FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse
Coordinator
Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
Grant period
2021 -
Funding body
Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFG
Identifier
G:(GEPRIS)434946896
Note: Berührungslose Fügeverfahren wie das Laserstrahlschweißen haben in der industriellen Fertigung durch die zunehmende Automatisierung in den letzten Jahrzehnten immer weiter an Bedeutung gewonnen. Der Laserstrahl ist aufgrund des berührungslosen Bearbeitungsprozesses, kurzen Taktzeiten und kleinen Wärmeeinflusszonen das bevorzugte Werkzeug zum Fügen metallischer Werkstoffe. Ein häufiges Problem beim Laserstrahlschweißen sind Erstarrungsrisse, welche das schweißbare Materialspektrum signifikant einschränken. Erstarrungsrisse entstehen durch das komplexe Zusammenspiel von thermischen, metallurgischen und mechanischen Faktoren und können im Inneren der Schweißnaht nur mit erheblichem Aufwand detektiert werden, obwohl sie ein wesentliches Risiko für das vorseitige Versagen der Schweißnaht darstellen. Aus dem Stand der Forschung sind bisher keine Modelle bekannt, die eine quantitative Aussage zu Risswahrscheinlichkeiten liefern. Dies ist das Kernziel der Forschungsgruppe: Eine quantitative Aussage zu Risswahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit des Materials und des Prozesses zu liefern. Um diese Aufgabe anzugehen, wurde eine hoch interdisziplinäre Forschungsgruppe bestehend aus Produktionstechniker/-innen, Materialwissenschaftlern/-innen, Mathematikern/-innen und Informatiker/-innen zusammengebracht. In der ersten Phase der Forschungsgruppe wurde der Prozess anhand eines Modellwerkstoffes (Edelstahl 1.4301) von der Mikro- bis hin zur Makroskala numerisch modelliert und mit Experimenten abgeglichen und validiert. Dabei zeigte sich, dass z.B. der Einfluss des Metalldampfes auf die Absorption der Laserstrahlung und die Schmelzbadgeometrie unterschätzt wurde, so dass zum einen noch Bedarf auf dem Gebiet der Modellbildung besteht und zum anderen noch weitere Experimente notwendig sind, um die Erstarrungsrissbildung numerisch modellieren zu können. Um die Verallgemeinerung der Methodik nachzuweisen und sie auf stark heißrissanfällige Werkstoffe zu übertragen, soll das Materialspektrum in der zweiten Phase auf Nickelbasislegierungen erweitert werden, was z.B. im Bereich der Werkstoffmodellierung völlig neue Herausforderungen stellt. Unter Nutzung der numerischen Modellierung sollen dann auf den unterschiedlichen Ebenen Ansätze entwickelt werden, um Risswahrscheinlichkeiten basierend auf Material und Prozess ableiten zu können. Darüber hinaus soll dies auch übergreifend durch einen datengetriebenen, KI-basierten Ansatz geschehen. Obwohl die Forschungsgruppe an einer stark anwendungsgetriebenen Fragestellung aus der Produktionstechnik arbeitet, sind aufgrund des ganzheitlichen und hoch interdisziplinären Ansatzes auch in der zweiten Phase wesentliche grundlagenwissenschaftliche Fortschritte zu erwarten.
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