Thermo-fluiddynamische Untersuchung des Schmelzbadbereichs

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434946896

Das Laserstrahlschweißen als flexibles und kontaktloses Fügeverfahren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Bearbeitung von Legierungen mit großem Schmelzintervall stellt aufgrund ihrer Neigung zu Erstarrungsrissen jedoch eine Herausforderung dar. Diese entstehen durch kritische Spannungs- bzw. Dehnungszustände der dendritischen Mikrostruktur mit interdendritischer Schmelze. Trotz der hohen industriellen Relevanz existieren bisher lediglich Ansätze, die sich Teilaspekten dieser Problematik - metallurgisch orientiert oder strukturorientiert - widmen. Die Forschungsgruppe "Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse" setzt sich zum Ziel ein quantitatives Prozessverständnis der Mechanismen der Erstarrungsrissentstehung und des Zusammenhangs mit Prozessparametern zu entwickeln.Ziel des Teilprojekts "Thermo-fluiddynamische Untersuchung des Schmelzbadbereichs" ist es, den Zusammenhang zwischen Prozessparametern und erstarrungsrelevanten Eigenschaften wie der lokalen Temperatur und der lokalen chemischer Zusammensetzung an der Erstarrungsfront zu verstehen. Dabei soll simulativ untersucht werden, wie sich die Legierungszusammensetzung durch die Verdampfung während des Schweißens verändert und wie sensibel diese Veränderungen bezüglich der Variation der Prozessparameter sind. Zudem soll geklärt werden, ob es aufgrund der lokalen chemischen Zusammensetzung und Druckverhältnisse zu einer Änderung der lokalen Erstarrungstemperaturen kommt. Bezüglich des erstarrenden Bereichs soll untersucht werden, wie genau diese sogenannte Mushy-Zone geformt ist und wie die räumliche Ausprägung der Mushy-Zone auf Änderungen der Prozessparameter reagiert. Darüber hinaus soll geklärt werden, ob die Struktur der Mushy-Zone Einfluss auf die Ausbildung und Dynamik des Schmelzbads hat und wenn ja, wie stark dieser ist und ob er sich durch Variation der Prozessparameter beeinflussen lässt. Zudem soll in Experimenten untersucht werden, ob abbrechende bzw. sich ablösende Dendriten auftreten, die dann als Kondensationskeime wirken und so das weitere Erstarrungsgeschehen beeinflussen können. Die Betrachtung der Forschungsfragen erfolgt in diesem Teilprojekt simulativ und experimentell. Durch eine enge Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt "Massiv parallele Simulation des Schmelzbadbereichs beim Laserstrahlschweißen mit der Lattice-Boltzmann-Methode" wird gemeinsam ein effizientes, hochskalierbares und nachhaltiges Exascale-Simulationsframework für den Laserstrahlschweißprozess zur Untersuchung der beschriebenen Fragestellungen erstellt. Die für die Erstellung dieses Exascale-Frameworks notwendige Modellierung der dem Prozess zugrunde liegenden Physik und Validierung finden im Rahmen dieses Teilprojekts statt. Die Implementierung der entwickelten Modelle findet im Partner-Projekt statt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse
• Internationaler Bezug: Russische Föderation, USA
• Kooperationspartner: Professor Craig Arnold, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Gleb Turichin, bis 3/2022