Metallschmelze

Simulation laserinduzierter Aufschmelz- und Umschmelzprozesse

Berechnete Schmelzspuren in einer niedriglegierten Eisenlegierung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Gehalte des grenzflächenaktiven Elementes Schwefel
© Fraunhofer IWS Dresden
Berechnete Schmelzspuren in einer niedriglegierten Eisenlegierung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Gehalte des grenzflächenaktiven Elementes Schwefel

Das laserinduzierte lokale Aufschmelzen von Werkstoffen ist für eine Vielzahl von Materialbearbeitungsprozessen relevant. Dies betrifft u.a. verschiedene Verfahren der Oberflächenveredelung (Umschmelzen, Legieren, Beschichten) oder auch spezielle Fügeanwendungen im Wärmeleitungsmodus, beispielsweise für Anwendungen im Dünnblechbereich. Für die Bearbeitung metallischer Werkstoffe ist bekannt, dass die Schmelztiefe als auch die Schmelzbadform signifikant durch die Schmelzbadströmung bestimmt wird. Ursache hierfür sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Schmelze infolge der Wirkung des Marangoni-Effektes, der eine Scherspannung an der freien Oberfläche infolge von Oberflächenspannungsgradienten bewirkt. Hierbei wird die Richtung und Intensität der Strömung maßgeblich durch die vorherrschenden Temperaturgradienten auf der Schmelzbadoberfläche sowie die wirksame Konzentration oberflächenaktiver Spurenelemente bestimmt, die ihrerseits einen entscheidenden Einfluss auf die Oberflächenspannung ausüben. Exemplarisch zeigt Abbildung 1 simulierte Schmelzzonenquerschnitte in einer Eisenlegierung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Gehalte des grenzflächenaktiven Elementes Schwefel.

Unter Nutzung der am IWS vorhandenen Simulationskapazitäten können laserinduzierte Schmelzprozesse bezüglich der Schmelzspurgeometrie bewertet und Strategien für eine gezielte Steuerung der Einschweißtiefe und Schmelzzonengeometrie im Rahmen von Parameterstudien überprüft werden.