Coupled numerical investigation of centerline crack formation in high power laser beam welding
Final Report Abstract
Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen. Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann. Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab. Hervorzuheben ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte.
Publications
- (2018). Equivalent heat source approach in a 3D transient heat transfer simulation of full-penetration high power laser beam welding of thick metal plates. International Journal of Heat and Mass Transfer, 122, 1003-1013
Artinov, A., Bachmann, M., Rethmeier, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.058) - (2018). Numerical simulation of the weld pool dynamics during pulsed laser welding using adapted heat source models. Procedia CIRP, 74, 679-682. [Ausgezeichnet mit dem “Best Presentation Award”]
Lange, F., Artinov, A., Bachmann, M., Rethmeier, M., Hilgenberg, K.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.044) - (2018). Numerical simulation on the origin of solidification cracking in laser welded thick-walled structures. Metals, 8(6), 406
Bakir, N., Artinov, A., Gumenyuk, A., Bachmann, M., Rethmeier, M.
(See online at https://doi.org/10.3390/met8060406) - (2018). Weld pool shape observation in high power laser beam welding. Procedia CIRP, 74, 683-686
Artinov, A., Bakir, N., Bachmann, M., Gumenyuk, A., Rethmeier, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.043) - (2019). On the search for the origin of the bulge effect in high power laser beam welding. Journal of Laser Applications, 31(2), 022413
Artinov, A., Bakir, N., Bachmann, M., Gumenyuk, A., Na, S. J., Rethmeier, M.
(See online at https://doi.org/10.2351/1.5096133@jla.2019.ICALEO2018.issue-1) - A novel approach for calculating the thermal cycle of a laser beam welding process using a stationary CFD model. Mathematical Modelling of Weld Phenomena Bd. 12, Verlag der Technischen Universität Graz, 2019, 695-710
Artinov, A., Bachmann, M., Karkhin, V., Rethmeier, M.
