Institut für Digitale Materialforschung

Das Laserstrahlschweißen ist ein hochmodernes Fügeverfahren, bei dem ein stark gebündelter Lichtstrahl eingesetzt wird, um Materialien mit außergewöhnlicher Präzision und Effizienz zu verschmelzen. Es zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, präzise, wiederholbare und hochwertige Schweißnähte durch automatisierte Prozesse in verschiedenen Sektoren wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Elektronik herzustellen. Beim Schweißen von austenitischen rostfreien Stählen mittels Laserstrahlschweißen können aufgrund der einzigartigen Eigenschaften dieser Werkstoffe und der extremen thermischen Bedingungen verschiedene Herausforderungen wie Heißrissbildung auftreten. Das komplexe Zusammenspiel zwischen Erstarrungskinetik, Legierungszusammensetzung, Abkühlungsraten und Phasenumwandlungen während des Schweißens beeinflusst das Mikrogefüge und die mechanischen Eigenschaften von austenitischen nichtrostenden Stählen erheblich. Das Verständnis dieser Faktoren während der dendritischen Erstarrung auf der Mikroskala, wie in Abbildung 1 dargestellt, ist von entscheidender Bedeutung für die Abschwächung von Heißrissen und Mikroseigerungseffekten, die die mechanische Leistungsfähigkeit geschweißter Komponenten beeinträchtigen können.

Erstarrungsrisse beim Schweißen stellen eine komplexe, multiskalige, multiphysikalische Herausforderung dar, die ein umfassendes Verständnis der komplizierten Wechselwirkungen erfordert. Daher wird das Projekt FOR5134 in enger Zusammenarbeit mit 6 Partnerforschungsgruppen aus anderen renommierten Universitäten und Forschungsinstituten in Deutschland durchgeführt. Unser Teilprojekt nimmt das Problem auf der Mikroskala unter die Lupe und konzentriert sich dabei auf dendritische Erstarrungsphänomene, wobei mehrere Komponenten und Mehrphasenfeldsimulationen mit Grandchem-Formulierung eingesetzt werden. Ziel der Mikrostruktursimulationen ist es, die Faktoren und Variablen zu identifizieren, die die mikrostrukturelle Erstarrungsrissbildung beeinflussen. Dies ermöglicht eine genaue Vorhersage des Erstarrungs- und Entmischungsverhaltens sowie der Risswahrscheinlichkeit in metallischen Schweißnähten unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen. Durch einen hierarchischen Multiskalenansatz werden kritische Daten zu Temperaturprofilen und Konzentrationsverteilungen innerhalb des Schmelzbades von der Mesoskala auf die Mikroskala übertragen, wobei geeignete Datenschnittstellen verwendet werden, um Erstarrungssimulationen zu erleichtern. Zur Verwendung in den Simulationen wird das thermodynamische Gerüst der Legierung mit Hilfe von angepassten Gibbs-Energien aus der CALPHAD-Datenbank vorbereitet, um Simulationen mit realistischen Eingabedaten durchzuführen (siehe Abbildung 2).

Mithilfe gekoppelter chemo-mechanischer Phasenfeldsimulationen wird der Verlauf der Erstarrungsphasen, einschließlich der primären Dendritenbildung, der Dendritenblockierung, der Korngrenzenentwicklung und der vollständigen Erstarrung, modelliert und die potenzielle Bildung von Mikrorissen aufgrund von lokalisierten Spannungsspitzen vorhergesagt. Durch die Auflösung der mikrostrukturellen Entwicklung und die Einbeziehung lokaler Temperaturschwankungen bieten chemo-mechanische Simulationen Einblicke in Konzentrations-, Phasen- und Spannungsverteilungen sowie in zukünftige Mikrorissmuster während Erstarrungs- und Entmischungsprozessen. In systematischen Untersuchungen werden prozessrelevante Parameter wie der Temperaturgradient, die Schweißgeschwindigkeit und der Wärmeeintrag variiert, um deren Einfluss auf die Rissanfälligkeit an dendritischen, Korn- oder Phasengrenzen sowie in der Wärmeeinflusszone und im Schmelzbereich zu bewerten. Die Analyse der simulierten Mikrorissverteilung innerhalb des Erstarrungsgefüges liefert statistische Parameter in Bezug auf die Verteilung, den Anteil und die Bildungsrate von Erstarrungsrissen mithilfe von Datenanalysealgorithmen. Diese Erkenntnisse aus mikroskaligen Simulationen tragen zum theoretischen Verständnis und zur Kategorisierung von metallurgisch oder mechanisch induzierten Erstarrungsrissen bei, indem homogenisierte Daten auf meso- und makroskalige Ebenen innerhalb eines umfassenden multiskaligen Rahmens übertragen werden. Die ersten Ergebnisse in 2D zeigen bereits vielversprechende Beobachtungen, die einen kritischen Bereich des Schweißbades mit einer komplexen Morphologie von Sekundärdendriten vorhersagen, wie in Abbildung 3 gezeigt.