Dr.-Ing. Tihomir Kotsev

Titel der Dissertation

Schmelzbadsimulation beim Laserstrahlschweißen unterschiedlicher Materialien

Verteidigung am

08.09.2010,
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Gutachter

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt
Prof. Dr.-Ing. habil. Vesselin Michailov
Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Füge- und Schweißtechnik

Kurzfassung

Gegenstand dieser Arbeit waren numerische Simulations-rechnungen zur Bestimmung der Geometrie des Schmelz-bades und des Temperaturfeldes in der Wärmeeinflusszone beim Laserstrahlschweißen. Ziel der Untersuchungen war die Erweiterung der Schmelzbadmodellierung und die Analyse der Einflussgrößen bei unterschiedlichen Materialien. In Bezug auf das numerische Lösungsverfahren baut die Arbeit auf einem Modell zur Berechnung der lokalen stationären Temperaturverteilung beim Laserstrahlschweißen auf, wobei dies modifiziert und weiterentwickelt wurde. Das daraus resultierende gekoppelte Gleichungssystem der Erhaltungs-gleichungen der Energie, des Impulses und der Masse wurde numerisch unter Verwendung eines Differenzenverfahrens gelöst. Das so entstandene dreidimensionale Modell für den Schmelzbadbereich berücksichtigt insbesondere den konvek-tiven Transport in Schmelzbädern unterschiedlicher Werk-stoffe. Als Erweiterung wurde das Modell auf ein zylin-drisches Grundgebiet übertragen und dadurch entstand ein sogenanntes Mikromodell, welches auch für die Berechnung unsymmetrischer Temperaturfelder, z.B. bei gekrümmter Nahtführung, geeignet ist. Um das vorgeschlagene Mikromodell mit einem kommerziellen Programm wie z.B. SYSWELD zu koppeln (Makromodell), wurden im Mikro-modell verschiedene Vernetzungsstrategien und Staffe-lungen mit dem Ziel erprobt, zuverlässige und genaue Rechnungen für Gebiete mit hohen Temperaturgradienten zu gewährleisten und gleichzeitig die Knotenzahl zu reduzieren. Das Makromodell selbst ist aber nicht Gegenstand dieser Arbeit. Zur Analyse von Laserschweißprozessen wurden 2D- und 3D- Simulationsrechnungen vergleichend für unterschiedliche Werkstoffe durchgeführt, deren Eigenschaften sich relativ stark voneinander unterscheiden (niedrig und hoch legierte Stähle, insbesondere aber Aluminium- und Magnesiumlegierungen). Dabei bildeten die 3D- Simulationen und die Analyse des konvektiven Energietransportes den Schwerpunkt der Untersuchungen. Im Ergebnis wurden neue Erkenntnisse zur Ausbildung der Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder sowie zu den Schmelzbadabmessungen und der vom Werkstück absorbierten Laserleistung für die untersuchten Materialgruppen in Abhängigkeit der technologischen Parameter gewonnen.