Mid-fidelity numerical modelling of laser welding process for e-mobility alloys with novel beam shaping strategies

Laser welding has become a key manufacturing process within the electric mobility industry, encompassing various components ranging from battery systems to body structures composed of Al-alloys, Cu-alloys and various steel grades. Concurrently, advancements in laser sources and component technologies are introducing innovative solutions with enhanced temporal and spatial beam shaping capabilities, alongside the emergence of new wavelengths. The pairing of laser beams with specific applications is rapidly evolving, necessitating benchmarking efforts crucial for industry standards. In this context, the selection of optimal welding parameters within this expansive and evolving landscape can greatly benefit from the use of fast modelling tools. Mid-fidelity models offer a viable approach to assist in defining parameter ranges for subsequent experimental campaigns, thereby reducing overall time and costs. This research aims to identify the minimum requirements for a time-efficient and adequately accurate numerical model tailored for parameter selection in laser welding processes. This study investigates the impact of various modelled physical components and mesh dimensions on the simulation outcomes utilizing FLOW-3D and FLOW-3D WELD. A mid-fidelity modelling platform is developed based on these criteria, capable of simulating laser welding processes utilizing both conventional Gaussian-like and novel ring-shaped beams. The model demonstrates sufficient accuracy in predicting bead shapes, particularly with beam intensity distributions relevant to 6xxx series Al-alloys and a key tool to study defect formation such as cracks formation. Furthermore, the platform's effectiveness is evaluated through the welding of Cu hairpins, providing insights into the transient behaviour during bead formation and the final weld shape. This research not only presents a robust modelling approach for laser welding processes but also contributes to the understanding of complex phenomena in keyhole deep penetration welding, offering valuable insights for industrial applications.

La saldatura laser è diventata un processo chiave nell'industria della mobilità elettrica, coinvolgendo varie componenti che vanno dai sistemi di batterie alle strutture portanti composte da leghe di alluminio, leghe di rame e varie tipologie di acciaio. Al contempo, i progressi nelle fonti laser e nelle tecnologie dei componenti stanno introducendo soluzioni innovative con capacità avanzate di modulazione temporale e spaziale del fascio, insieme all'emergere di nuove lunghezze d'onda. L'accoppiamento dei fasci laser con applicazioni specifiche sta rapidamente evolvendo, rendendo necessari sforzi di adattamento cruciali per gli standard dell'industria. In questo contesto, la selezione dei parametri di saldatura ottimali all'interno di questo paesaggio evoluzione può trarre notevoli vantaggi dall'uso di strumenti di modellazione veloci. I modelli di mid-fidelity offrono un approccio valido per definire intervalli di parametri per le successive campagne sperimentali, riducendo così il tempo e i costi complessivi. Questa ricerca mira a identificare i requisiti minimi per un modello numerico efficiente dal punto di vista temporale e adeguatamente accurato, adattato alla selezione dei parametri nei processi di saldatura laser. Utilizzando il software FLOW-3D e FLOW-3D WELD, questo studio investiga l'impatto di vari componenti fisici modellati e delle dimensioni della mesh sui risultati della simulazione. È stata sviluppata una piattaforma di modellazione mid-fidelity basata su questi criteri, in grado di simulare i processi di saldatura laser utilizzando sia fasci convenzionali di tipo Gaussiano che fasci a forma di anello. Il modello dimostra un'accuratezza sufficiente nella previsione delle forme dei cordoni di saldatura, in particolare con distribuzioni di intensità del fascio rilevanti per le leghe di alluminio della serie 6xxx e come strumento chiave per lo studio della formazione di difetti come le cricche. Inoltre, l'efficacia della piattaforma è valutata attraverso la saldatura di connettori in rame, fornendo approfondimenti sul comportamento transitorio durante la formazione del cordone e la forma finale della saldatura. Questa ricerca non solo presenta un approccio di modellazione robusto per i processi di saldatura laser, ma contribuisce anche alla comprensione di fenomeni complessi come quelli caratteristici del processo di saldatura in keyhole, offrendo preziosi spunti per applicazioni industriali.