Simulation of the laser melting process of titanium using Smoothed Particle Hydrodynamics

Beschreibung

Laserschweißen, selektives Laserschmelzen und drahtbasiertes Laserauftragschweißen sind Füge- beziehungsweise additive Fertigungstechnologien, bei denen ein Metall durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Ungeeignete Prozessparameter können dabei zu Defekten wie zum Beiapiel Humping oder Balling führen, die die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht oder des hergestellten Bauteils verschlechtern. In dieser Arbeit wird der Laserschmelzprozess von Titan durch dreidimensionale numerische Simulationen mit der Smoothed Particle Hydrodynamics Methode untersucht. Die Absorption des Laserlichts durch die Materialoberfläche und dem Dampf wird mit Hilfe von Raytracing bestimmt. Um die Grenzflächenspannung und die optischen Eigenschaften von Titan vorherzusagen, werden numerische und mathematische Modelle entwickelt. Das numerische Modell wird mit Theorie und Experimenten validiert. Unter anderem wurden geradlinige Laserspuren auf Titan simuliert und mit Experimenten verglichen. Es wird gezeigt, dass sich die optischen Eigenschaften des Titans, welches in den Experimenten eingesetzt wurde, stark von atomar reinem Titan unterscheidet. Oberflächenrauhigkeit, Oxidation oder chemische Verunreinigungen reduzieren die Reflektivität der Titanoberfläche gegenüber atomar reinem Titan. Durch die Annahme einer „gealterten“ Oberfläche kann eine quantitative Übereinstimmung zwischen Simulation und Experimenten für einen weiten Bereich von Laserparametern erzielt werden. Weiterhin wird das numerische Werkzeug verwendet, um die homologe Benetzung der Titanschmelze mit festem Titan zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass sich die Benetzungskräfte auf die Geometrie der erstarrten Schmelze auswirken. Hohe Temperaturgradienten an der fest-flüssig-Phasengrenzfläche führen zu schwachen Benetzungskräften, wodurch das Entstehen des Humping-Phänomens gefördert wird. Schließlich wird das drahtbasierte Laserauftragschweißen von Titan in Schwerelosigkeit und das selektiven Laserschmelzen von polydispersem Titanpulver mit Hilfe des entwickelten Modells untersucht.