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

Kontakt

Name

Wolfgang Schulz

Leitung

Telefon

work
+49 241 8906 204

E-Mail

E-Mail
 

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 Einschweißtiefenkonstanz, 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 dem Teilprojekten A9, B2 und B5 ist ein intensiver Erfahrungsaustausch zur Umsetzung effizienter numerischer Verfahren geplant. Ein Vergleich mit alternativen Schweißprozesssimulationen erfolgt mit dem Teilprojekt A4.

 

Simulation des Schweißens mit örtlicher Leistungsmodulation

Simulation des Schweißens mit örtlicher Leistungsmodulation Urheberrecht: SFB 1120

Dreidimensionale Rekonstruktion des wiedererstarrten Schmelzbades beim Schweißen mit örtlicher Leistungsmodulation.

 
 

Örtlich varrierende Größe des Schmelzbads an der Materialoberseite beim Schweißen mit örtlicher Leistungsmodulation. Material: 0.6 mm CuSn6, Vorschub: 75 mm/s, Oszillationsamplitude: 0.1 mm, Oszillationsfrequenz: 1000 Hz.

 
A3 Video1
 
 

Simulation des Laserstrahltiefschweißens