Thermomechanische und fluiddynamische Wechselwirkungen beim Laserstrahtiefschweißen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war es, ausgehend von einem bereits am Lehrstuhl für Photonische Technologien vorhandenen fluiddynamischen Modell zur Beschreibung von Lasermaterialbearbeitungsprozessen, ein gekoppeltes fluiddynamisch-thermomechanisches Modell zu entwickeln um mit diesem die gegenseitigen Wechselwirkungen beim Laserstrahlschweißen zu analysieren. Dieses Simulationsmodell sollte mithilfe eines Online-Messverfahrens verifiziert und schließlich verwendet werden, um durch die gekoppelte Betrachtungsweise den bei erhöhten Schweißgeschwindigkeiten auftretenden Effekt periodischer Nahtüberhöhungen, das Humping, zu untersuchen. Zunächst wurde ein OpenFOAM-basiertes Modell zur Beschreibung der Thermoelastoplastik beim Schweißen entwickelt. Dieses lineare, ratenunabhängige Modell aus Elastizität und anschließender isotroper Härtung verwendet die Gestaltänderungshypothese nach Mises und berechnet die Verschiebungen und Spannungen inkrementeil. Zusätzlich wurden die zur Berechnung notwendigen Materialparameter temperaturabhängig implementiert und die Randbedingungen angepasst. Dieses thermomechanische Modell wurde anschließend mit einem bereits vorhandenen fluiddynamischen Simulationsmodell gekoppelt. Da für eine aussagekräftige Verzugsvorhersage eine möglichst genaue Reproduktion der Schweißnahtform notwendig ist, wurde das fluiddynamische Modell zusätzlich durch die Implementierung temperaturabhängiger thermophysikalischer und optischer Kennwerte erweitert. Die thermophysikalischen Kennwerte wurden dabei einer Materialdatenbank entnommen, während die optischen Kennwerte mithilfe eines auf dem Drude-Modell basierenden Ansatzes berechnet wurden. Dieses Modell wurde anschließend anhand von Schliffbildern erfolgreich verifiziert. Das mechanisch-fluiddynamische Modell konnte aufgrund von Konvergenzproblemen jedoch nur eingeschränkt für Prozessuntersuchungen eingesetzt werden. Zur 3D-Online-Messung des Schweißmikroverzugs wurde ein Messaufbau entwickelt. Mithilfe von zwei Hochgeschwindigkeitskameras und einer Beleuchtungseinheit gelang es, nach entsprechender Kalibrierung die Verschiebung von zuvor aufgebrachten Messpunkten in der Nähe des Schmelzbads während des Prozesses zu verfolgen und ihre 3D-Positionen zu rekonstruieren. Die gemessenen Verschiebungen waren insgesamt sehr klein (max. 20 µm bei einer Leistung von 1 kW, einem Fokusdurchmesser von 600 µm und einer Geschwindigkeit von 1 m/min) und nahmen mit steigendem Vorschub weiter ab. Die Messungen bestätigten den Thermomechanismus der Schweißeigenspannungsentstehung nach Radaj und zeigten eine verlaufende plastische Druckzone und eine nachlaufende plastische Zugzone. Aufgrund der für den Humping-Effekt vernachlässigbaren Verschiebungen konnte der Humping-Effekt rein fluiddynamisch simulativ untersucht werden. Dabei konnte eine unter dem Keyhole stark nach hinten beschleunigter Schmelzeströmung identifiziert werden, die aufgrund von Rayleigh-Instabilitäten schließlich in Form einzelner Tropfen erstarrt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2012): Transient numerical simulation of CO2 laser fusion cutting of metal sheets: Simulation model and process dynamics. In: Srichand Hinduja und Lin Li (Hg.): Proceedings of the 37th International MATADOR Conference. MATADOR. Manchester, UK, 25th - 27th July, 2012. London, New York: Springer, S. 403-406
S. Kohl, K.-H. Leitz, M. Schmidt
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(2013): Numerical Analysis of the Influence of Beam Characteristics onto the Process Dynamics during Laser Cutting. In: Laser Institute of America (Hg.): ICALEO. Proceedings of the 32nd International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics. 32nd International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics. Miami, FL, USA, October 6-10, 2013: Laser Institute of America (LIA pub, 616), S. 104-109
S. Kohl, M. Schmidt
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(2014): Towards numerical determination of distortion in laser welding. In: Frank Vollertsen und Hendrik Tetzel (Hg.): Thermal Forming and Welding Distortion. Proceedings of the IWOTE'14: 4th International Workshop on Thermal Forming and Welding Distortion. Bremen, Germany, April 9-10, 2014. BIAS. Bremen: BIAS Verlag (Strahltechnik, 54), S. 173-184
S. Kohl, F. Hugger, V. Mann, M. Schmidt
