Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

Das Laserschneiden ist ein in der Industrie fest etabliertes Trennverfahren für Metalle und eine Vielzahl weiterer Materialien. Trotz der weitgehenden Beherrschung des Schneidprozesses durch empirische Untersuchungen und praktisches Erfahrungswissen sind die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen bisher nicht vollständig verstanden. Besonders für die qualitätsbestimmende Schnittkantenrauheit und die Gratbildung ist mit den bisherigen Verbesserungsansätzen nur eine begrenzte Beeinflussung möglich. Auch wenn die fundamentale Bedeutung der Gasströmung für die Bewegung der Schmelze allgemein akzeptiert ist, existieren für den konkreten Impuls- und Wärmeaustausch zwischen Gasströmung und Schmelze bisher nur unzureichende theoretische oder numerische Ergebnisse. Weiterhin können die in experimentellen Untersuchungen dokumentierten charakteristischen Schmelzströmungen nicht mit den bereits existierenden einfachen Modellen zur Gas-Schmelze-Interaktion abgebildet oder erklärt werden. Die vorliegende Dissertation thematisiert erstmals die lokale Wechselwirkung zwischen Schneidgasströmung und der Oberfläche des Schnittspaltes bzw. der Schmelzfilmoberfläche und untersucht insbesondere die Eigenschaften der Gasgrenzschicht. Die Arbeit verfolgt einen kombinierten Ansatz aus experimentellen, theoretischen und numerischen Untersuchungen. Die Analyse typischer Schnittkanten betrachtet detailliert die charakteristische Oberflächenstruktur der Kanten und resultiert in einer für das Schneiden mit Festkörperlasern angepassten Einteilung in horizontale Strukturzonen. Der festgestellte Zusammenhang zwischen den Prozessparametern, der Spaltgeometrie und den Zonen der Schnittkante dokumentiert ebenso wie die lokalen Ansammlungen von erstarrten Schmelzresten mit spiralförmiger Oberflächenstruktur den fundamentalen Einfluss der Gasströmung auf die globale und lokale Schmelzbewegung. Die Abschätzung der Grenzschichteigenschaften anhand semi-empirischer Kennzahlgleichungen unter den spezifischen Randbedingungen des Laserschneidens zeigt erstmalig, dass weder von einer laminaren noch von einer turbulenten Grenzschichtströmung ausgegangen werden kann, sondern dass ein transitioneller Grenzschichtcharakter vorliegt. Die Übertragung grundlegender Erkenntnisse der Grenzschichttheorie, insbesondere zum Einfluss von Strömungsablösungen und Stoß-Grenzschicht-Interaktionen auf die Stabilität der Grenzschicht, ermöglicht eine Eingrenzung der beim Laserschneiden relevanten Instabilitätsmechanismen auf räumlich-periodische und quasi-stationäre Moden und resultiert in einem Ansatz zur Interpretation experimenteller Schnittkanten im Rahmen der Grenzschichtentwicklung des Schneidgases. Das hierzu entwickelte numerische Modell der Schneidgasströmung bestätigt die theoretischen Ergebnisse zur Grenzschichtentwicklung und ist fähig, die relevanten Instabilitätsmoden wiederzugeben und die resultierenden lokalen Verteilungen des Impuls- und Wärmeübergangs zwischen Gas und Schmelze zur quantifizieren. Der Vergleich zu realen Schnittkanten und die Untersuchung grundlegender Einflussgrößen liefert eine sehr gute Übereinstimmung zu experimentellen Befunden. Die vorliegende Dissertation leistet damit einen grundlegenden Beitrag zur Bedeutung der Schneidgasströmung und ihrer Grenzschicht für das Verständnis des Laserschneidens und eröffnet neue Möglichkeiten für eine Prozessbeeinflussung und Optimierung. / Laser cutting is a firmly established cutting process in industry for metals and a variety of other materials. Despite the fact that the cutting process has been largely mastered by empirical studies and practical experience, the underlying physical mechanisms are not yet fully understood. Particularly for the quality-determining cut edge roughness and burr formation, only a limited influence is possible with the previous improvement approaches. Even if the fundamental influence of the gas flow on the movement of the melt is generally accepted, only insufficient theoretical or numerical results exist so far for the specific momentum and heat transfer between gas flow and melt. Furthermore, the characteristic melt flows documented in experimental investigations cannot be represented or explained with the already existing simple models for gas-melt interaction. The present dissertation addresses the local interaction between cutting gas flow and the surface of the kerf respectively the melt film surface, and considers in particular the properties of the gas boundary layer. The work follows a combined approach of experimental, theoretical and numerical investigations. The analysis of typical cut edges considers in detail the characteristic surface structure of the edges and results in a subdivision into horizontal structural zones adapted for cutting with solid-state lasers. The observed correlation between the process parameters, the gap geometry and the zones of the cut edge documents the fundamental influence of the gas flow on the global and local melt movement, as do the local accumulations of solidified melt residues with a spiral surface structure. The estimation of the boundary layer properties based on semi-empirical parameter equations under the specific boundary conditions of laser cutting shows for the first time that neither a laminar nor a turbulent boundary layer flow can be assumed, but that a transitional boundary layer character is present. The transfer of fundamental findings of boundary layer theory, in particular on the influence of flow separation and shock-boundary layer interactions on the stability of the boundary layer, allows a confinement of the instability mechanisms relevant in laser cutting to spatially-periodic and quasi-stationary modes. Additionally, an approach for the interpretation of experimental cut edges in the context of the boundary layer development of the cutting gas is derived. Furthermore, the developed numerical model of the cutting gas flow confirms the theoretical results on boundary layer development. It is capable of reproducing the relevant instability modes and for quantifying the resulting local distributions of momentum and heat transfer between gas and melt. The comparison to real cut edges and the investigation of fundamental parameters yields a good agreement to experimental findings. This thesis thus provides a fundamental contribution to the importance of the cutting gas flow and its boundary layer for the understanding of laser cutting and opens up new possibilities for process control and optimization.

Die Magnetisierungskurven und Ummagnetisierungsverluste weichmagnetischer Werkstoffe zeigen sich stark abhängig von den zur Bearbeitung eingesetzten Trennverfahren. Nach dem theoretischen Ergründen der Ursachen und dem Entwurf einer genauen und praxistauglichen Prüfmethodik erfolgt die messtechnische Charakterisierung dieser Abhängigkeiten an ausgewählten Werkstoffen, Trennverfahren, Probengeometrien und Magnetisierungsbedingungen. Dies ermöglicht erste Rückschlüsse auf die Sensitivität magnetischer Eigenschaften gegenüber Bearbeitungseffekten. Anhand der Ergebnisse können schließlich Modelle zur Beschreibung der Materialdegeneration an Bearbeitungskanten identifiziert werden. Weiterführend werden drei Methoden zur Nachrechnung von Magnetkreisen eingeführt, um im Entwurfsprozess elektrischer Maschinen den Einfluss von degenerierten Eigenschaften abzuschätzen. Diese werden abschließend an praktisch relevanten Anordnungen mit konventionellen Berechnungen und Messwerten verglichen. / Magnetization curves and core losses of soft magnetic materials are strongly dependent on the applied cutting processes. After identifying the theoretical causes and designing an accurate and convenient measuring technique those dependencies are determined from selected materials, cutting processes, sample geometries and magnetization conditions. Thus, first conclusions about the sensitivity of magnetic properties to cutting effects are possible. The results eventually enable the identification of models specifying the material degeneration at cutting edges. Furthermore, three methods are introduced in order to describe magnetic circuits, as common in electrical machines, but under the influence of degenerated properties. Finally, those methods are compared to conventional calculations and measurements at practically relevant cores.

In der serienmäßigen Verarbeitung von hochfesten Feinkornbaustählen zeigte sich, dass verschiedene Stähle gleicher Festigkeitsklasse zu stark unterschiedlichen Schweißergebnissen beim Laserstrahltiefschweißprozess führen können. Die materialbedingten Einflüsse auf das Schmelzbadverhalten sind bisher in keiner bekannten Forschungsarbeit untersucht worden. Diese Arbeit erweitert die bisherige Forschung mit neuen Erkenntnissen aus umfangreichen Materialanalysen und Schweißversuchen. Dadurch wurde es möglich, ein ganzheitliches Erklärungsmodell der materialbedingten Einflüsse beim Laserstrahltiefschweißprozess zu beschreiben. Diese Arbeit fokussierte sich einerseits auf die Analyse der chemischen Zusammensetzung der Grundmaterialien und die Auswirkungen der Legierungselemente auf die Schweißnahtvorbereitung in Kombination mit dem Vorprozess Laserstrahlbrennschneiden. Andererseits wurde gezielt die Auswirkung der chemischen Grundmaterialzusammensetzung auf das Schmelzbadverhalten im Laserstrahltiefschweißprozess untersucht. Dabei wurden die Blechstärken so variiert, dass durchgeschweißte und nicht durchgeschweißte I-Naht-Verbindungen, geschweißt unter konstanten Schweißbedingungen, analysiert werden konnten. Die Schweißparameter und der Hilfsstoffeinsatz wurden dabei konstant gehalten, sodass Vergleichsanalysen der Schweißergebnisse möglich waren. Bei durchgeschweißten Stößen wurde die Schmelzbadoberfläche, aber auch die Schmelzbadunterseite per Hochgeschwindigkeitskamera inkl. Laserlichtfilter analysiert. Bei nicht durchgeschweißten Stößen wurde die Wirkung der verschiedenen Schnittkantenzustände auf das Einschweißverhalten und die Einbrandgeometrie an mehr als 100 Makroschliffen untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass die Art der Schnittkantenbehandlung nach dem Laserstrahlbrennschneidprozess materialbedingt zu unterschiedlichen Schnittkantenzuständen führt. Diese können in weiterer Folge die Schweißergebnisse stark beeinflussen. Auch bei mechanisch bearbeiteten Schweißnahtvorbereitungen wurden grundwerkstoffbedingte Unterschiede in der Einbrandform und im Erstarrungsgefüge nachgewiesen. Unbehandelte und somit schnittoxidbehaftete Schnittkanten bzw. auch Schweißnahtvorbereitungen mit manuell aufgetragenem SiO2 führen zu einer Stabilisierung der Dampfkapillare und erhöhen die Einschweißtiefe signifikant. Die positive Wirkung von Oxiden, welche direkt in der Schweißfuge dem Schmelzbad zugeführt werden, wurden mit den experimentellen Versuchen in dieser Arbeit erstmals nachgewiesen. Bei den gewählten Schweißparametersätzen stellen die Oxide in der Schweißfuge die dominierende Einflussmöglichkeit beim Laserstrahltiefschweißprozess dar. Vergleiche der mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften bei unterschiedlichen Schnittkantenzuständen und Schweißversuche mit unterschiedlichen Schutzgaszusammensetzungen zeigten die Auswirkungen der verschiedenen Fugenvorbereitungen auf die Schweißergebnisse. Durch die Kombination der bisherigen Erkenntnisse aus der Forschung mit den neu gewonnenen Erkenntnissen aus dieser Arbeit, konnte ein ganzheitliches Erklärungsmodell aufgestellt werden, das die Einflüsse der Grundmaterialzusammensetzung entlang der Prozesskette beschreibt und die materialabhängigen Unterschiede der Schweißergebnisse aus dem Laserstrahltiefschweißprozess nachvollziehbar macht. Die Erkenntnisse dieser Arbeit ermöglichen ein erhöhtes Prozessverständnis und zeigen neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung in der Blechverarbeitungsprozesskette mit Lasertechnologien.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Technik 4 Experimentelles 5 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 6 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 7 Schlussfolgerungen und Ausblick / In the industrial series processing of high-strength fine grain steels, it was found that different steels of the same strength class can lead to different welding results by the laser beam keyhole welding process. The material-related influences on the molten pool behavior have not yet been investigated in any known research. This research work extends the state of knowledge with new findings from extensive material analysis and welding tests. This new findings made it possible to describe a holistic explanatory model of the material-related influences in the laser beam keyhole welding of high-strength fine grain steels. On the one hand, this work focused on the analysis of the chemical composition of the base materials and the effects of the alloying elements on the weld preparation in combination with the laser cutting process. On the other hand, the effect of the chemical base material composition on the melt pool behavior during laser keyhole welding process was specifically investigated. The welding parameters and the use of filler material were kept constant so that comparative analysis of the welding results was possible. The sheet thicknesses were varied so that full penetration and partly penetration I-seam-butt-welds could be analyzed. While welding full penetration welds, the surface of the molten pool as well as the root of the melt pool was analyzed by a high-speed camera equipped with laser light filter. For the partly penetration welds, the effect of the different cutting edge conditions on the penetration depth and the weld penetration geometry was investigated on more than 100 macro sections. The investigations have shown that the type of cut edge treatment after the laser beam cutting process leads to different cutting edge conditions depending on the material. These different conditions can subsequently strongly influence the welding results. Base-material-related differences in the penetration shape and in the solidification structure were detected in the cross sections even on seams welded on mechanically processed edge preparations. After laser beam cutting, untreated and thus cut-oxide-containing cut edges lead to a stabilization of the keyhole and increase the penetration depth significantly. This effect could also be observed with manually applied SiO2 on the mechanically processed edge preparations before welding. The positive effects of oxides, which are existing directly in the weld preparation groove, were first detected with the experimental investigations during this work. With regard to the selected welding parameter sets, the oxides that are directly on the weld preparation edges are the dominant influence option in the laser beam keyhole welding process. Comparisons of the mechanical-technological joint properties at different cutting edge conditions and welding tests with different protective gas compositions showed the impacts of various joint preparations on the final welding results. By combining previous experience with the results of this work, a holistic explanatory model was developed, which describes the influence of the base material composition along the process chain and makes the material-dependent differences of the welding results of the laser beam keyhole welding process comprehensible. The findings of this work enable a better understanding of the process and show new possibilities for increasing efficiency in the concerned sheet metal processing chain with laser technologies.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Technik 4 Experimentelles 5 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 6 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 7 Schlussfolgerungen und Ausblick