Hybrid-parallelisierte Simulation der Schmelzbaddynamik des Laserstrahl-Mikroschweißens mit modernen numerischen Verfahren

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Das Tiefschweißen mit Laserstrahlung ist ein hochdynamischer Prozess, dessen Ausprägung maßgeblich durch die Wechselwirkung an den Phasengrenzen zwischen fester und flüssiger Phase und flüssiger und gasförmiger Phase bestimmt wird. Qualitätsmindernde Eigenschaften wie zum Beispiel Poren oder Schmelzauswürfe werden im Wesentlichen durch Instabilitäten in dynamischen Größen wie der Schmelzfilmdicke am Kapillarscheitel verursacht.

Eine Betrachtung gut untersuchter stationärer Vorgänge beim Laserstrahlschweißen ist zur Analyse von Instabilitäten nicht geeignet. Hierzu ist eine Betrachtung der dynamischen Vorgänge auf kleinen Zeitskalen und bei hoher räumlicher Auflösung notwendig. Neue Strategien der Prozessführung wie Modulations- oder Regelungskonzepte sowie neue Maßnahmen zur Strahlformung und -führung erfordern ebenfalls eine genaue Untersuchung der dynamischen Vorgänge im Prozess. Eine reine Abbildung der abgeleiteten mathematischen Aufgabenstellung führt zu komplexen Modellen, deren Lösung einen hohen Rechenzeitaufwand erfordert. Durch ein genaues Verständnis des Zusammenwirkens und eine Identifikation der wesentlichen Teilprozesse können Modellannahmen getroffen werden, die zu einer deutlichen Reduktion der Modellkomplexität führen. Durch die mathematisch und physikalisch motivierte Modellreduktion und durch den Einsatz moderner numerischer Lösungsverfahren können Modelle entwickelt werden, die wesentliche Eigenschaften des Prozesses mit kontrollierbarem Fehler abbilden. Anhand der genauen Kenntnis des Gültigkeitsbereiches getroffener Modellannahmen und der wesentlichen Teilprozesse innerhalb dieser Bereiche können robuste Modelle entwickelt und am Experiment validiert werden.

Technisches Ziel ist das Ableiten und Bewerten neuer Prozessführungsstrategien für das Laserstrahlmikroschweißen durch eine Erhöhung des bestehenden Prozessverständnisses. Die technischen Zielgrößen sind dabei die Einschweißtiefenvarianz, die Oberflächenrauigkeit und die mechanische Stabilität. Die mechanische Stabilität lässt sich durch den tragenden Anbindungsquerschnitt sowie die Freiheit von Defekten wie Poren oder Schmelzauswürfen darstellen.

Zur Validierung und Bewertung der Modelle ist dieses Teilprojekt eng mit dem Teilprojekt A1 verknüpft, in dem das Laserstrahlmikroschweißen mit experimentellen und diagnostischen Verfahren untersucht wird. Mit den Teilprojekten A9 und B5 erfolgt ein intensiver Erfahrungsaustausch zur Umsetzung effizienter numerischer Verfahren. Ein Vergleich mit verwandten Prozesssimulationen erfolgt mit den Teilprojekten A4 und A11.

 

Simulation der absorbierten Laserintensität

Zeitaufgelöste Berechnung der absorbierten Intensitätsverteilung in einer Schweißkapillare. Die Sequenz der dreidimensionalen Kapillarform wurde aus in-situ Röntgenaufnahmen eines Schweißprozesses in Aluminium mit einem IR-Scheibenlaser rekonstruiert (s. Bildausschnitt links unten). Die Intensitätsverteilung wurde mithilfe eines Raytracing-Verfahrens unter Verwendung einer gemessenen Rohstrahlverteilung (s. Bild unten) berechnet.

  In der Simulation verwendete Intensitätsverteilung des Rohstrahls. Die Verteilung wurde aus experimentellen Aufnahmen des Laserstrahls mit einem Primes MicroSpotMonitor rekonstruiert und dient zur Berechnung der ersten Inzidenz im Raytracing-Verfahren. Urheberrecht: © SFB 1120 In der Simulation verwendete Intensitätsverteilung des Rohstrahls. Die Verteilung wurde aus experimentellen Aufnahmen des Laserstrahls mit einem Primes MicroSpotMonitor rekonstruiert und dient zur Berechnung der ersten Inzidenz im Raytracing-Verfahren.
 
 

Schmelzbadsimulation zum Laserstrahlschweißen

Pseudodynamik eines Laserschweißprozesses in Stahl mit Relaxation in einen stationären Zustand. In weiß dargestellt sind die Berandung des Schmelzbads sowie die Kapillaroberfläche. Letztere schneidet als implizite Oberfläche die Berechnungselemente und wird durch eine Temperaturbedingung identifiziert.

  Stationäre Verteilung der Temperatur (links) und der Stromlinien (rechts) bei einem Laserschweißprozess in Aluminium. Die dreidimensionale Kapillarform wurde aus in-situ Röntgenaufnahmen rekonstruiert und mit Temperatur- und Strömungsrandbedingungen vers Urheberrecht: © SFB 1120

Stationäre Verteilung der Temperatur (links) und der Stromlinien (rechts) bei einem Laserschweißprozess in Aluminium. Die dreidimensionale Kapillarform wurde aus in-situ Röntgenaufnahmen rekonstruiert und mit Temperatur- und Strömungsrandbedingungen versehen. Die weiße Kontur im linken sowie die blaue Fläche im rechten Bild kennzeichnen die Schmelzbadberandung.