Laserstrahlschweißen
Die Schweißprozesssimulation ist
unverzichtbarer Bestandteil einer zeitgemäßen Lösung technisch
anspruchsvoller Fügeaufgaben. Hierbei wird in Abhängigkeit von
den geforderten Berechnungsergebnissen zwischen der
eigentlichen Prozesssimulation (betreffend die physikalischen
Phänomene in der unmittelbaren Wechselwirkungszone von
Schweißwärmequelle und Material), der Struktursimulation
(Temperaturfeld, Eigenspannungen und Verzug der
Schweißkonstruktion) und der Werkstoffsimulation
(Gefügezustand, Härte, Rissbildung innerhalb der
Wärmeeinflusszone) unterschieden [1].
Am LOT werden derartige, und auf spezielle Anwenderfragen
zugeschnittene Modelle unter den spezifischen Bedingungen des
Laserstrahlschweißens entwickelt. Für die Struktur- und
Werkstoffsimulation wird kommerzielle FEM-Software eingesetzt.
Die Beschreibung des Energieeintrages erfolgt in diesem Fall
über den Modellansatz der äquivalenten Wärmequelle, deren
konkrete Form und Verteilung mittels experimenteller
Untersuchungen für das jeweils eingesetzte Lasersystem
ermittelt wird. Exemplarisch zeigt Abbildung 1 die Geometrie
und Vernetzung eines FE-Modells zur Berechnung der
Temperaturverteilung beim Laserstrahlschweißen unter
Berücksichtigung der Einspannung.
Abbildung 1: Geometrie und Vernetzung eines FE-Modells (links) zur Struktursimulation beim Laserstrahlschweißen unter Berücksichtigung der Einspannbedingungen sowie die berechnete Temperaturverteilung in Schweißprobe und Einspannung (rechts).
In Ergänzung zu den FE-Modellen zur
Struktur- und Werkstoffsimulation werden am LOT auch lokale
Prozessmodelle zur Beschreibung der physikalischen Phänomene
innerhalb der Wechselwirkungszone von Laserstrahl und Werkstoff
entwickelt. Einen Schwerpunkt bildet hierbei die
Schmelzbadsimulation. Entsprechende Berechnungsprogramme stehen
für die lasertypischen Fälle des Tiefschweißens und des
Wärmeleitungsschweißens zur Verfügung [2,3]. Exemplarisch zeigt
Abbildung 2 berechnete Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder
beim Laserstrahlpunktschweißen im Wärmeleitungsmodus. Bei
dieser Prozessvariante wird die erreichbare Einschweißtiefe
maßgeblich durch den Marangoni-Effekt und damit durch die
Konzentration grenzflächenaktiver Substanzen (z.B. Schwefel,
Sauerstoff) bestimmt.
Abbildung 2: Berechnete Strömungs- und Temperaturfelder nach t
= 0.2 s Bestrahlungsdauer für verschiedene Werte der
Grenzflächenaktivität von Sauerstoff (links oben: 100 ppm,
links unten: 250 ppm, rechts oben: 500 ppm).
Das bestehende Prozessmodell zum Wärmeleitungsschweißen wird derzeit auf den Anwen-dungsfall des Nahtschweißens erweitert. Hierbei finden Prozessgase mit Beimischungen von Aktivgaskomponenten (Kohlendioxid) Berücksichtigung, durch deren Wirkung auf die Oberflächenspannung das resultierende Strömungsregime im Schmelzbad und damit auch die Nahtgeometrie gezielt beeinflusst werden soll.
Literatur
[1] D. Radaj (1999), Schweißprozesssimulation:
Grundlagen und Anwendungen, Düsseldorf: Verlag für Schweißen
und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH.
[2] A. Mahrle, J. Schmidt (2002), The Influence of
Fluid Flow Phenomena on the Laser Beam Welding Process, Int. J.
of Heat and Fluid Flow, Vol. 23, 288-297.
[3] A. Mahrle, E. Beyer (2005), Transient Behaviour
of Laser-Induced Axi-Symmetric Melt Pools, 18th Meeting on
Mathematical Modelling of Materials Processing with Lasers,
Igls/Innsbruck (A), 19.-21.01.2005.
Kontakt:
Dr. Achim Mahrle
Tel.: +49 (0) 351 463 31993