Multiphysikalische Simulation des Einflusses eines zusätzlichen Magnetfeldes auf die Bildung von Prozessporen beim Hochleistungslaserstrahlschweißen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcel Bachmann
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466939224

In diesem Vorhaben soll ein multiphysikalisch gekoppeltes numerisches Modell zur quantitativen Beschreibung der Porositätsreduktion beim Hochleistungs-Laserstrahlschweißen von bis zu 10 mm dickem AlMg3 mittels eines oszillierenden Magnetfeldes entwickelt werden. Dabei sollen grundlegende Einblicke in die physikalischen Abhängigkeiten der eingebrachten elektromagnetischen Kräfte auf das Schmelzbadverhalten sowie die Reduktion der Porosität erlangt werden.Mit Hilfe des numerischen Modells soll dabei das transiente, mehrfach gekoppelte dreidimensionale Problem der Wärmeübertragung, der Flüssigkeitsströmung, der freien Oberflächenverformung und der magnetischen Induktion unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Materialeigenschaften gelöst werden. Hierbei sollen in der numerischen Modellierung der Wärmequelle alle wesentlichen physikalischen Faktoren, unter anderem Mehrfachreflektionen der Laserstrahlung mittels eines erweiterten Ray Tracing Modells sowie lokale Fresnel-Absorption an der Dampfkapillarwand, berücksichtigt werden. Dies ermöglicht eine auf physikalischen Prinzipien beruhende Analyse der Fluktuationen des Keyholes, welche einen dominanten Einfluss auf die Ausbildung von Prozessporen beim Tiefschweißen haben. Außerdem sollen dabei weitere physikalische Faktoren wie z.B. der Ablationsdruck des verdampfenden Metalls, der Laplace-Druck und Marangoni-Schubspannungen ebenfalls in das Modell integriert werden.Zur Bewertung der Porenbildung und -reduktion mittels der eingebrachten elektromagnetischen Kräfte im Schmelzbad sollen geeignete Modelle zur Beschreibung der Bewegung der Poren in der Schmelze entwickelt werden. Für die Prozessporen kann deren Bewegung anhand der Verfolgung ihrer Oberfläche unter Berücksichtigung ihres Innendrucks und Temperatur implementiert werdenMit Hilfe des Simulationsmodells können alle Schlüsselfaktoren zur Bildung von Prozessporen beim Laserstrahlschweißen der verwandten Aluminiumlegierung sowie deren Vermeidung entkoppelt und analysiert werden. Begleitende Schweißversuche sind an der BAM an einem 20 kW Faserlaser und einem 16 kW Scheibenlaser vorgesehen. Die magnetische Flussdichte soll bis zu 500 mT bei einer maximalen Frequenz von 5 kHz betragen. Die experimentellen Ergebnisse, insbesondere Messungen der Temperatur, Schliffbilder, Computertomographie- und Röntgenuntersuchungen, werden zur Verifizierung des multiphysikalischen Modells und dessen Kalibrierung verwendet. Darüber hinaus werden die Modelle mit in situ Aufnahmen der Keyholedynamik mittels High-Speed-Aufnahmen in einer Metall/Quarzglaskonfiguration quantifiziert und validiert, wobei das Keyhole mittels Diodenlaser koaxial zum Bearbeitungslaser beleuchtet wird. Auf der Grundlage der numerischen und experimentellen Ergebnisse sollen in diesem Projekt die Abhängigkeiten zwischen angelegtem Magnetfeld, Schmelzbadverhalten und Porositätsbildung aufgedeckt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Xiangmeng Meng; Professor Dr.-Ing. Michael Rethmeier