대한용접접합학회 2002년도 Proceedings of the International Welding/Joining Conference-Korea
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pp.600-605
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2002
The keyhole formed by high energy density laser-material interaction periodically collapses due to surface tension of the molten metal in partial penetration welds. The collapse sometimes traps a void at the bottom of the keyhole, and it remains as welding defects. This phenomenon is seen as one cause of the instability of the keyhole during laser beam welding. Thus, it seems likely that improving the stability of the keyhole can reduce voids and uniform the penetration depth. The goal of this work is to develop techniques for controlling laser weld keyhole dynamics to reduce weld defects such as voids and inconsistent penetration. Statistical analysis of the penetration depth signals in glycerin determined that keyhole dynamics are chaotic. The chaotic nature of keyhole fluctuations and the ability of laser power modulation to control them have been demonstrated by high-speed video images of laser welds in glycerin. Additionally, an incident leading beam angle is applied to enhance the stability of the keyhole. The quasi-sinusoidal laser beam power of 400Hz frequency and 15$^{\circ}$ incident leading beam angle were determined to be the optimum parameters for the reduction of voids. Finally, chaos analyses of uncontrolled signals and controlled signals were done to show the effectiveness of modulation on the keyhole dynamics. Three-dimensional phase plots for uncontrolled system and controlled system are produced to demonstrate that the chaotic keyhole dynamics is converted to regular periodic behavior by control methods: power modulation and incident leading beam angle.
The formation and stability of stationary laser weld keyholes were investigated using a numerical simulation. The effect of multiple reflections in the keyhole was estimated using the ray tracing method, and the free surface profile, flow velocity and temperature distribution were calculated numerically. In the simulation, the keyhole was formed by the displacement of the melt induced by evaporation recoil pressure, while surface tension and hydrostatic pressure opposed cavity formation. A transition mode having the geometry of the conduction mode with keyhole formation occurred between the conduction and keyhole modes. At laser powers of 500W and greater, the protrusion occurred on the keyhole wall, which resulted in keyhole collapse and void formation at the bottom. Initiation of the protrusion was caused mainly by collision of upward and downward flows due to the pressure components, and Marangoni flow had minor effects on the flow patterns and keyhole stability.bility.
Laser keyhole welding is investigated using a three-dimensional Gaussian heat source, and the heat source parameters such as the keyhole depth, welding efficiency and power density distribution factor are determined in a systematic way. For partial penetration, the keyhole depth is same as the penetration and is predicted using the experimental data. The welding efficiency is calculated using the ray-tracing method and the power density distribution factor is determined from the bead shape. Full penetration is classified into the transition, normal and excessive modes depending on the degree of keyhole opening. Thermal analysis of the bead-on-plate welds is conducted using the Gaussian heat source, and the calculated weld geometries show reasonably good agreements with the experimental results.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제31권3호
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pp.282-292
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2007
The present paper describes the results of high speed photography, acoustic emission (AE) detection and plasma light emission (LE) measurement during $CO_2$ laser welding of 304 stainless steel in different processing conditions. Video images with high spatial and temporal resolution allowed to observe the melt dynamics and keyhole evolution. The existence of keyhole was confirmed by the slag motion on the weld pool. The characteristic frequencies of flow instability and keyhole fluctuations at different welding speed were measured and compared with the results of Fourier analyses of temporal AE and LE spectra. The experimental results were compared with the newly developed numerical model of keyhole dynamics. The model is based on the assumption that the propagation of front part of keyhole into material is due to the melt ejection driven by laser induced surface evaporation. The calculations predict that a high speed melt flow is induced at the front part of keyhole when the sample travel speed exceeds several 10 mm/s. The numerical analysis also shows the hump formation on the front keyhole wall surface. Experimentally observed melt behavior and transformation of the AE and LE spectra with variation of welding speed are qualitatively in good agreement with the model predictions.
The results of high speed photography, acoustic emission detection and plasma UV radiation intensity measurement during CO2 laser welding of stainless steel 304 are presented. Video images with high spatial and temporal resolution allowed to observe the melt dynamics and keyhole evolution. The existence of a high speed melt flow which originated from the part of weld pool and flowed along the sides wall of keyhole was confirmed by the slag motion on the weld pool. the characteristic frequencies of flow instability and keyhole fluctuations at different welding speed were measured and compared with the results of Fourier analyses of temporal acoustic emission (AE) and light emission (LE) spectra. The experimental results were compared with the newly developed numerical model of keyhole dynamics. (The model is based on the assumption that the propagation of front part of keyhole into material is due to the melt ejection driven by laser induced surface evaporation.) The calculations predict that a high speed melt flow is induced at the front part of keyhole when the sample travel speed exceeds several 10mm/s. The numerical analysis also shows the hump formation on the front keyhole wall surface. Experimentally observed melt behavior and transformation of the AE and LE spectra with variation of welding speed are qualitatively in good agreement with the model predictions.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제26권4호
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pp.464-471
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2002
Porosity formation in partial penetration welds by high power lasers is a serious problem in industry. There are two main causes that induce porosity formation. One form of porosity is due to gases (e.g. hydrogen, oxygen) dissolving into the weld pool because of the high temperature and then the rapid solidification traps gases as a bubble in the weld metal. The second problem is voids formed by the keyhole collapsing due to unstable keyhole fluid dynamics. The voids that form at the bottom of the keyhole are relatively large and irregular in shape compared to the gas bubbles; this void formation is the primary concern in this paper. The reduction of voids formed by keyhole collapse is achieved by improving the stability of keyhole. Two methods to improve keyhole stability are discussed in this paper: pulse modulation and beam incident angle. Pulse modulation of the laser beam was performed between 100 Hz and 500 Hz to find out the optimum frequency for the keyhole dynamics. The incident beam angle changed the impact angle of the laser beam to the work surface in a range of 0 to 25 degrees. Glycerin in a semi-solidified state is used as a medium for performing the welding because its transparency allows of visualization of the keyhole.
대한용접접합학회 2002년도 Proceedings of the International Welding/Joining Conference-Korea
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pp.644-651
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2002
The formation and stability of stationary laser weld keyholes are investigated using a numerical simulation. The effect of multiple reflections in the keyhole is estimated using the ray tracing method, and the free surface profile, flow velocity and temperature distribution are calculated numerically. In the simulation, the keyhole is formed by the displacement of the melt induced by evaporation recoil pressure, while surface tension and hydrostatic pressure oppose cavity formation. At laser powers of 500W and greater, the protrusion occurs on the keyhole wall, which results in keyhole collapse and void formation at the bottom. Initiation of the protrusion is caused mainly by collision of upward and downward flows due to the pressure components.
When a high-power laser beam is irradiated on the surface of material, it is well known that a cavity, called a keyhole induced by the pressure action of the vapor plume, is generated in the molten material. This paper describes the interaction between a pulsed CO$_2$ laser beam and water. The laser-beam is used to generate and maintain a conical depression in the water surface similar to the keyhole created during laser penetration welding. Experimental results show that the depth of laser-beam penetration is limited by hydrodynamic instability. The instability of the surface cavity can be understood by the capillary instability of a hollow jet. Theoretical computation of the steady keyhole shape has been performed. modifying the model suggested by Andrews et al. (1976). The model predicts the qualitative behavior of the keyhole but significantly underestimates the average diameter.
A numerical study was performed to investigate the flow field and the heat transfer characteristics occurring in high power density welding which is important in many fields of engineering applications. A two dimensional quasi-steady state of keyhole welding model is simulated by using the finite volume methods. It is shown that the shape of isothermal line is elliptic and the temperature gradient is very steep compared with other welding method and the welding speed has on welding width and observed beam power.
In automotive industry, light weight vehicle is one of issues because of the air pollution and the protection of environment. Therefore, automotive manufacturers have tried to apply light materials such as aluminum to car body. Aluminum welding using laser has some advantages high energy density and high productivity. It is very important to understand behavior of plasma and keyhole in order to improve weld quality and monitor the weld state. In this study, spectral analysis was carried out to verify the spectrum for plasma which is generated in laser welding of A 6000 aluminum alloy. Two photodiodes which cover the range of plasma wavelength was used to measure light emission during laser welding according to assist gas flow rate and welding speed. Analysis of relationship between sensor signals of welding variables and formation of keyhole and plasma is performed. To determine the level of significance, analysis of variation (ANOVA) was carried out.
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