Multiphysikalische Simulation der Unterdrückung der wasserstoffinduzierten Porosität beim Hochleistungslaserstrahlschweißen mittels eines oszillierenden Magnetfelds

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcel Bachmann
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547924277

Wasserstoffporen sind beim Laserstrahlschweißen (LBW) von Aluminiumlegierungen kaum zu vermeiden. Die berührungslose magnetohydrodynamische (MHD) Technik bietet eine Methode zur Verringerung der Wasserstoffporosität in der Schweißnaht. Angesichts der Größe der Wasserstoffporen (kleiner als 50 um) ist die experimentelle oder numerische Untersuchung des Mechanismus zur Unterdrückung der Wasserstoffporosität beim Schweißen herausfordernd. Dieses Projekt stellt einen ersten Versuch dar, das instationäre mikroskopische Verhalten von Wasserstoffblasen unter Berücksichtigung des Makrofluidverhaltens im Schmelzbad mit Hilfe einer gekoppelten Euler-Lagrangian-Methode zu simulieren. Angesichts des unklaren Mechanismus der Unterdrückung der Wasserstoffporosität mittels einer kontaktlosen magnetohydrodynamischen (MHD) Technik soll in diesem Projekt auch der erste quantifizierte Nachweis des Unterdrückungsmechanismus für Wasserstoffporosität erbracht werden. Auf Basis eines validierten multiphysikalischen 3D LBW-Modells, das physikalische Faktoren wie Laserausbreitung, Laser-Material-Wechselwirkung, Rückstoßdruck und Marangoni-Schubspannung usw. berücksichtigt, werden das Temperaturfeld, die Flüssigmetallströmung und die Geometrie der Erstarrungsfront berechnet. Das Transport- und Konzentrationsverhalten des Wasserstoffs wird auf der Grundlage der oben genannten physikalischen Größen berechnet. Auf Basis der berechneten Wasserstoffverteilung wird ein stochastisches Wasserstoffblasenmodell entwickelt. Die netzunabhängige diskrete Partikelmethode wird verwendet, um die Freisetzung der Wasserstoffblasen in der Nähe der Erstarrungsfront auf mikroskopischer Ebene sowie die Bewegung und Erstarrung der Blasen im Schweißbad mit beherrschbaren Rechenzeiten zu simulieren. Um Einfluss des Magnetfeldes auf die Wasserstoffporosität zu klären, werden der transiente induzierte Wirbelstrom und die volumetrische Lorentzkraft mit dem 3D-Modell des LBW gekoppelt. Die elektromagnetische Auftriebskraft, die durch den Druckunterschied um die Blasen herum erzeugt wird, wird auf die Wasserstoffblasen appliziert. Andere physikalische Kräfte wie Auftrieb, Widerstand und die Bremskraft aus der Mushy-Zone werden ebenfalls integriert. Die oben erwähnten Modelle werden durch experimentelle Ergebnisse validiert und kalibriert. In diesem Projekt werden Hypothesen geprüft, wie die Wasserstoffverteilung (Blasenbildung) und die Blasenbewegung wesentlich durch die magnetfeldinduzierte Lorentzkraft beeinflusst werden können. Um diese beiden Hypothesen zu bestätigen, wird der Einfluss des Magnetfelds auf die Verteilung des Wasserstoffs und die Anzahl der freigesetzten Wasserstoffblasen untersucht. Außerdem werden die Geschwindigkeit der Blasen, deren Auftrieb und die lokale Erstarrungsrate zwischen den Fällen mit und ohne MHD-Effekt verglichen, so dass der Mechanismus zur Unterdrückung der Wasserstoffporosität aufgeklärt wird.

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