Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Hybrid simulation of laser deep penetration welding

Hybride Simulation des Laserstrahltiefschweißens
 
: Schöler, C.; Haeusler, A.; Karyofylli, V.; Behr, M.; Schulz, W.; Gillner, A.; Niessen, M.

:

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 48 (2017), Nr.12, S.1290-1297
ISSN: 0933-5137
ISSN: 1521-4052
Englisch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer ILT ()

Abstract
In laser deep penetration welding, the knowledge on the temperature history of the material is of great interest for the assessment of the quality properties of the weld. For this purpose a hybrid process model that enables the fast calculation of temperature distributions as a function of process parameters is applied. The interaction between laser and material is taken into account by a reduced keyhole model, which exploits a hierarchy in the spatial dimensions occurring at high feed rates. The resulting shape of a stationary keyhole is introduced as a Dirichlet boundary into a thermal finite element simulation in which it is moved through the workpiece according to the process control of the laser beam. The boundary is mathematically described by a level set function and immersed in a fixed computational mesh. The Dirichlet boundary condition is imposed using an embedded boundary method. The calculated temperature distributions are evaluated by means of bead on plate welds conducted in 0.9 mm thick sheets of 1.4301 (AISI 304) stainless steel.

 

Beim Tiefschweißen mit Laserstrahlung ist die Kenntnis der Temperaturgeschichte des Materials von großem Interesse für die Beurteilung der Qualitätseigenschaften des Schweißergebnisses. Zu diesem Zweck wird ein hybrides Prozessmodell herangezogen, das die schnelle Berechnung von Temperaturverteilungen in Abhängigkeit der Laserstrahlparameter ermöglicht. Die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Material wird durch ein reduziertes Modell berücksichtigt, das eine bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten auftretende Hierarchie in den räumlichen Dimensionen ausnutzt. Die daraus resultierende Form einer stationären Kapillare wird als Dirichlet‐Rand in eine thermische Finite‐Elemente‐Simulation eingebettet, in der sie gemäß der Prozessführung des Laserstrahls durch das Werkstück bewegt wird. Der Rand wird mathematisch durch eine Level‐Set‐Funktion beschrieben und in ein festes Rechengitter eingetaucht. Die Dirichlet‐Randbedingung wird unter Verwendung einer Embedded‐Boundary‐Methode gesetzt. Die berechneten Temperaturverteilungen werden anhand von Blindschweißungen in 0,9 mm dicken Blechen aus 1.4301 (AISI 304) Edelstahl bewertet.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-487472.html