3D-Schmelzbadgeometrie definiert durch die Solidus-Temperatur (links) und Unterteilung einer exemplarischen Schmelzbadgeometrie in Randelemente (rechts)
Quelle: BAM, Fachbereich Schweißtechnische Fertigungsverfahren
In den letzten Jahren ist das Tiefschweißen zu einem alltäglichen industriellen Werkzeug geworden, das das Fügen von dicken Materialien ermöglicht. Die zweckmäßige Vorhersage einer Schweißverbindung erfordert Informationen über die lokale Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften, die hauptsächlich vom Temperaturzyklus des Werkstücks abhängen. Ein numerischer Rahmen zur Simulation des stationären thermischen Verhaltens beim Tiefschweißen (Keyhole-Schweißen) wurde entwickelt. Es basiert auf dem äquivalenten Wärmequellenkonzept und besteht aus zwei Teilen: die stationäre thermofluiddynamische Berechnung und die Simulation des Wärmeleitungsprozesses. Die Lösung des Thermofluiddynamikproblems durch die Finite-Elemente-Methode führt auf die dreidimensionale Schmelzbadgeometrie, welche als Eingangsdaten für das nachfolgende Wärmeleitungsproblem genutzt wird. Dieses wurde für ein Werkstück durch eine neu eingeführte Randelemente-Methode gelöst. Die Geometrie der Dampfkapillare sowie die wichtigsten physikalischen Phänomene wie die thermokapillare und natürliche Konvektion sowie temperaturabhängige Materialeigenschaften bis zur Verdampfungstemperatur wurden berücksichtigt. Das entwickelte Verfahren wurde am Laser-Tiefschweißen einer 15 mm dicken, niedriglegierten Stahlplatte mit einer Schweißgeschwindigkeit von 33 mm/s und einer Laserleistung von 18 kW eingesetzt. Die Strömung der Schmelze hat einen starken Einfluss auf die Geometrie des Schmelzbades. Die thermokapillare Konvektion ist verantwortlich für eine Vergrößerung der Schmelzbadabmaße in der Nähe der Plattenoberflächen und eine Ausbauchung in der Nähe der Plattenmittelebene. Die numerische berechnete und die experimentell gemessene Schweißnahtform sowie die transienten Zeit-Temperaturkurven aus der Wärmeeinflusszone stimmen sehr gut überein.
Assessment of thermal cycles by combining thermo-fluid dynamics and heat conduction in keyhole mode welding processes
Antoni Artinov, V. Karkhin, P. Khomich, Marcel Bachmann, Michael Rethmeier
erschienen im International Journal of Thermal Sciences, Vol. 145, 105981 1, 2019
BAM Fachbereich Schweißtechnische Fertigungsverfahren