Der Vergleich zwischen Simulation und Schweißversuch zeigt, wie genau die Simulation bereits die Realität abbildet. Mit Hilfe der Schweißstruktursimulation können daher qualitative Aussagen zur Ausprägung des Bauteilverzugs getroffen werden.
Foto: Technologie-Institut für Metall & Engineering

IT-Lösungen

Mit Simulation den Bauteilverzug besser abschätzen

Wärmeeintrag beim Schweißen führt meist zu einem Verzug von Bauteilen. Mit FEM-Simulationen lässt sich dieser vorab darstellen und Gegenmaßnahmen können geplant werden.

Die Schweißtechnik ist und bleibt im Metallbereich die Verbindungstechnik Nummer 1. Doch Vorsicht: Durch das „heiße“ Verfahren kommt es im Bauteil unweigerlich zu einem Wärmeeintrag, der zu Materialveränderungen und zu Bauteilverzug führt. Mit einem Simulationsmodell kann das Technologie-Institut für Metall & Engineering GmbH (TIME) aus Wissen jetzt den Verzug im Vorfeld der Schweißung abschätzen, um entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten.

Das Problem: Verzug urch Wärmeeintrag

„Beim Verschweißen von Bauteilen entstehen als Folge der Erwärmungs- und Abkühlphasen elastisch-plastische Veränderungen des Werkstoffgefüges und des Bauteilvolumens. Diese führen zu Eigenspannungen und Formänderungen in der Schweißkonstruktion“, erklärt Tobias Girresser, Mitarbeiter des Unternehmens. „Der dabei auftretende Verzug als Teil der Formänderungen stellt einen Qualitätsmangel dar, der in der Regel teure Nachbearbeiten nach sich zieht.“
Daher seien für jeden Schweißung aufwendige Abläufe – also die Schweißnahtfolge, das Einspannen des Bauteils, Abkühlungsbedingungen und dergleichen – zu beachten, die einen hohen Einfluss auf den Verzug haben. „Diese Einflüsse können wir mit der FEM-Methode simulieren und die entsprechenden Maßnahmen daraus ableiten.“

Gekoppelte Simulationen

Im Detail sieht das so aus: Im Vorfeld der Schweißung wird mit der Software Ansys die Schweißstruktursimulation auf der Grundlage der FEM durchgeführt. Das Ergebnis gibt den Unternehmen Hinweise, um Bauteile besser zu dimensionieren und den Schweißvorgang so zu organisieren, dass die Bauteilveränderung während des MIG-, MAG- und WIG-Prozesses minimiert wird.

„Mithilfe von gekoppelten Simulationen können wir die Einwirkung der hohen Temperaturen beim Schweißen auf die Konstruktion berücksichtigen“, erklärt Tobias Girresser. Dabei wird zunächst das von den Schweißparametern abhängige Temperaturfeld berechnet und nachfolgend als Randbedingung für die Verzugssimulation verwendet. Anstelle des Schweißlichtbogens wird eine Wärmequelle verwendet, die sich mit der Schweißgeschwindigkeit entlang des Schweißpfades bewegt. Dabei wird die Schweißnaht stückweise durch das Hinzufügen von Finiten Elementen erstellt.

Bewegte Wärmequelle in der Struktursimulation

„Vor der Berechnung des Verzugs passen wir iterativ den Wirkungsgrad und die Abmessungen der Wärmequelle mithilfe von Kalibrierversuchen an. Dafür werden in der Nähe der Schweißnaht während des Schweißvorgangs die Temperaturen mit Thermoelementen messtechnisch erfasst und dann mit den Simulationsergebnissen verglichen“, sagt Tobias Girresser. Bestehe eine ausreichende Übereinstimmung der Temperaturwerte, sei die Wärmequelle kalibriert. „Mit dieser Simulation können unsere Kunden ihre Schweißvorgänge besser planen und auf das jeweilige Bauteil abstimmen. Optimierte Fertigungszeiten, weniger teure Nacharbeiten und weniger Ausschuss sind die Folge und sorgen für mehr Effizienz“, resümiert Tobias Girresser.

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