Numerische Analyse des magnetisch gesteuerten periodischen Erstarrungsmusters beim Laserstrahl-Tiefschweißen von Aluminiumlegierungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcel Bachmann
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551161340

In diesem Projekt wird ein multiphysikalisch gekoppeltes numerisches Modell entwickelt, um den Einfluss eines externen Magnetfeldes auf das periodische Erstarrungsmuster beim Hochleistungs-Laserstrahlschweißen von 10 mm dickem AlMg3 zu beschreiben. Da es nicht möglich ist, dessen Ursachen vollständig zu beseitigen, wird in diesem Projekt eine neue Strategie vorgeschlagen, bei der die magnetohydrodynamische (MHD) Technologie zur Kontrolle des periodischen Erstarrungsmusters der Schweißnaht eingesetzt wird, um eine Verfeinerung und Homogenisierung der Kornverteilung zu erreichen und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht zu verbessern. In diesem Projekt wird zum ersten Mal ein CFD-Modell erstellt, das die relevanten Faktoren, die die periodische Erstarrung beeinflussen, umfassend berücksichtigt. Zwei neuartige Modelle zur Berücksichtigung des Einflusses des Metalldampfs und des metallurgischen Einflusses der Mushy-Zone werden entwickelt und in ein bestehendes, experimentell validiertes Multiphysikmodell integriert. Ein Modell des Effekts des Metalldampfs in Abhängigkeit der Schweißparameter und des Magnetfelds wird erstellt, um dessen periodischen Effekt auf die Laserstrahlung zu beschreiben, so dass die periodische Oszillation des Schmelzbads, die vom Keyhole ausgeht, im CFD-Modell realisiert werden kann. Basierend auf den Berechnungsergebnissen des dendritischen Wachstums in einem Phasenfeldmethoden (PFM)-Modell an verschiedenen charakteristischen Positionen wird eine Beziehung zwischen den Parametern der Mushy-Zone und dem Abstand zur Erstarrungslinie hergestellt und erstmals im LBW-CFD-Modell verwendet, und der Einfluss der thermischen elektromagnetischen Lorentzkraft auf diese Beziehung wird bei der Anwendung eines Magnetfelds berücksichtigt. Mit begleitenden Schweißversuchen (magnetische Flussdichte bis 500 mT und Frequenz bis 5 kHz), Temperaturmessungen, Mikrogefügecharakterisierung und den mechanischen Tests wird das Modell validiert und die Faktoren, die zur periodischen Erstarrung führen (ungleichmäßige Wärmequelle und Ablationsdruck, thermischer Kapillareffekt, Effekt der periodischen Metalldampffahne und Instabilität des Erstarrungsprozesses) werden quantifiziert und bewertet. In Verbindung mit den numerischen Simulationsergebnissen werden die Auswirkungen verschiedener periodischer Antriebskräfte (Ablationsdruck und Lorentzkraft), des Kapillareffekts (Marangoni-Kraft), des Effekts der Metalldampfwolke und der Parameter für die Mushy-Zone (Unterschiede der Erstarrungsgeschwindigkeit) im LBW-Prozess zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht durch Steuerung der periodischen Erstarrung analysiert. Die Auswirkungen verschiedener Schweißparameter (Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit) und magnetischer Parameter (Frequenz, magnetische Flussdichte und Drehwinkel) auf die mechanischen Eigenschaften der Verbindung werden verglichen, um eine Strategie für die optimierte Auswahl der Schweißparameter zu geben.

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