Mikrostruktursimulation der Erstarrung in der Schweißnaht

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Britta Nestler; Dr.-Ing. Daniel Schneider
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• 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 "rstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse" setzt sich zum Ziel, ein quantitatives Prozessverständnis der Mechanismen der Erstarrungsrissentstehung und des Zusammenhangs mit Prozessparametern zu entwickeln.Innerhalb der Forschergruppe ist das Ziel dieses Teilprojektes die Bestimmung der Kriterien und Einflussgrößen der mikrostrukturellen Erstarrungsrissbildung, um unter verschiedenen Prozessbedingungen verlässliche Vorhersagen über das Erstarrungs- und Seigerungsverhalten sowie die Erstarrungs- und Seigerungsrissbildungswahrscheinlichkeit in metallischen Schweißnähten treffen zu können. Die Forschungsarbeit liegt in der Modellierung und Simulation des Erstarrungsprozesses in einer Schweißnaht am austenitischen Edelstahl, unter Auflösung mikrostruktureller Prozesse sowie unter Berücksichtigung stark gekoppelter Wechselwirkungen chemo-thermomechanischer Prozesse. In gekoppelten Phasenfeld-Mechanik-Simulationen werden die unterschiedlichen Erstarrungsstadien der Primärdendriten, der Dendritenverblockung, der Korngrenzenbildung und der vollständigen Erstarrung berechnet und die dabei aus lokalen Spannungsspitzen resultierende Bildung von möglichen Mikrorissen vorhergesagt. Unter Auflösung der mikrostrukturellen Gefügebildung und unter Berücksichtigung der lokalen Temperaturverteilung liefern die chemomechanischen Simulationen die Konzentrations-, Phasen- , Spannungs- und zukünftig auch die Mikrorissverteilungen während der Erstarrungs- und Seigerungsvorgänge. In systematischen Studien werden sowohl prozesstechnische Größen wie der Temperaturgradient, die Schweißgeschwindigkeit und der Wärmeeintrag variiert als auch der Einfluss auf die Rissbildungsanfälligkeit an den Dendrit-, Korn- bzw. Phasengrenzen in der Wärmeeinflusszone sowie im Schmelzbereich analysiert und inklusive der morphologischen Informationen an die Mesoskala weitergeleitet. Die Erkenntnisse der Simulationen auf der Mikroskala leisten einen Beitrag zur Klassifizierung der metallurgisch bzw. mechanisch induzierten Heißrissbildung auf der Mesoskala und sind für weiterführende Untersuchungen innerhalb der Forschergruppe unentbehrlich.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse