Experimentelle und numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Bulgings und dessen Einfluss auf die Bildung von Mittelrippendefekten beim Hochleistungslaserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle hoher Blechdicke

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcel Bachmann
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411393804

In diesem Fortsetzungsprojekt soll ein multiphysikalisch gekoppeltes numerisches Modell zur Beschreibung der Bildung der sogenannten Bulging-Region beim Hochleistungs-laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle hoher Blechdicke erweitert werden, um die Genauigkeit des Raytracing-Ansatzes zur Einbringung der Laserenergie zu verbessern. Dafür werden zwei Ansätze zur genaueren Beschreibung der absorbierten Energie und ihrer Verteilung in der Dampfkapillare berücksichtigt. Der erste Ansatz basiert auf einer adaptiven physischen Verfeinerung des Netzes und der zweite auf einer virtuellen Netzverfeinerung. Beide Ansätze erhöhen die Genauigkeit der Berechnung der Reflektionspunkte der Teilstrahlen, wobei der Ansatz der adaptiven Netzverfeinerung sowohl die Genauigkeit der Schmelzbadströmung als auch der Temperaturverteilung verbessert. Damit wird ein Beitrag zu den bisher ungeklärten Entstehungsmechanismen der Ausbauchung der Schweißnaht bei höheren Prozessgeschwindigkeiten unter Betrachtung einer transienten lokalen Berechnung der Dampfkapillare geliefert. Weiterhin soll mit Hilfe des numerischen Modells eine Untersuchung des Einflusses des Bulgings auf die Entstehung des Mittelrippendefekts durchgeführt werden. Mit der Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Versuchsparameter wie Prozessgeschwindigkeit, Laserleistung und Fokuslage werden die kritischen Faktoren für das Auftreten des Bulging-Effekts untersucht. Die erzielten Ergebnisse werden für die Quantifizierung der Heißrissanfälligkeit genutzt. Hierbei wird die Sensitivität der untersuchten Parameter auf die Ausprägung der Bulging-Region und die Neigung zu Mittelrippendefekten bewertet, wobei insbesondere auch der Unterschied zwischen Ein- und Durchschweißungen herausgearbeitet wird. Das Projekt hat zum Ziel, durch ein Zusammenspiel von numerischen und experimentellen Untersuchungen die Entstehungsmechanismen des Bulgings zu identifizieren und den Zusammenhang zwischen Ort und Intensität der Ausbauchung der Schweißnaht und der Bildung von Mittelrippendefekten deutlich zu machen. Schließlich steht ein numerisches Modell zur Verfügung, welches hinsichtlich einer Prozessoptimierung zur Vermeidung des untersuchten Bulging-Effekts und somit auch der Heißrissbildung adaptiert werden kann.

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