Simulation des Einflusses der elektromagnetisch unterstützten Durchmischung beim Laserstrahlschweißen dickwandiger Stahlbauteile mit Zusatzmaterial

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcel Bachmann
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416014189

In diesem Vorhaben soll der Einfluss oszillierender Magnetfelder beim Hochleistungslaserstrahlschweißen von Stahlblechen im Dickenbereich oberhalb 10 mm auf die Verteilung von Zusatzmaterial im Fokus stehen. Der Nutzen des eingebrachten Zusatzmaterials kann dabei in einer verbesserten Spaltüberbrückbarkeit, der Reduzierung der Heißrissempfindlichkeit oder der Sicherstellung mechanisch-technologischer Eigenschaften der Schweißnaht liegen. Alternative Wege zur Verbesserung der Durchmischung liegen beispielsweise in der Anwendung von Mehrlagenschweißprozessen, welche vergleichsweise zeitaufwändig und somit der Prozesseffizienz abträglich sind. Schwerpunkt des Vorhabens bildet die Gewinnung von Erkenntnissen der Wirkprinzipien der elektromagnetischen Durchmischung mittels oszillierender Magnetfelder beim Hochleistungslaserstrahlschweißen von Stahl. Dazu sollen numerische Berechnungen durchgeführt werden, die das gekoppelte Problem aus Wärmetransport, Strömungsdynamik sowie Elektromagnetik auf Basis temperaturabhängiger Materialmodelle lösen und eine Quantifizierung des Durchmischungsverhaltens in Abhängigkeit prozesstechnischer Variablen (Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Zusatzdraht) und der Parameter des Magnetsystems (Stärke des Magnetfeldes, Oszillationsfrequenz, Winkel zwischen Schweißrichtung und magnetischen Feldlinien) erlauben. Begleitend werden Schweißversuche durchgeführt, um die Simulationsergebnisse zu verifizieren. Der physikalische Ansatz basiert auf der Induktion von Wirbelströmen durch die Oszillation eines externen Magnetfeldes. Durch eine asymmetrische Konfiguration sowie die elektrische Isolationswirkung des Spaltes im I-Stoß vor dem Schmelzbad werden die Wirbelströme im Schmelzbad konzentriert und bilden zusammen mit dem applizierten externen Magnetfeld eine die Durchmischung des Schmelzbades fördernde rotatorische Komponente der Lorentzkraft.Hauptziel des Vorhabens ist die gezielte Förderung der Durchmischung in Tiefenrichtung des Schmelzbades beim Schweißen dickwandiger Bauteile durch die eingebrachten inhomogenen Lorentzkraftverteilungen. Schließlich steht ein numerisches Modell zur Verfügung, mit dessen Hilfe zum einen eine Prozessoptimierung hinsichtlich der Förderung der Durchmischung des eingebrachten Zusatzmaterials vorgenommen und zum anderen die dabei auftretenden physikalischen Effekte und Mechanismen identifiziert und quantifiziert werden können. Die gewonnenen Erkenntnisse für die Werkstoffklasse der hochlegierten austenitischen Stähle ohne ferromagnetische Eigenschaften werden zum Abschluss des Vorhabens auf die Klasse der Baustähle mit ausgeprägter magnetischer Hysterese übertragen.

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