Simulationsunterstützte Ermittlung der Wirkung von Schweißbadströmungen auf die präzise Bildung der MSG-Schweißnaht

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Der Schweißprozess beeinflusst die Präzision von Bauteilen maßgeblich, indem die Schweißnaht lokal die Bauteilgeometrie verändert und durch eine erhebliche Wärmewirkung eine Werkstoffstrukturänderung verursacht, somit auch die Ausbildung von Eigenspannungen und den Verzug des Gesamtbauteils. Für eine Vorhersage der Bauteilbeeinflussung durch den Schweißprozess mithilfe einer geeigneten Simulation, in der eine Steuerung mit entsprechenden Prozessparametern zur Erzeugung präziser Bauteile impliziert ist, fehlt noch die notwendige Modellgenauigkeit und -konsistenz. Das liegt darin begründet, dass zahlreiche physikalische Effekte bislang oft in Form von spezialisierten Ersatzmodellen abgebildet werden, die nur in einem vordefinierten Teilbereich Gültigkeit haben. Dadurch erschwert die Verwendung von Ersatzmodellen eine Kopplung zu einem Gesamtmodell. Für die Prozesse des Lichtbogenschweißens gilt, dass sowohl die Schmelz- als auch die Erstarrungsbereiche sehr stark von der Lichtbogen-, Elektrodentropfen- und der Schweißbaddynamik beeinflusst werden. Besonders die Randbedingungen der Schweißbaddynamik wurden bisher nur verallgemeinert abgebildet. Daher spielt eine genauere Abbildung der Schweißbaddynamik und der Strömungsstruktur der Schmelze im Schweißbad eine entscheidende Rolle, um den Schweißprozess mit hoher Genauigkeit zu simulieren.

Das Ziel des Teilprojektes ist daher die simulationsunterstützte Vorhersage der Bildung der Schweißnähte beim Lichtbogenschweißen (MIG/MAG) und deren Wirkung auf die Bauteilgeometrie. Gegenüber dem Stand der Technik wird dabei erstmals ein selbstkonsistentes Modell entwickelt, das den gesamten Schweißprozessbereich umfasst und alle relevanten physikalischen Phänomene anstelle von bislang genutzten Ersatzmodellen und Annäherungen berücksichtigt. Ein zentraler Schwerpunkt der Forschung ist es, durch ein verbessertes Verständnis der Zusammenhänge und Wirkungsgewichtung der einzelnen Phänomene in der geschmolzenen Zone ein gekoppeltes Modell zu entwickeln. Mithilfe des Modells soll eine gezielte Steuerung des Prozesses ermöglicht werden, damit präzisere Schweißverbindungen realisiert werden können.

Bei der Entwicklung des gekoppelten Modells und der Berechnung der Schweißnahtgeometrie werden insbesondere folgende Phänomene berücksichtigt:

  • die Wechselwirkungen der Lichtbogenphänomene und der Verdampfung des Metalls an den Grenzschichten,

  • der Wärme- und Massentransfer, sowohl durch Elektrodentropfen als auch durch Strömungen im Schweißbad,

  • der Phasenübergang sowohl beim Aufschmelzen als auch beim Erstarren

Mit dem in Phase 1 entwickelten, gekoppelten Modell konnte bereits eine gute Vorhersage der Schweißnahtbildung erreicht werden. In Phase 2 wurde ein Modell für die Anbindung von Lichtbogen und Schmelzbad entwickelt (EDACC – evaporation-determined arc-cathode coupling), welches zum ersten Mal erlaubte, in der Simulation realistische Schmelzbadoberflächentemperaturen zu erhalten. Diese hat maßgebliche Bedeutung für die Verteilung der schmelztreibenden elektromagnetischen Kräfte und die daraus resultierenden Strömungen.

Während die Phänomene am freien Drahtende näherungsweise eine Axialsymmetrie aufweisen, führten die Erkenntnisse aus dem EDACC Modell zu dem Schluss, dass die Mechanismen der Kopplung zwischen Lichtbogen und Schmelzbad gängigen Symmetrieannahmen (d.h. Annahme einer Axialsymmetrie entlang der durch den Draht definierten Achse) nicht gehorchen, da sie sowohl von den thermischen und geometrischen Verhältnissen auf der Lichtbogenseite als auch auf der Schmelzbadseite abhängen. Damit wird deutlich, dass die Kopplung des Lichtbogens an die Kathode und damit auch die Entfaltung der elektromagnetischen Kräfte sowohl von der Stoßgeometrie als auch der Brennerposition abhängt. Darauf aufbauend wird in der dritten Phase eine 3D-Simulation von Lichtbogen, Elektrode und Schmelzbad mittels der Dünnschichtoption in Comsol Multiphysics unternommen, und mit einem effizienten Strömungslöser für die Schmelzbadberechnung (Smoothed Particle Hydrodynamics – SPH) gekoppelt.

 
 

Lichtbogenanbindung nach dem EDACC-Prinzip in einem rotationssymmetrischen 2D-Modell auf einem vordefinierten, sich bewegenden Temperaturprofil am Werkstück. Der Lichtbogenansatzpunkt ist eindeutig zu identifizieren. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Ogino von der Osaka University, Graduate School for Engineering, durchgeführt (unveröffentlicht).

 
 

Lichtbogenanbindung nach dem EDACC-Prinzip in einem rotationssymmetrischen 2D-Modell mit EDACC-Erwärmung des Werkstücks mit flacher Oberfläche. Der Lichtbogenansatzpunkt ist identifizierbar, aber die numerische Lösung weist eine Instabilität auf, die zu einem "Flackereffekt" führt. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Ogino von der Osaka University, Graduate School for Engineering, durchgeführt (unveröffentlicht).

 
 

Lichtbogenanbindung nach dem EDACC-Prinzip in einem rotationssymmetrischen 2D-Modell mit EDACC-Erwärmung des Werkstücks mit Tropfenablösung und freier Oberfläche. Der Lichtbogenansatzpunkt ist identifizierbar, aber numerische Instabilitäten sind immer noch vorhanden. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Ogino von der Osaka University, Graduate School for Engineering, durchgeführt (unveröffentlicht).

 
 

Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen des Lichtbogenansatzpunkts am Schweißbad bei einem Prozess mit Argon-Schutzgas. Es sind weder Kathodenflecken noch Sieden zu beobachten, was bedeutet, dass die Oberflächentemperatur der Kathode unterhalb des Siedepunks sein muss:

 
  Abb. 1: Die Anwendung des EDACC-Modells führt zu realistischen Spannungsabfällen von ~30 V über dem Schweißlichtbogen. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Ogino von der Osaka University, Graduate School for Engineering, durchgeführt (unveröffe Urheberrecht: © SFB 1120

Abb. 1: Die Anwendung des EDACC-Modells führt zu realistischen Spannungsabfällen von ~30 V über dem Schweißlichtbogen. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Ogino von der Osaka University, Graduate School for Engineering, durchgeführt (unveröffentlicht).

 
  Links: Mit einem Zweifarben-Pyrometer gemessene Schweißbadoberflächentemperatur. Es ist zu erkennen, dass die Temperatur 2400 K nicht überschreitet. Rechts: die mit dem EDACC-Modell simulierte Schweißbadtemperatur, wobei die Brennerposition und -bewegun Urheberrecht: © SFB 1120

Abb.2: Links: Mit einem Zweifarben-Pyrometer gemessene Schweißbadoberflächentemperatur. Es ist zu erkennen, dass die Temperatur 2400 K nicht überschreitet. Rechts: die mit dem EDACC-Modell simulierte Schweißbadtemperatur, wobei die Brennerposition und -bewegung durch einen Pfeil angezeigt werden. Die durchgeführte Validierung zeigte, dass der Gesamtstrom innerhalb von ~10% mit dem Experiment übereinstimmt. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Uhrlandt vom INP Greifswald durchgeführt (eingereicht im Journal of Physics D am 3.9.2021)

 
  Stromdichteverteilung nach dem EDACC-Modell. Es ist zu erkennen, dass die Stromdichte entlang der Schmelzfront des Schweißbades konzentriert ist. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Uhrlandt vom INP Greifswald durchgeführt Urheberrecht: © SFB 1120

Abb.3: Stromdichteverteilung nach dem EDACC-Modell. Es ist zu erkennen, dass die Stromdichte entlang der Schmelzfront des Schweißbades konzentriert ist. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Uhrlandt vom INP Greifswald durchgeführt (eingereicht im Journal of Physics D am 3.9.2021)

 
  Abb. 4: Erster Test zur stationären Berechnung der Temperaturverteilung von Lichtbogen und Werkstück mit Comsol Multiphysics unter Berücksichtigung des EDACC-Modells, ohne Berücksichtigung von Metalldampf und Schmelzbadströmungen. Urheberrecht: © SFB 1120 Abb. 4: Erster Test zur stationären Berechnung der Temperaturverteilung von Lichtbogen und Werkstück mit Comsol Multiphysics unter Berücksichtigung des EDACC-Modells, ohne Berücksichtigung von Metalldampf und Schmelzbadströmungen.
 
 

Im Rahmen eines SFB Begleitprojektes wurde die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode auf die Anwendbarkeit auf die Strömungssimulation beim MSG-Schweißen untersucht. Dabei wurde ein erster Demonstrator entwickelt, jedoch derzeit noch ohne Berücksichtigung der elektromagnetischen Kräfte sowie des Lichtbogens. Ansicht von der Seite.

 
 

Im Rahmen eines SFB Begleitprojektes wurde die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode auf die Anwendbarkeit auf die Strömungssimulation beim MSG-Schweißen untersucht. Dabei wurde ein erster Demonstrator entwickelt, jedoch derzeit noch ohne Berücksichtigung der elektromagnetischen Kräfte sowie des Lichtbogens. Ansicht von oben.