This diploma thesis deals with welding of two dissimilar materials by laser. The samples were welded by direct beam guidance and wobbling, with and without using high alloy filler material and with the use of a diffusion barrier in the form of nickel. Welding was done with different shielding atmospheres. Nondestructive (VT, PT, UT-PA, RT) and destructive tests were performer (tensile test at room and elevated temperatures, microhrardness). Metalography was suplemented by EDX analysis of selected elements.

This document describes the possibilities of increasing the mechanical efficiency of the crank train of an internal-combustion engine. For this purpose, a concept with a reduced number of main bearings is chosen and its contribution is verified experimentally. The proposed solution consists of an innovative crankshaft design of a four-cylinder spark-ignition engine with only three main journal bearings and laser-welded sheet metal crank webs. The new design is compared to the mass-produced one in terms of friction losses, vibrations and loading of engine parts by means of simulations of crank train dynamics using the Multi-Body System. The increase in vibration, accompanied by a reduction in friction losses, is compensated by a torsional vibration damper and its effect is experimentally verified. Experimental research of laser welds on the crankshaft in terms of fatigue life is also described. The overall potential is also summarised and further possible development of this innovative and patented design is outlined.

No description available.

Millimeterstora och svårupptäckta defekter kan uppstå internt i stora och komplexa gjutgods av Ti-6Al-4V, ibland går dessa oupptäckta tills detaljen genomgått mekanisk bearbetning och en stor kostnad redan har gått in i den. Dessa defekter och andra industriella olyckshändelser leder till ett behov av additiva reparationsmetoder där den för tillfället rådande metoden är TIG-svetsning. Denna metod reparerar defekterna men leder till oacceptabla restspänningar vilka kan åtgärdas med värmebehandling som i sin tur kan orsaka ytdefekten alpha case. Därav finns ett industriellt behov av reparationsmetoder som leder till mindre eller negligerbara restspänningsnivåer i reparerad detalj. Detta arbete utfört hos GKN Aerospace – Engine Products Sweden i Trollhättan analyserar eventuella förhållanden mellan parametrarna Effekt, Spot size, och Svetshastighet och de resulterande restspänningarna i ett lågparameterområde på materialet Ti-6Al-4V. En parameterrymd uppspänd av 17 parameteruppsättningar etablerades, svetsades och analyserades med mikrografi. Ur denna rymd simulerades de 8 yttre parametrarna med hjälpa av Finita Elementmetoden i svetssimuleringsmjukvaran MARC och ett förhållande mellan ingående parametrar och resulterande restspänningar undersöktes. En statistiskt säkerställd trend erhölls för att en minskad Svetshastighet leder till minskade tvärspänningar i mitten på en 20mm lång svetssträng. Detta är applicerbart för svetsar nyttjande start och stopplåtar. Det noterades även att en ökning i Effekt eller Spot size, eller en minskning utav svetshastigheten leder till att det av restspänningar utsatta området ökar i storlek. Detta är har implikationer för efterföljande värmebehandling i avgörandet av form och storlek på området som skall värmebehandlas. / Minute defects may occur in large complex Ti-6Al-4V castings, sometimes these are unnoticed until after machining and a high cost has been sunk into the part. These defect and other potential manufacturing mishaps render a need for additive repair methods. The state of the art method TIG welding can repair the parts but may leave unacceptable residual stresses, where the state of the art solution of Post Weld Heat Treatment might create a surface defect known as alpha case. Therefore there is a need for a repair weld method that results in lesser or negligible residual stresses. This thesis, carried out at GKN Aerospace – Engine Products Sweden, Trollhättan analyses the potential relationships between the laser welding parameters Power, Spot size, and Weld speed and the resulting residual stresses in a low energy parameter area on the material Ti-6Al-4V. A parameter box of 17 parameter sets was established, laid down and analyzed under micrograph, of this box the outer 8 parameter sets were simulated via the Finite Element Analysis welding simulation software MARC and a relationship between the input parameters and their resulting residual stresses was analyzed. A statistically significant trend was found supporting the claim that a decrease in transversal stresses in the center of a 20mm weld line is caused by an increase in Weld speed. This has implications for welds using run-on & run-of plates. It was also noted that an increase in Power or Spot size, or a decrease in Weld speed increases the area under residual stress; both as individual parameters and in synergy. This has implications for Post Weld Heat Treatment in determining the size and shape of the area in need of treatment.

During the assembly process of battery packs for electric vehicles, it is crucial to ensure that the cell-to-busbar joints can be produced with high quality, good reliability, and with minimal impact on the individual battery cells. This thesis project investigates the influence of different process parameters on the joint quality for laser welded dissimilar material cell-to-busbar joints. Nickel plated copper and steel plates, joined in an overlap configuration, are used as a simplified geometry, representing a cell-to-busbar joint. By the utilization of artificial neural network-based meta models, trained on numerical results from computational fluid dynamics simulations of the laser welding process, the joint quality is predicted and evaluated. The present thesis investigates how a set of optimized process parameters can be identified for the considered laser welded dissimilar material cell-to-busbar joints, in order to simultaneously maximize the interface width for the joints, and minimize the formation of undercuts and resulting in-process temperatures. NSGA-II is used to efficiently search for trade-off solutions, in an meta model-based multi-objective optimization approach, where the meta models are used to approximate the objectives, corresponding to the joint quality obtained from computational fluid dynamics simulations. With this, the time for one objective evaluation is reduced from approximately 9 hours, when the objectives are evaluated directly from computational fluid dynamics simulations, to only tenths of a second. With the proposed optimization approach, the Pareto-optimal front of trade-off solutions is identified, leading to the selection of three optimal solutions for validation. The validity of the proposed optimization approach, and the selected optimal solutions, are confirmed by means of both physical laser welding experiments and computational fluid dynamics simulations. It is shown that the selected optimal solutions, corresponding to three parameter setups, can be used to produce joints with large interface width and low in-process temperatures, without achieving a full penetration in the lower plate of the joint.

Das Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ist zu einem konventionellen Fügeverfahren geworden. Dies gilt unabhängig von der Art der Strahlquelle, der Strahlführung und für die gesamte Sicherheits-, Steuerungs-, Automatisierungs- und Vorrichtungstechnik. Mehr und mehr Baugruppen sind speziell für die Laserverfahren konstruiert, nutzen deren spezifischen Eigenschaften gezielt aus und können nicht mehr mit anderen Fügeverfahren hergestellt werden. Unterschiedliche Schweißnaht-Merkmale sind nicht durch die Lasertechnik verursacht, sondern zumeist in ungünstigen Spannbedingungen oder Bauteil-, Werkstoff- oder Beschichtungsabweichungen begründet. Trotz der hohen Präzision aller Fertigungskomponenten treten durch die Sensibilität des Fügeprozesses bedingte systematische und stochastische Nahtunregelmäßigkeiten auf. Systematisch erkennbare Ursachen sind die wenigen hundertstel bis zehntel Millimeter Bauteilgeometrie-, Positions- oder Beschichtungsabweichungen bzw. Toleranzen, deren umfassende Beherrschung noch aussteht. Unabhängig davon treten scheinbar zufällige Unregelmäßig-keiten trotz allseits optimaler Bedingungen auf. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um aus Prozesssignalen mit einer erstaunlich einfachen Vorgehensweise entstandene Schweißnahtmerkmale zu prognostizieren. Die Merkmalseinteilung lehnt sich an der maßgeblichen Prüfvorschrift an und erreicht schon in dieser frühen Entwicklungsphase einen guten bis sehr guten Bewertungsgrad. Begründet und untermauert wird diese Methode mit der Erweiterung der bestehenden Modellvorstellung zur Laserstrahl-(Stahl)Werkstoff-Wechselwirkung vom Einschweißen zum Ver-schweißen der Nahtform I-Naht am 2-Blech Überlappstoß verzinkter Bleche. Die Vorgänge im Schweißprozess für jedes prognostizierbare Nahtmerkmal sind skizziert, begründet und mit den Prozessemissionen in Zusammenhang gebracht.:1 Einleitung .............................................................................................................................. 1 2 Stand der Technik .................................................................................................................. 3 2.1 Laserstrahlen im Karosseriebau...........................................................................................3 2.1.1 Laseranwendungen im Karosseriebau bei Volkswagen ................................................... 5 2.1.2 Golf, Passat, Phaeton und Bentley Fertigung bei Volkswagen Sachsen ........................... 6 2.1.3 Prozessbesonderheiten beim Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ........................... 9 2.1.4 Entwicklungstendenzen der Laseranwendung im Karosseriebau ................................... 11 2.2 Qualitätssicherungsmethoden für Laserfügeverbindungen im Karosseriebau ................. 14 2.2.1 Offline Prüfung .............................................................................................................. 14 2.2.2 Inline Prüfung................................................................................................................ 19 2.2.3 Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen ....................................................... 23 3 Nahteigenschaften ............................................................................................................. 27 3.1 Übersicht der Nahtunregelmäßigkeiten ........................................................................... 27 3.2 Einflüsse auf Nahteigenschaften ......................................................................................27 3.3 Thermische Verformung, Schrumpfung, Eigenspannungen, Verzug ................................. 30 4 Problemstellung, Zielsetzung und Systematik zur Lösungsfindung .................................. 32 4.1 Problemstellung............................................................................................................... 32 4.2 Zielsetzung ..................................................................................................................... 33 4.3 Systematik zur Lösungsfindung ........................................................................................33 5 Durchgeführte Untersuchungen ......................................................................................... 34 5.1 Basistechnik .....................................................................................................................34 5.1.1 Laserstrahlquelle .......................................................................................................... 34 5.1.2 Bearbeitungswerkzeug und Sensoren ...........................................................................34 5.1.3 Kamera ...........................................................................................................................36 5.1.4 Spektrale Einordnung und Sichtbereiche der Sensoren ..................................................38 5.1.5 Laserzelle und Roboter.....................................................................................................40 5.2 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Photodetektoren ........................................... 40 5.2.1 Analyse Toleranzbandmethode ........................................................................................ 40 5.2.2 Statistische Analyse von Einflussgrößen............................................................................................. 43 5.2.3 Einzelanalyse der Einflussgröße Spalt ................................................................................................ 49 5.2.4 Spaltverträglichkeit dünner Strukturbleche ......................................................................................... 52 5.2.5 Einführung der MILLIMETERPEGEL ..................................................................................................... 54 5.3 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Prozessbildbewertung .................................... 58 5.3.1 Analyse LWM-C ................................................................................................................................. 58 5.3.2 Messung der Dampfkapillare und der Schmelzbadlänge ..................................................................... 70 5.3.3 Off-axis Prozessbeobachtung ............................................................................................................... 71 5.3.4 Charakterisierung der Durchschweißung ............................................................................................. 72 5.3.5 Auslegung geeigneter Schweißprozessbeleuchtung ............................................................................. 75 5.3.6 Koaxiale und off-axis Beobachtungen ................................................................................................. 79 6 Nahteigenschafts-Bewertungsmethode ............................................................................... 86 6.1 Vorgehensweise ........................................................................................................................86 6.2 Durchgangslöcher, Poren, Endkrater ....................................................................................95 6.3 Aussagesicherheit .....................................................................................................................95 7 Modellbildung ...................................................................................................................... 97 7.1 Anfang und Ende der Schweißnaht ........................................................................................98 7.2 Nahtmerkmal „Spritzer“ (0-Spaltschweißen) .......................................................................99 7.3 Nahtmerkmal „In Ordnung“ ................................................................................................102 7.4 Nahtmerkmal „Geringer Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ .................................................104 7.5 Nahtmerkmal „Starker Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ ....................................................106 7.6 Nahtmerkmal „Oben geschnitten“ .......................................................................................108 7.7 Nahtmerkmal „Falscher Freund“ (nicht verschweißt) .......................................................110 8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 112 9 Verzeichnisse ...................................................................................................................... 115 9.1 Literatur .................................................................................................................................115 9.2 Normen ...................................................................................................................................124 9.3 Abkürzungen ..........................................................................................................................125 9.4 Formelzeichen .........................................................................................................................127 9.5 Abbildungen ...........................................................................................................................127 10 Anlagen ............................................................................................................................... 132 10.1 Nahtunregelmäßigkeiten an Laserschweißnähten ..............................................................132 10.2 Sensor-Fehler-Übersicht ........................................................................................................137 10.3 Fehler-Ursachen-Parameter ..................................................................................................139 10.4 Arbeitsplan – Versuchsabfolge und Resultate .....................................................................141 / The laser welding in the car body shop has become a conventional joining process. This is independent from the type of the laser beam source, the course of the radiation and for the complete safety-, control-, automation- and equipment-technology. More and more modules are especially designed for the laser procedure, use their specific characteristics and cannot be produced by any other joining processes. Different characteristics of welds are not caused by the laser technique, but mostly due to unfavourable clamping conditions or because of tolerances of parts, material or coating. Despite the big precision of all production components, systematic and stochastic welding imperfections appear due to the sensibility of the joining process. Systematically identifiable causes are the deviations or tolerances of a few hundredths to tenths of a millimetre concerning the component’s geometry, positions and coatings, whose complete control is still due. Independent from that appear seemingly random irregularities, despite the well-optimal conditions. In result to this work, a method for pre-calculating welding characteristics through an amazingly simple approach was developed. The classification is based on the test specification and achieved even at this early stage of development a good or very good rating level. This method is justified and supported through the addition of the already existing image of the model to the laser/material interaction; from weld-in to the weld-together of square butt form- seams on 2 zinc coated sheets lap joint. The transactions within the welding process for each pre-calculated seam-characteristic are outlined, justified and related to the process emissions in context.:1 Einleitung .............................................................................................................................. 1 2 Stand der Technik .................................................................................................................. 3 2.1 Laserstrahlen im Karosseriebau...........................................................................................3 2.1.1 Laseranwendungen im Karosseriebau bei Volkswagen ................................................... 5 2.1.2 Golf, Passat, Phaeton und Bentley Fertigung bei Volkswagen Sachsen ........................... 6 2.1.3 Prozessbesonderheiten beim Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ........................... 9 2.1.4 Entwicklungstendenzen der Laseranwendung im Karosseriebau ................................... 11 2.2 Qualitätssicherungsmethoden für Laserfügeverbindungen im Karosseriebau ................. 14 2.2.1 Offline Prüfung .............................................................................................................. 14 2.2.2 Inline Prüfung................................................................................................................ 19 2.2.3 Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen ....................................................... 23 3 Nahteigenschaften ............................................................................................................. 27 3.1 Übersicht der Nahtunregelmäßigkeiten ........................................................................... 27 3.2 Einflüsse auf Nahteigenschaften ......................................................................................27 3.3 Thermische Verformung, Schrumpfung, Eigenspannungen, Verzug ................................. 30 4 Problemstellung, Zielsetzung und Systematik zur Lösungsfindung .................................. 32 4.1 Problemstellung............................................................................................................... 32 4.2 Zielsetzung ..................................................................................................................... 33 4.3 Systematik zur Lösungsfindung ........................................................................................33 5 Durchgeführte Untersuchungen ......................................................................................... 34 5.1 Basistechnik .....................................................................................................................34 5.1.1 Laserstrahlquelle .......................................................................................................... 34 5.1.2 Bearbeitungswerkzeug und Sensoren ...........................................................................34 5.1.3 Kamera ...........................................................................................................................36 5.1.4 Spektrale Einordnung und Sichtbereiche der Sensoren ..................................................38 5.1.5 Laserzelle und Roboter.....................................................................................................40 5.2 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Photodetektoren ........................................... 40 5.2.1 Analyse Toleranzbandmethode ........................................................................................ 40 5.2.2 Statistische Analyse von Einflussgrößen............................................................................................. 43 5.2.3 Einzelanalyse der Einflussgröße Spalt ................................................................................................ 49 5.2.4 Spaltverträglichkeit dünner Strukturbleche ......................................................................................... 52 5.2.5 Einführung der MILLIMETERPEGEL ..................................................................................................... 54 5.3 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Prozessbildbewertung .................................... 58 5.3.1 Analyse LWM-C ................................................................................................................................. 58 5.3.2 Messung der Dampfkapillare und der Schmelzbadlänge ..................................................................... 70 5.3.3 Off-axis Prozessbeobachtung ............................................................................................................... 71 5.3.4 Charakterisierung der Durchschweißung ............................................................................................. 72 5.3.5 Auslegung geeigneter Schweißprozessbeleuchtung ............................................................................. 75 5.3.6 Koaxiale und off-axis Beobachtungen ................................................................................................. 79 6 Nahteigenschafts-Bewertungsmethode ............................................................................... 86 6.1 Vorgehensweise ........................................................................................................................86 6.2 Durchgangslöcher, Poren, Endkrater ....................................................................................95 6.3 Aussagesicherheit .....................................................................................................................95 7 Modellbildung ...................................................................................................................... 97 7.1 Anfang und Ende der Schweißnaht ........................................................................................98 7.2 Nahtmerkmal „Spritzer“ (0-Spaltschweißen) .......................................................................99 7.3 Nahtmerkmal „In Ordnung“ ................................................................................................102 7.4 Nahtmerkmal „Geringer Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ .................................................104 7.5 Nahtmerkmal „Starker Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ ....................................................106 7.6 Nahtmerkmal „Oben geschnitten“ .......................................................................................108 7.7 Nahtmerkmal „Falscher Freund“ (nicht verschweißt) .......................................................110 8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 112 9 Verzeichnisse ...................................................................................................................... 115 9.1 Literatur .................................................................................................................................115 9.2 Normen ...................................................................................................................................124 9.3 Abkürzungen ..........................................................................................................................125 9.4 Formelzeichen .........................................................................................................................127 9.5 Abbildungen ...........................................................................................................................127 10 Anlagen ............................................................................................................................... 132 10.1 Nahtunregelmäßigkeiten an Laserschweißnähten ..............................................................132 10.2 Sensor-Fehler-Übersicht ........................................................................................................137 10.3 Fehler-Ursachen-Parameter ..................................................................................................139 10.4 Arbeitsplan – Versuchsabfolge und Resultate .....................................................................141

This thesis presents a modelling approach of laser welding process of aluminium alloy from the thermo-mechanical point of view to evaluate the occurrence of hot cracking based on simulation results and relevant criteria. The model was created stepwise in COMSOL Multiphysics, starting with the thermal model where heat conduction of solid and liquid phase was computed. Then the CFD model was created by involving the driving forces of liquid motion in the weld pool, i.e. natural convection and Marangoni effect. Lastly, the temperature profile calculated by the CFD model was loaded into the mechanical model for computation of thermal stress and strain. The mechanical results were required in  criteria for measuring the  susceptibility of hot cracking. The main findings include that Marangoni effect plays a dominant role in generating the fluid flow and convective heat flux in the weld pool, thus enhancing the heat dissipation and lowering temperature in the workpiece. By contrast, such temperature reduction caused by the air convection, radiation and natural convection is negligible. The welding track further from the clamped side experiences smaller transversal residual stress, but it does not necessarily suggest higher susceptibility to hot cracking according to the applied criteria. It can be concluded judging from current results that these first models of laser welding process work satisfactorily. There is still a work to do to obtain the full maturity of this model due to its limitation and some assumptions made for simplicity. / Denna avhandling presenterar en modelleringsmetod för lasersvetsningsprocessen av aluminiumlegering ur termomekanisk synvinkel för att utvärdera förekomsten av het sprickbildning baserat på simuleringsresultat och relevanta kriterier. Modellen skapades stegvis i COMSOL Multiphysics, med början med den termiska modellen där värmeledning av fast och flytande fas beräknades. Sedan skapades CFD-modellen genom att involvera drivkrafterna för flytande rörelse i svetsbassängen, dvs. naturlig konvektion och Marangoni-effekt. Slutligen laddades temperaturprofilen beräknad av CFD-modellen in i den mekaniska modellen för beräkning av termisk stress och töjning. De mekaniska resultaten krävdes i kriterier för att mäta känsligheten för het sprickbildning. De viktigaste resultaten inkluderar att Marangoni-effekten spelar en dominerande roll när det gäller att generera vätskeflödet och konvektivt värmeflöde i svetsbassängen, vilket förbättrar värmeavledningen och sänker temperaturen i arbetsstycket. Däremot är sådan temperaturreduktion orsakad av luftkonvektion, strålning och naturlig konvektion försumbar. Svetsbanan längre från den fastspända sidan upplever mindre tvärgående restspänning, men det föreslår inte nödvändigtvis högre känslighet för hetsprickning enligt de tillämpade kriterierna. Man kan dra slutsatsen utifrån aktuella resultat att dessa första modeller av lasersvetsningsprocesser fungerar tillfredsställande. Det finns fortfarande ett arbete att göra för att få full mognad för denna modell på grund av dess begränsning och vissa antaganden för enkelhetens skull.