Wärmeverzug beim Schweißen simulieren

Für kleine und mittelständische Betriebe bietet das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) Messungen von Temperaturverläufen sowie die Simulation von Temperaturfeldern mittels FEM-Simulation an. So lässt sich der Wärmeeintrag im Bauteil während der Produktion für weitere Prozessschritte analysieren.

14. Dezember 2017
Mit dem berechneten Temperaturfeld eines Schweißvorgangs lässt sich erkennen, wie sich die im Schweißbereich eingebrachte Wärme im gesamten Werkstück verteilt. (Bild: Time)
Bild 1: Wärmeverzug beim Schweißen simulieren (Mit dem berechneten Temperaturfeld eines Schweißvorgangs lässt sich erkennen, wie sich die im Schweißbereich eingebrachte Wärme im gesamten Werkstück verteilt. (Bild: Time))

Beim Backen ist es nicht nur wichtig zu wissen, welche Temperatur im Ofeninneren herrscht, sondern auch, wie heiß Griff ist. Für wärmeerzeugende Verfahren wie die Schweißtechnik bedeutet das: Wie erwärmen sich während der Fertigung und dem späteren Einsatz Materialien und Bauteile? An welcher Stelle treten welche Temperaturen auf? Welche Spannungen und Veränderungen ergeben sich dadurch??

Berechenbarer Verzug im Bauteil

Beim Schweißen ist ein Temperaturfeld für Verzug und Eigenspannungen in den Bauteilen verantwortlich. Mit dem Einsatz der Finite-Elemente-Methode lässt sich das Temperaturfeld berechnen und mit Temperaturmessung validieren. „Diese Temperaturfeld-Berechnung ist eine Voraussetzung zur Berechnung von Verzug und Spannungen“, erklärt Berechnungsingenieur Matthias Baszczok.

Time bietet KMUs sowohl die Messung diskreter Temperaturverläufe an, als auch die Berechnung mittels FEM. Für die Simulation werden Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung berücksichtigt. Ebenfalls möglich ist die Berechnung von Temperaturfeldern, die bedingt durch den elektrischen Widerstand bei Stromzufuhr entstehen. „Dazu verwenden wir gekoppelte thermisch-elektrische Simulationen“, sagt der Time-Experte.

Der Datenabgleich erfolgt in Form von Temperaturmessungen mit Temperaturmessfühlern und -messstiften oder auch über die Beurteilung von Anlauffarben. Time-Mitarbeiter Tobias Girresser erklärt: „Mit speziellem Messwerkzeug können beim Widerstandsschweißen auch der Strom- und Spannungsverlauf über der Zeit aufgenommen und als Eingabeparameter für die folgenden Simulationen genutzt werden.“

Temperaturmessungen in der Praxis

Mobile Temperaturmessfühler können direkt mit den Messorten kontaktiert werden. Dauerhafte oder über einen längeren Zeitraum messende Fühler lassen sich über Punktschweißverbindungen auf die Proben aufbringen. Mit Temperaturmessstiften lässt sich überprüfen, ob eine definierte Temperatur erreicht wird.

Wärmeeintrag beim Schweißen simulieren

Als Beispiel für die Wärmeeinwirkung nennt Tobias Girresser die Vorgänge beim Wolfram-Inertgas-Schweißen: „Durch eine Simulation können wir die Temperaturfelder genau berechnen. Ein Abgleich erfolgt dann über die Messung der Temperaturen mittels Thermoelementen, die entlang der Schweißnaht aufgepunktet werden.“ Zusätzlich erstellte Schliffbilder des Schweißnahtquerschnitts machen die Ausprägung der Wärmeeinflusszone sichtbar.

„So ist ein genauer Vergleich zwischen Simulation und Praxis möglich“, sagt Tobias Girresser. Ziel dieses Abgleichs ist es, für ähnliche Schweißverbindungen den Verzug vorhersagen zu können und eine optimale Schweißstrategie vorzugeben.