Gekoppelte numerische Untersuchung der Bildung von Mittelrippendefekten beim Hochleistungslaserstrahlschweißen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcel Bachmann
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283583594

In dem Projekt soll ein multiphysikalisch gekoppeltes numerisches Modell für die Erstarrungsrissbildung beim Laserstrahlschweißen entwickelt werden, wobei insbesondere die Ausbildungsmechanismen des Mittelrippendefekts unter Betrachtung von niedrigschmelzenden Phasen im Fokus stehen. Damit wird ein Beitrag zur gekoppelten Betrachtung von Prozess- und Struktursimulation in Bezug auf die Entstehung von Heißrissen beim Schweißen mit Hochleistungslasern geliefert. Das physikalische Problem besteht aus der sequentiellen Lösung verschiedener Teilprobleme: (a) das gekoppelte Problem aus Wärmetransport und Fluiddynamik im Schmelzbad, (b) die makroskopische strukturmechanische Belastung des Werkstücks durch die Wärmeeinbringung des Lasers, sowie (c) die Instabilität der Erstarrungsfront, d.h. das Diffusionsproblem niedrigschmelzender Phasen unter Berücksichtigung der Konvektion und dessen Einfluss auf die Strukturmechanik. Hauptziel des Projektes ist die Bewertung des Einflusses prozesstechnischer Größen wie der Marangoni-Konvektion und der freien Konvektion auf den Bulging-Effekt, sowie dessen Effekt auf die Neigung zu Mittelrippendefekten beim Schweißen, bedingt durch seine Wirkung auf die Verteilung niedrigschmelzender Phasen im Schmelzbad und der damit verbundenen transienten Erstarrungscharakteristik.In dem Vorhaben sollen lokale Mechanismen zur Bildung des Mittelrippendefekts simulationsgestützt identifiziert werden. Das zu erstellende Modell soll einen prozesstechnischen Beitrag zur Entstehung von Spannungen und Dehnungen in der Erstarrungszone beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle bei Betrachtung einer realistischen Schmelzbadgeometrie liefern. Dabei werden sowohl Prozess- als auch Struktursimulationen durchgeführt und deren Kopplung betrachtet. Schließlich steht ein numerisches Modell zur Verfügung, welches hinsichtlich einer Prozessoptimierung zur Vermeidung der untersuchten Heißrissphänomene adaptiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Michael Rethmeier