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Selbstoptimierende Simulation lasergeschweißter Verbindungen unter Zugabe von Zusatzwerkstoff

Arbeitsgruppe:AG Numerik PDE
Leitung: Prof. Dr. Alfred Schmidt ((0421) 218-63851, E-Mail: schmidt@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter: Dr.-Ing. Jonathan Montalvo Urquizo
Projektförderung: Zentrale Forschungsförderung Uni Bremen
Projektpartner: Prof. Dr. Frank Vollertsen, BIAS
Laufzeit: 01.10.2004 - 30.06.2008
Bild des Projekts Selbstoptimierende Simulation lasergeschweißter Verbindungen unter Zugabe von Zusatzwerkstoff Im Vergleich zu anderen Schweißtechniken ergibt das Laserschweißen von Aluminium verschiedene betriebliche und wirtschaftliche Vorteile, was ihm dem am Besten geeigneten Verfahren für viele industrielle Anwendungen macht. Heutzutage werden mehrere Materialien mit Laser geschweißt. Der Wissensstand über ihre Schweißbarkeit und korrekte Prozesseinstellung, um sachgerechte Praxisergebnisse zu erzielen, ist verhältnismäßig gut. In vielen Fällen wird dies durch numerische Simulationen unterstützt.

In diesem Projekt wird das Interesse auf eine Berechnung gerichtet, die nicht nur die physischen Phänomene abbildet, sondern auch die Fähigkeit hat, optimale Verfahrenparameter zu finden. Dies wird anhand einer FEM Simulation des Laserschweißens, gekoppelt mit einem Optimierungsverfahren für ein Funktional der Güte des geschweißten Metalls.

Hauptbestandteile der Simulation sind die Berechnungen von Temperaturfeldern, Verformungen als Folge höherer Temperaturschwankungen und den entsprechenden Dehnungen und Spannungen. Dabei sollen sämtliche Berechnungen als zeitabhängig betrachtet werden. Im Allgemeinen gibt es unterschiedliche Vorgehensweisen zur Modellierung einzelner Teile des Schweißverfahrens, die angewendet werden können.

Die Anwendung adaptiver Finiter Elemente Methoden, die auf a posteriori Fehlerschätzern basiert sind, ermöglicht eine präzise Berechnung in Gebieten, wo sich der (zeitabhängige) Schweißpunkt befindet, während andere Gebiete mit gröberer Auflösung berechnet werden. Dies führt zu einer sehr guten Approximation der Temperatur, die die anderen Variablen dominiert, ohne das komplette Gitter verfeinern zu müssen.

Die Verzerrungs- und Spannungstensoren werden zuerst durch die Lösung der kinematischen Verformung berechnet. Dann wird die elastoplastische Berechnung mittels einer Prädiktor-Korrektor Methode durchgeführt.

Um die optimalen Parameter wie Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit zu finden, werden als Nebenbedingungen untere und obere Schranken (box constraints) betrachtet. Weiter wird eine Zielfunktion minimiert, welche die gewichtete Summe folgender Teile beinhaltet: die Entfernungen zwischen den Parametern und ihren gewünschten Werten, die Gestalt des Schweißgutes, und eine angemessene Bewertung der Schweißeigenspannung. Die Bestimmung solcher gewünschter Werte ist von der spezifischen Anwendung stark abhängig.

Für das Laserschweißenverfahren sind die gewünschten Werte eine niedrige Laserleistung, hohe Schweißgeschwindigkeit, bestimmte Schweißnahtgroßen sowie plastische Umformung und Eigenspannungen, die so klein wie möglich bleiben sollen.

Publikationen

  1. J. Montalvo Urquizo, Z. Akbay, A. Schmidt.
    Adaptive finite element models applied to the laser welding problem.
    Computational Materials Science, 46(1):245-254, Elsevier, 2009.

    DOI: 10.1016/j.commatsci.2009.02.037

  2. J. Montalvo Urquizo.
    Simulation and Optimization of Laser Welding on Aluminium Alloys.
    Dissertationsschrift, Universität Bremen, Dr. Hut Verlag, 2008.
  3. Z. Akbay, J. Montalvo Urquizo, T. Pretorius, F. Vollertsen.
    Fast FEM-Model and Keyhole-Heat Source Model for Self-Optimized Simulation of Laser Welding Processes.
    International Workshop on Thermal Forming and Welding, 22.04.-23.04.2008, Bremen, Deutschland.
    Thermal Forming and Welding Distortion, Proceedings of the IWOTE'08, F. Vollertsen, J. Sakkiettibutra (Hrsg.), S. 277-288, 2008.