Die räumlich stark veränderlichen Längenskalen für die physikalischen Größen beim Laserstrahlschweißen stellen besondere Anforderungen an die Modellbildung und die numerische Berechnung. Die Komplexität des Zusammenwirkens der physikalischen Phänomene des Schweißprozesses auf die bearbeitete Bauteilstruktur erfordert das Auffinden stark abstrahierter bzw. reduzierter Modelle im Hinblick auf einen effizienten Einsatz von Simulationsrechnungen in der industriellen Anwendung. Die zu empfehlende Auswahl der Methoden hängt von der Bauteilkomplexität und von den Randbedingungen des Schweißprozesses ab.

Um den Anwender der Simulation bei der Auswahl der einsetzbaren Modelle für seinen spezifischen Anwendungsfall unterstützen zu können, sollen die Grenzen der Gültigkeit unterschiedlich reduzierter Modelle zur Berechnung des Verzugs ermittelt werden. Dazu werden drei Bauteile mit stark unterschiedlicher Größe und Strukturverhalten untersucht. Die Konzentration der Untersuchungen auf das Laserstrahlschweißen ist mit der zunehmend breiteren industriellen Anwendung, den nachhaltigen, wirtschaftlichen Vorteilen und den räumlich lokalisierten Temperatur- und Spannungsgradienten bei diesem Verfahren begründet. Dabei steht der Werkstoff Stahl im Fokus des Vorhabens. In Abbildung 1 sind die Einflussgrößen auf den Bauteilverzug skizziert.

Abbildung 1: Teilmodelle und Lösungsmethoden zur Verzugsberechnung

Zentraler Inhalt des Vorhabens ist die vergleichende Analyse von existierenden Modellen zur Schweißverzugssimulation von Stahlwerkstoffen durch die Betrachtung deren struktureller Stabilität. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sind Grundlage für die theoretischen Arbeiten. Gerade im Hinblick auf den Nutzen von Simulationsmodellen für den industriellen Anwender werden die Grenzen und die Möglichkeiten bestehender Modelle und Lösungsmethoden aufgezeigt.

Als Grundlage für die Bewertung und Einordnung der Modelle werden Simulationsversuche auf der Basis von FEM-Strukturen durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse aus der Diagnose des realen Schweißens stellen die Basis für die mathematisch-physikalische Analyse der Modelle und die numerischen Simulationen der Wärmewirkungen beim Schweißen dar. Dadurch soll die Validierung der Simulationsergebnisse ermöglicht und somit die Bewertung der Modelle maßgeblich gestützt werden.

Abbildung 2: Projektpartner

Das Vorhaben wird durch ein großes Konsortium von Industriepartnern (Abbildung 2) begleitet, mit deren Hilfe die realen Schweißversuche durchgeführt und ausgewertet werden sollen. Darüber hinaus dient die intensive Zusammenarbeit mit drei Simulationssoftwareherstellern zur Bereitstellung von Simulations- und Programmier-Know-how und -werkzeugen.

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, RWTH Aachen ILT
Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. FOSTA