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

Abstract

Laser welding, selective laser melting, and wire-based laser metal deposition are joining or additive manufacturing technologies in which a metal is melted by a laser beam. Inappropriate process parameters can lead to defects such as humping or balling, which degrade the mechanical properties of the weld or the manufactured part. In this work, the laser melting process of titanium is investigated by three-dimensional numerical simulations using the Smoothed Particle Hydrodynamics method. The absorption of laser light by the material surface and the emerging vapor is determined using a ray tracing technique. Numerical and mathematical models are developed to predict the interfacial tension and optical properties of titanium. The numerical model is validated with theory and experiments. Among others, single-line laser tracks on titanium have been simulated and compared with experiments. It is shown that the optical properties of titanium used in the experiments differ significantly from atomically clean titanium. Surface roughness, oxidation, or chemical impurities decrease the reflectivity of the titanium surface compared to atomically clean titanium. By assuming an "aged" surface, quantitative agreement between simulation and experiments can be achieved for a wide range of laser parameters. Furthermore, the numerical tool is used to study the homologous wetting of molten titanium with its solid phase. It is shown that the wetting forces affect the geometry of the resolidified melt. High-temperature gradients at the solid-liquid phase interface lead to weak wetting forces, thus promoting the humping phenomenon. Finally, wire-based laser welding of titanium in zero gravity and selective laser melting of polydisperse titanium powder are investigated using the developed model. Laserschweißen, selektives Laserschmelzen und drahtbasiertes Laserauftragschweißen sind Füge- bzw. additive Fertigungstechnologien, bei denen ein Metall durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Ungeeignete Prozessparameter können dabei zu Defekten wie z.B. 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.