität reagieren zu können. Im ersten Teil dieser Arbeit werden wesentliche Einflussfaktoren auf die Ausbildung der Nahtqualität am schrägen Bördelstoß untersucht und die systemtechnischen Grenzen mit einem statischen und runden Laserspot aufgezeigt. Weiterhin werden die resultierenden Nahtqualitäten durch das Laserstrahllöten mit gescanntem Laserstrahl in Vorschubrichtung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Nahtqualität mit diesem innovativen Ansatz bezüglich des Anbindungsquerschnittes und der Oberflächenqualität weiter steigern lassen. Dies lässt sich ebenfalls für höhere Prozessgeschwindigkeiten realisieren. Abschließend werden neuartige Möglichkeiten der Prozessüberwachung, sowie erste Ansätze zur Prozessregelung des Laserstrahlhartlötens am schrägen Bördelstoß vorgestellt. Die erzielten Resultate zeigen, dass sich der Laserstrahlhartlötprozess durch die Regelung der Laserleistung in Verbindung mit evaluierten Temperaturfeldern im Bereich der Prozesszone online kontrollieren und sich dadurch die Prozessstabilität merklich steigern lässt.

Das Laserstrahlhartlöten ermöglicht die Herstellung von Fügeverbindungen mit exzellenten Nahtqualitäten. Daher hat es sich bei anspruchsvollen Anwendungen, wie zweiteiligen Heckklappen und der Verbindung von Dach und Seitenwandrahmen (Dachnullfuge) etabliert. Um die hohen Qualitätsanforderungen durch das Laserstrahlhartlöten realisieren zu können, sind allerdings anspruchsvolle konstruktive Randbedingungen zu erfüllen, die über die Fertigungskette nicht immer vollständig sicherzustellen sind. Das Ergebnis solcher Fertigungs- und Materialschwankungen äußert sich dann oft als Nahtimperfektionen, die während des Laserlötprozesses entstehen. Diese verursachen vor allem mit steigenden Prozessgeschwindigkeiten einen erhöhten und kostenintensiven Nacharbeitsaufwand und sollten daher vermindert bzw. gänzlich vermieden werden. Das Ziel ist somit den Laserlötprozess so robust wie möglich auszulegen, um auf diese Fertigungsschwankungen ohne Einschränkungen in der Nahtqualität reagieren zu können. Im ersten Teil dieser Arbeit werden wesentliche Einflussfaktoren auf die Ausbildung der Nahtqualität am schrägen Bördelstoß untersucht und die systemtechnischen Grenzen mit einem statischen und runden Laserspot aufgezeigt. Weiterhin werden die resultierenden Nahtqualitäten durch das Laserstrahllöten mit gescanntem Laserstrahl in Vorschubrichtung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Nahtqualität mit diesem innovativen Ansatz bezüglich des Anbindungsquerschnittes und der Oberflächenqualität weiter steigern lassen. Dies lässt sich ebenfalls für höhere Prozessgeschwindigkeiten realisieren. Abschließend werden neuartige Möglichkeiten der Prozessüberwachung, sowie erste Ansätze zur Prozessregelung des Laserstrahlhartlötens am schrägen Bördelstoß vorgestellt. Die erzielten Resultate zeigen, dass sich der Laserstrahlhartlötprozess durch die Regelung der Laserleistung in Verbindung mit evaluierten Temperaturfeldern im Bereich der Prozesszone online kontrollieren und sich dadurch die Prozessstabilität merklich steigern lässt.

The ability to effectively join magnesium alloys to steel will facilitate increased application and use of Mg alloys in the automotive and aerospace industries where joining Mg alloys to steel in order to achieve light weight, versatile and tailored properties in one composite part is highly desirable. The current thesis details (i) the development of a laser brazing technology for joining Mg alloy-interlayer-steel dissimilar metal combinations, (ii) thermochemical analysis of phases formed at the interface of a Mg alloy-steel joint during laser brazing, (iii) the bonding mechanisms in the Mg alloy-interlayer-steel joints using Al-12Si, Ni, and Sn interlayers, and (iv) the mechanism responsible for wetting of steel by molten Mg alloy during the laser brazing. Firstly, a diode laser brazing procedure has been developed for joining AZ31B-H24 Mg alloy sheet to aluminum coated steel sheet using a AZ92 Mg alloy filler wire. The results of this study suggest that feasibility of this process depends strongly on the pre-existing Al-12Si coating layer on the steel sheet that promotes wetting of the AZ92 Mg alloy filler alloy as well as formation of a layer of θ-Fe(Al,Si)3 interetallic compound along the fusion zone-steel interface. The average joint efficiency was 29% with respect to the AZ31B-H24 Mg alloy base metal. Failure occurred when cracks propagated along the intermetallic layer. Secondly, to predict early stage phase formation in the Mg alloy-interlayer-steel system during the laser brazing process, the thermodynamic stability of precipitated phases at the Mg alloy-Ni-steel interface during laser brazing has been evaluated using FactSage thermochemical software. Assuming local chemical equilibrium at the interface, the chemical activity-temperature-composition relationships of intermetallic compounds that might form in the AZ92 magnesium alloy-Ni-steel system in the temperature range of 600-1100 °C were estimated. The addition of a Ni interlayer between the steel and the Mg brazing alloy was predicted to result in the formation of the AlNi, Mg2Ni, and Al3Ni2 intermetallic compounds at the interface depending on the local maximum temperature. This was confirmed experimentally by laser brazing of AZ31B-H24 magnesium alloy and steel sheet with a micro-layer of electro-deposited Ni using AZ92 magnesium alloy filler wire. Bonding between the magnesium alloy and the steel was facilitated by the formation of a transition layer composed of a solid solution of Ni in Fe on the steel followed by a layer of α-Mg + Mg2Ni eutectic. A band of AlNi with different morphologies also formed along the fusion zone-steel interface, but was not directly responsible for bonding. The average joint efficiency was 56.5% with respect to the AZ31B-H24 Mg alloy base metal and 94.8% higher than that of laser brazed joint using Al-12Si interlayer. Thirdly, to study a low melting point temperature interlayer element, the brazeability of AZ31B-H24 magnesium alloy sheet to Sn-coated steel sheet has been investigated. All tensile-shear specimens fractured in the steel base metal well away from the brazed joint. The results showed that while the Sn coating promoted good wetting between the molten filler alloy and the steel sheet, it did not play a role in forming the final bond. Its primary function appeared to be in maintaining a clean, oxide-free steel surface until the molten Mg filler alloy could come in direct contact with the steel surface. Bonding between the magnesium alloy and the steel was facilitated by the formation of two nano-scale transition layers composed of Fe(Al) solid solution on the steel followed by a layer of Al8Mn5 phase on top of Fe(Al) in the fusion zone along the interface. High resolution-TEM analysis showed that an orientation relationships (OR) with low angle of rotation of the matching planes and low interplanar mismatch existed at the Fe(Al)-Al8(Mn,Fe)5 interface. This was found to be responsible for the low interfacial energy density, good wetting and strong interfacial bond observed in this complex dissimilar metal system. Finally, wetting has been characterized by measuring the contact angles of AZ92 Mg alloy on Ni electro-plated steel as a function of measured peak temperature reached during laser heating. Reactions between molten Mg and Ni led to a contact angle of about 86º in the peak temperature range of 618-750 ºC (denoted as Mode I) and a dramatic decrease to about 46º in the temperature range of 824-1020 ºC (denoted as Mode II). Scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) indicated that AlNi + Mg2Ni reaction products were produced between Mg and steel (Mg-AlNi-Mg2Ni-Ni-Fe) in Mode I, and just AlNi between Mg and steel (Mg-AlNi-Fe) in Mode II. From high resolution TEM analysis, the measured interplanar mismatches for different formed interfaces in Modes I and II were 17% {Mg-AlNi}-104% {AlNi-Mg2Ni}-114% {Mg2Ni-Ni} and 18% {Mg-AlNi}-5% {AlNi-Fe}, respectively. Therefore, it is suggested that the poor wettability in Mode I was caused by the existence of Mg2Ni since AlNi was the immediate layer contacting molten Mg in both Modes I and II and the presence of Mg2Ni increases the interfacial strain energy of the system. This study has clearly demonstrated that the lattice mismatching at the interfaces between reaction product(s) and substrate, which are not in direct contact with the liquid, can greatly influence the wetting of the liquid.

Laser joining processes, such as brazing and welding, are a common application in industry, especially in the automotive industry. These processes are the key to lightweight and efficient design with regard to the automotive industry. There, laser brazing is used mainly for visible joints due to the superior paint adhesion and surface roughness of brazed joints compared to welds. As laser brazing is applied in the automotive industry without using any fluxes or shielding gas, this leads to a difficulty in maintaining and ensuring the quality of brazed joints.

Cette thèse traite de la prise en compte de l'impact des procédés d'assemblage thermomécanique sur la géométrie de la caisse en blanc lors de la phase de conception d'un véhicule, chez PSA Peugeot-Citroën. Pour cela, on souhaite développer un outil de prévision des déformations induites par les procédés de soudo-brage - plasmatron et laser - lors de l'assemblage du pavillon sur le côté de la caisse. Les pièces - de dimensions métriques - sont composées de tôles fines d'épaisseur 0,67 mm en acier XES. Afin de réaliser une simulation numérique du procédé, il est nécessaire d'identifier un certain nombre de modèles, objets de cette thèse. Dans un premier temps des essais de soudo-brasage en laboratoire ont été réalisés afin de définir les domaines de validité de l'étude, d'identifier des modèles de sources de chaleur, et de déterminer les coefficients d'échange thermique avec l'extérieur. Une étude spécifique d'identification des lois de comportement des matériaux mis en jeu, sur toute la gamme de température, a également été réalisée. Pour cela, une méthode de mesure de champs par corrélation d'images numériques à haute température a été développée, qui a permis d'identifier complètement les paramètres de la loi de comportement de l'acier XES. Pour finir, de façon à réaliser la validation de la simulation numérique, ces travaux de thèse ont été l'occasion de développer une nouvelle méthode de calibration pour la stéréocorrélation d'images basée sur la connaissance a priori de la géométrie de l'objet observé, en considérant sa forme théorique via son modèle CAO. Cette méthode est tout particulièrement adaptée aux dimensions des structures étudiées ici. / This study is about the impact of thermo-mechanical assembly processes of metal sheets, in the automotive industry context. The aim is to predict thermally induced deformations by using a numerical tool. We are particularly interested in Plasmatron and laser brazing processes that are used to assemble an automotive roof and the body side of the vehicle. Parts are made from 0,67 mm thickness XES thin metal sheet of about one meter length. To validate such complex non-linear numerical simulations with experimental observations, it is necessary to develop well-controlled and highly instrumented tests. In a first step, experimental welding brazing tests are carried out in order to identify validity domains, heat source model and thermal coefficients of exchange. In a second step, high temperature tension tests are performed to identify the behaviour of each material. These tests are instrumented with a new DIC protocol in order to measure displacement fields from 20°C to 1000°C. Finally, in order to validate the thermo-mechanical simulation, in-situ 3D Digital Image Correlation (stereo-correlation) measurements were performed during the welding-brazing assembly. For this purpose and due to the geometry of the involved parts, a new calibration method, based on the CAD part geometry has been developed.

In the automotive industry a commonly used material is thin steel sheets coated with a thin layer of zinc for corrosion resistance purposes. Welding of this material, with the high temperatures involved, causes problems with zinc burn-off leading to reduced corrosion resistance. The zinc evaporation also causes arc disturbances leading to spatter formation, pores and difficulties achieving good visual weld quality. The joints are in many cases visible or semi-visible (e.g. visible after opening a door) and “A-grade” quality is demanded, meaning no visible discontinuities are allowed. It also implies a smooth and generally appealing appearance of the joint.An alternative to welding is brazing, and laser brazing meets the requirements but the process is associated with high costs. In the national project “LEX-B”, funded by Vinnova, the possibilities of using arc brazing, in particular one MIG/MAG brazing and two TIG brazing processes, for some automotive applications are investigated. This master thesis is connected to the first part of the project and aims at compiling data for making a selection of the most promising process to investigate and optimise further. LEX-B is conducted in cooperation between Swerea KIMAB, Volvo Trucks, Scania CV and University West. The joint of interest is a lap joint between bottom and upper sheets of 1.2 mm and 0.8 mm respectively that represents a joint on the side of a truck cabin. The requirements are visual A-grade quality and tensile shear strength of 300 MPa.In the project the MIG/MAG process Cold Metal Transfer (CMT) was compared to the TIG processes forceTIG and Plasmatron. CMT was experimentally investigated while the results for the other two processes were obtained partly from a previous study and partly from Volvo Trucks where tests were performed simultaneously. A system for measuring data for the process was developed, test specimens were brazed and examined visually and mechanical destructive testing was performed to ensure the tensile shear strength. Parameter studies were done for further process optimisation. / Inom fordonsindustrin är ett ofta använt material stål i tunna ark belagda med zink p.g.a. zinkets korrossionsskyddande egenskaper. Vid svetsning av detta material uppstår problem med zink som förångas vilket leder till minskad korrosionsbeständighet. Förångningen av zink orsakar också störningar av ljusbågen vilket leder till sprut, porer och svårighet att uppnå god visuell svetskvalitet. Fogarna är i många fall synliga eller delvis synliga (t.ex. synlig efter att ha öppnat en dörr) och "A-kvalitet" efterfrågas, vilket innebär att inga synliga diskontinuiteter tillåts. Fogen ska upplevas jämn och tilltalande.Lödning är ett alternativ till svetsning, och laserlödning är en process som uppfyller kraven men är förknippad med höga kostnader. I det nationella projektet "LEX-B", som finansieras av Vinnova, undersöks möjligheterna att använda båglödning, specifikt en MIG/MAG-process och två TIG-processer, för dessa applikationer. Detta examensarbete är anslutet till den första delen av projektet och syftar till ta fram underlag för att välja den mest lovande av dessa processer för vidare utredning och optimering. LEX-B sker i samarbete mellan Swerea KIMAB, Volvo Lastvagnar, Scania CV och Högskolan Väst. Den undersökta fogen är en överlappsfog mellan en undre plåt med 1,2 mm tjocklek och en övre plåt med 0,8 mm tjocklek. Detta representerar en fog på sidan av en lastbilshytt. Kraven är visuell A-kvalitet och en drag-skjuvhållfasthet av 300 MPa.I projektet jämfördes MIG/MAG-processen Cold Metal Transfer (CMT) med TIG-processerna forceTIG och Plasmatron. CMT testades experimentellt medan resultaten för de övriga två processerna erhölls dels från tidigare tester och dels från Volvo Lastvagnar där tester utfördes parallellt. Ett mätsystem for att dokumentera processdata utvecklades och de framställda lödfogarna undersöktes visuellt och med mekanisk förstörande provning för att säkerställa drag-skjuvhållfastheten. Parameterstudier gjordes för vidare optimering av processen.