Vorsicht!

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Die Schweißtechnik ist und bleibt die Verbindungstechnik Nr. 1 für Metalle. Doch Vorsicht: Durch das heiße Verfahren kommt es im Bauteil unweigerlich zu Wärmeeintrag, der zu Materialveränderung und Bauteilverzug führt.

02. Oktober 2018
Der Vergleich zwischen Simulation und Schweißversuch zeigt, wie genau die Simulation die Realität abbildet: Mithilfe der Simulation können qualitative Aussagen zur Ausprägung des Bauteilverzugs getroffen werden. Bild: Time
Bild 1: Vorsicht! (Der Vergleich zwischen Simulation und Schweißversuch zeigt, wie genau die Simulation die Realität abbildet: Mithilfe der Simulation können qualitative Aussagen zur Ausprägung des Bauteilverzugs getroffen werden. Bild: Time)

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. Der dadurch auftretende Verzug als Teil der Formänderungen stellt einen Qualitätsmangel dar, der in der Regel teures Nachbearbeiten nach sich zieht. Daher seien für jede Schweißung aufwendige Abläufe – also die Schweißnahtfolge, das Einspannen des Bauteils, Abkühlungsbedingungen und so weiter zu beachten, die einen hohen Einfluss auf den Verzug haben. »Diese Einflüsse können wir mit der FEM-Methode simulieren und daraus entsprechenden Maßnahmen ableiten«, betont Time-Mitarbeiter Tobias Girresser.

Im Detail sieht das so aus: Um den Verzug im Vorfeld der Schweißung abschätzen und günstig beeinflussen zu können, setzt Time mit ›Ansys‹ jetzt eine Schweißstruktursimulation auf FEM-Basis ein und bietet damit eine vorbeugende Unterstützung, um Bauteile besser zu dimensionieren und den Schweißvorgang so zu organisieren, dass die Bauteilveränderung während des MIG-, MAG- oder WIG-Prozesses minimiert wird.

»Mit Hilfe gekoppelter Simulationen können wir beim Schweißen die Einwirkung der hohen Temperaturen 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 Finiter Elemente erstellt.

»Vor der Berechnung des Verzugs passen wir iterativ den Wirkungsgrad und die Abmessungen der Wärmequelle durch Kalibrierversuche an. Dafür werden in der Nähe der Schweißnaht während des Schweißvorgangs die Temperaturen mit Thermoelementen messtechnisch erfasst und dann mit den Simulationsergebnissen verglichen«, so Girresser. Bestehe eine ausreichende Übereinstimmung der Temperaturen, sei die Wärmequelle kalibriert. »Mit der Simulation kann man im Vorfeld Schweißvorgänge besser planen und auf das Bauteil abstimmen. Optimale Fertigungszeiten, weniger Nacharbeiten und weniger Ausschuss sind unter dem Strich die Folge und sorgen für mehr Effizienz«, fasst Girresser zusammen.

Erschienen in Ausgabe: 06/2018