Massiv parallele Simulation des Schmelzbadbereichs und der Erstarrungskornstruktur beim Laserstrahlschweißen

• Antragsteller: Harald Köstler; Dr.-Ing. Matthias Markl
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434946896

Die Modellierung und Simulation des Laserstrahlschweißens umfasst eine Vielzahl physikalischer Effekte, die beständig miteinander wechselwirken. Neben der korrekten Beschreibung des Schmelzbads selbst, rücken die Effekte innerhalb der Dampfkapillare immer mehr in den Fokus der aktuellen Forschung. Das Ziel dieses Teilprojektes ist es, die Tiefschweißphänomene in der Dampfkapillare und deren Auswirkungen auf die Schmelzbaddynamik sowie die Erstarrungsbedingungen inklusive der resultierenden Kornstruktur numerisch zu modellieren. Durch eine enge Kooperation mit TP2 wird ein geeignetes Modell der Dampfkapillare entwickelt, das zu prädiktiven Vorhersagen der Schmelzbaddynamik und der daraus resultierenden Erstarrungsbedingungen führt. Die extremen Druckverhältnisse innerhalb der Dampfkapillare sowie die daraus resultierenden Schmelzbadgeschwindigkeiten stellen eine besondere Herausforderung für die numerische Stabilität der Schmelzbadsimulation dar. Hier wird die zugrundeliegende Lattice Boltzmann Methode inklusive deren Randbedingungen an der Schmelzbadoberfläche entsprechend angepasst. Der in der zweiten Phase ausgewählte Nickel-Basis-Werkstoff weist im Vergleich zum Stahl aus der ersten Phase eine deutlich erhöhte Erstarrungsrissneigung u.a. auch im Bereich der Korngrenzen auf. Deswegen wird ein zellularer Automat zur Vorhersage der Erstarrungskornstruktur integriert. Die simulierten Kornstrukturen sowie die Erstarrungsbedingungen werden von TP6 zur Vorhersage der Dendritenstruktur auf der Mikroskala sowie der mechanischen Eigenschaften auf der Kornskala verwendet. Nach einer eingehenden Validierung anhand experimenteller Ergebnisse aus TP1 und TP2 wird abschließend in Kombination mit der Beschleunigungsplattform Kadi4Mat aus TP7 eine gerichtete Parameterstudie durchgeführt, welche die Erkenntnisse der gesamten Forschergruppe berücksichtigt, um geeignete Prozessparameter für vorteilhafte Erstarrungsbedingungen mit minimaler Erstarrungsrisswahrscheinlichkeit zu ermitteln.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse