Dr.-Ing. Achim Mahrle

Titel der Dissertation

Einfluss des konvektiven Energietransportes auf die lokale Temperaturverteilung beim Laserstrahlschweissen

Verteidigung am

2000,
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Gutachter

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt

Kurzfassung

Die Simulation der Temperaturverteilung bei Schweißprozessen ermöglicht bereits im Vorfeld der schweißtechnischen Fertigung die Abschätzung qualitätssichernder Schweißparameter zur Vermeidung ungünstiger Werkstückdeformationen während des Schweißprozesses sowie Aussagen zu dem zu erwartenden Gefüge und den mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht. Dadurch lässt sich der experimentelle Aufwand bei der Erarbeitung von Schweißtechnologien senken. Für Vorhersagen der Form und der Größe der Schmelzzone, des entstehenden Gefügezustandes und der damit verbundenen Eigenschaften Härte und Zähigkeit ist eine genaue Erfassung des lokalen Energieeintrages unter Berücksichtigung verfahrensspezifischer Einflussgrößen erforderlich. Beim Laserstrahlschweißen mit ausgebildeter Dampfkapillare ergeben sich diese insbesondere aus dem maßgeblichen konvektiven Energietransport im Schmelzbadbereich.

Basierend auf dem derzeitigen Erkenntnisstand wird ein Mikromodell zur Beschreibung der quasistationären Temperaturverteilung im Schmelzbadbereich entwickelt, das relevante Einflussgrößen berücksichtigt. Wesentliches Element der Modellierung ist hierbei die Entkopplung von den Wechselwirkungsphänomenen zwischen Strahl und Werkstoff über eine phänomenologische Beschreibung des Energieeintrages sowie die Anwendung der Ähnlichkeitstheorie. Die Simulation der Temperaturverteilung erfolgt in dimensionsloser Form. In umfangreichen Simulationsrechnungen wird die Relevanz einzelner Einflussgrößen und ihre Wirkung auf die Temperaturverteilung untersucht.

Besondere Aufmerksamkeit ist der Entwicklung des numerischen Lösungsverfahrens gewidmet worden. Für die Berechnung der dreidimensionalen Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen unter Berücksichtigung der Phasenumwandlung wurde ein ursprünglich für instationäre Strömungen entwickelter Algorithmus modifiziert und anhand ausgewählter Probleme getestet.