Numerisches Modell für die Simulation einer Laserstrahlschweißung von Quarzglas

Ausgehend von den fundierten Erfahrungen, die für das Schweißen von verschiedensten Metallen vorliegen, wird an der Professur Stahlbau der Bauhaus-Universität Weimar ein neuartiges Verfahren zum CO2-Laserstrahlschweißen von Quarzglas numerisch untersucht. Dabei kommt die kommerzielle FE-Software SYSWELD® zum Einsatz. Die erforderlichen Versuche werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH aus Jena realisiert. Die numerische Analyse wird eingesetzt, um geeignete Prozessparameter zu bestimmen und deren Auswirkungen auf die transienten thermischen und mechanischen Vorgänge, die während des Schweißvorgangs ablaufen abzubilden. Um die aus der Simulation erhaltenen Aussagen zu überprüfen, ist es erforderlich, das Berechnungsmodell mittels Daten aus Versuchsschweißungen zu kalibrieren. Dabei sind die verwendeten Materialmodelle sowie die der Simulation zugrunde gelegten Materialkennwerte zu validieren. Es stehen verschiedene rheologische Berechnungsmodelle zur Auswahl, die die viskosen Materialeigenschaften des Glases abbilden. Dabei werden die drei mechanischen Grundelemente, die HOOKEsche Feder, der NEWTONsche Dämpfungszylinder und das ST.-VENANT-Element miteinander kombiniert. Die Möglichkeit, thermische und mechanische Vorgänge innerhalb des Glases während des Schweißvorgangs und nach vollständiger Abkühlung, vorhersagen zu können, gestattet es den Schweißvorgang über eine Optimierung der Verfahrensparameter gezielt dahingehend zu beeinflussen, die Wirtschaftlichkeit des Schweißverfahrens zu verbessern, und ein zuverlässiges Schweißergebnis zu erhalten. Dabei können auch nur unter hohem experimentellen Aufwand durchführbare Versuche simuliert werden, um eine Vorhersage zu treffen, ob es zweckmäßig ist, den Versuch auch in der Praxis zu fahren. Dies führt zu einer Reduzierung des experimentellen Aufwandes und damit zu einer Verkürzung des Entwicklungszeitraumes für das angestrebte Verfahren.