Makromechanische Modellierung des Materialverhaltens beim Laserstrahlschweißen unter mechanischer Beanspruchung

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

Das Laserstrahlschweißen als flexibles und kontaktloses Fügeverfahren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Bearbeitung von Legierungen mit großem Schmelzintervall stellt aufgrund ihrer Neigung zu Erstarrungsrissen jedoch eine Herausforderung dar. Diese entstehen durch kritische Spannungs- bzw. Dehnungszustände der dendritischen Mikrostruktur mit interdendritischer Schmelze. Trotz der hohen industriellen Relevanz existieren bisher lediglich Ansätze, die sich Teilaspekten dieser Problematik - metallurgisch orientiert oder strukturorientiert - widmen. Die Forschungsgruppe „Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse“ setzt sich zum Ziel ein quantitatives Prozessverständnis der Mechanismen der Erstarrungsrissentstehung und des Zusammenhangs mit Prozessparametern zu entwickeln. Eine der geplanten Aufgaben im Rahmen dieses Teilprojektes ist die Durchführung der erforderlichen Experimente und Messungen zur Validierung der numerischen Modelle an anderen Forschungsgruppen bzw. Instituten. Darüber hinaus ist ein Ziel für dieses Teilprojekt, einen fremdbeanspruchten Heißrisstest in Kombination mit einer eigenentwickelten optischen Messtechnik zu verwenden, um die für die Erstarrungsrissbildung erforderlichen lokalen kritischen mechanischen und thermischen Bedingungen zu ermitteln. Das Hauptziel des Teilprojektes besteht in der Entwicklung eines makromechanischen FEM-Modells, für die Prädiktion der Erstarrungsrissbildung, in Abhängigkeit von den thermischen und mechanischen Randbedingungen beim Laserstrahlschweißen. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Einflussnahme der strömungsmechanischen Vorgänge im Schmelzbad auf die resultierende Temperaturverteilung und vor allem der geometrischen Anordnung der fest-flüssig Phasengrenze auf die lokale Spannungs- und Dehnungsverteilung in der Mushy-Zone. Da die Rissinitiierung innerhalb des Temperaturintervalls der Sprödigkeit (TIS) erfolgt, ist eine korrekte Beschreibung dieses Bereichs im Rahmen eines FEM-Modells eine wichtige Voraussetzung für ihre Genauigkeit. Das Modell soll auf Basis der realitätsnahen Materialmodellierung auf Mesoebene im Zweiphasengebiet (L-delta-Gamma) bzw. Mehrphasengebiet (L-delta-gamma) aufgebaut werden. Zu diesem Zweck sollen die erarbeiteten viskoelastoplastischen Materialgesetze in das strukturmechanische Modell implementiert werden. Nach der Implementierung der temperatur- bzw. phasenabhängigen Materialgesetze und der äquivalenten Wärmequelle in das Makromodell, soll unter Berücksichtigung der ermittelten Duktilitätsvermögen des Materials im TIS ebenfalls ein Erstarrungsrissmodell implementiert werden. Diese werden weiterhin genutzt, um die Rissentstehung und das Risswachstum vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Kooperationspartner: Privatdozent Sergey Volvenko, bis 3/2022