Modellierung der Kapillare beim Lasertiefschweißen mit der Smoothed Particle Hydrodynamics Methode

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Eberhard; Professor Dr. Thomas Graf
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266218804

Die Strahlquellenentwicklung sorgte in der Laserbearbeitung für wesentliche Fortschritte hinsichtlich Strahlqualität und -leistung. Dies hat die industrielle Verbreitung des Laserstrahlschweißens gefördert. In Kombination mit der Strahlführung sind weitere Entwicklungsschritte z.B. hinsichtlich Strahlgeometrie, Polarisation, Wellenlänge und Modulation zu erwarten. Dennoch engen Nahtimperfektionen, verursacht durch Spritzer, Auswürfe, Poren, Risse und Humping den Anwendungsbereich ein oder verhindern gar den Lasereinsatz. Neue Untersuchungsergebnisse lassen den Schluss zu, dass wellenförmige Strukturen an der Kapillarfront und Ausstülpungen an der Kapillarrückwand bei der Spritzer- und Porenentstehung eine entscheidende Rolle spielen. Neue Diagnosemöglichkeiten wie die Online-Röntgentechnik und der Einblick in die Kapillare mit Hochgeschwindigkeitskameras, der genutzt werden kann, die Kapillargeometrie zu rekonstruieren, wenn der Polarisationszustand des emittierten Lichts erfasst wird, haben bereits zu den oben genannten Erkenntnissen beigetragen und sollen in diesem Projekt zur Klärung der Vorgänge eingesetzt werden. Da jedoch auch diese Techniken in ihrer Zugänglichkeit sowie zeitlicher und räumlicher Auflösung begrenzt sind, ist es unerlässlich, mit numerischen Verfahren die identifizierten Prozesse zu analysieren. Kernproblem ist die Simulation der Schmelzeströmung, wobei die freie Oberfläche hin zur Gasphase eine ganz entscheidende Rolle spielt. Gitterfreie Verfahren haben für solche Anwendungen, bei denen mit großen Oberflächendeformationen gerechnet werden muss, den großen Vorteil, dass Rechennetze nicht immer wieder neu berechnet werden müssen. Die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode wird dafür in besonderem Maße geeignet sein. Bei ihr werden die Zustandsgrößen des Kontinuums an Punkten diskretisiert, die sich entsprechend dem Geschwindigkeitsfeld bewegen und daher an kein Gitter gebunden sind. Das bei den Antragstellern vorhandene SPH-Programm Pasimodo muss vor dem Einsatz um einige Module erweitert und mit einem ebenfalls vorhandenen Ray-Tracing-Programm, das die Strahlausbreitung in den Kapillaren und den ortsaufgelösten Energieeintrag in die Schmelzeschichten berechnet, verknüpft werden. Ferner ist ein Modul zu schaffen, das die auf die Schmelzeoberfläche wirkenden Drücke berechnet, die von der Verdampfung und der Gasströmung herrühren. Damit sollen Wellen an der Kapillarfront sowie typische Ausstülpungen der Kapillarrückwand und die in Folge davon ablaufenden Prozesse, die nach bisherigen Erkenntnissen zur Poren- und Spritzerbildung führen, berechnet werden. Die Mechanismen sollen an drei sehr unterschiedlichen Materialien, Stahl, Aluminium und Eis, vergleichend untersucht werden. Ziel in der zweiten Projektphase wird sein, den Einfluss der Prozessparameter zu bestimmen und mit dem Prozessmodell den Laserschweißprozess auch hinsichtlich seiner Stabilität zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Peter Berger