Thermo-fluiddynamische Untersuchung der Dampfkapillare und des Schmelzbadbereichs

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

Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Erweiterung des Prozessverständnisses hinsichtlich des Einflusses thermo-fluiddynamischer Prozesse im Schmelzbad auf die thermo-fluiddynamischen und optischen Prozesse und Phänomena im Keyhole sowie deren Wirkung auf die Entstehung von Erstarrungsrissen. Es wird das komplexe Zusammenspiel von Energieeintrag, Keyhole- und Schmelzbaddynamik sowie das Erstarrungsverhalten analysiert. Der Fokus liegt auf der quantitativen Erfassung der Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl und dem Metalldampf über und im Keyhole, um dessen Beitrag zur Schmelzbaddynamik, der Entstehung innerer Spannungen und damit der Initiierung von Erstarrungsrissen zu entschlüsseln. Es soll ein Keyholemodell erarbeitet werden, welches in Zusammenarbeit mit Teilprojekt 3 in ein HPC-fähiges Modell überführt werden kann. Dabei wird ein mehrstufiger methodischer Ansatz verfolgt. Es erfolgt eine Charakterisierung der Rissbedingungen in hoch erstarrungsrissempfindlichen Nickelbasislegierungen, um die spezifischen Erstarrungsrissarten und deren Abhängigkeit von den Prozessparametern zu quantifizieren. Dies geschieht anhand von Prozessbeobachtungen, bei denen Erstarrungsgeschwindigkeit, Schmelzbadgröße und -form sowie die Schmelzbaddynamik untersucht werden. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der direkten Analyse des Einflusses der Keyholedynamik auf die Rissinitiierung und -ausbreitung. Hierfür werden hochauflösende Highspeed-Oberflächenaufnahmen, metallographische post-mortem-Verfahren sowie Röntgenbildgebung eingesetzt. Die Verwendung von erstarrungsrissanfälligen Nickelbasislegierungen, bei denen interne lokale Spannungen ausschlaggebend für die Rissinitiierung sind, ist hierfür von zentraler Bedeutung. Darüber hinaus wird die Laser-Material-Interaktion im Detail untersucht, insbesondere zwischen Dampffackel, Dampfkapillare und Laserstrahlung. Dabei stehen sowohl die optischen als auch die thermo-fluiddynamischen Prozesse in der Dampfphase im Fokus, um deren Einfluss auf die Schmelzdynamik und das Erstarrungsverhalten zu verstehen. Diese Arbeiten bilden die Grundlage für das HPC-fähiges Keyholemodell, welches zusammen mit Teilprojekt 3 der Forschungsgruppe erarbeitet wird. Ergänzend werden experimentelle und simulative Untersuchungen zum Einfluss des Energieeintrags und der Keyholedynamik auf die Rissentstehung durchgeführt. Die Ausweitung der Untersuchungen auf eine weitere Materialgruppe ermöglicht zudem, im Gesamtkontext der Forschungsgruppe, die Entwicklung einer materialübergreifenden Methodik zur Vorhersage von Erstarrungsrisswahrscheinlichkeiten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse
• Großgeräte: Transportabler Faserlaser
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser