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 kann bereits eine Vorhersage der Geometrie einer Schweißnaht getroffen werden. Die transiente Beschreibung des Lichtbogenbereichs, der Verdampfung und der Schmelze bei zeitlicher Modulation des elektrischen Stromes, die beim MSG-Impulslichtbogenschweißen eine bedeutende Rolle spielt, und im Kurzschluss wird im Fokus der zweiten Projektphase stehen. Die dritte Phase dient der präziseren Abbildung der Schmelz- und Erstarrungsmodelle unter Verwendung der Modellerkenntnisse aus anderen Projekten. Hierbei ist vorgesehen, die Prozesse der Strömungen, Erstarrung und Segregation in einem Gesamtmodell zusammenzufügen. Dadurch kann nicht nur die Geometrie sondern auch die chemische Zusammensetzung und die metallurgischen und mechanische Eigenschaften der Schweißnähte präzise berechnet werden.

 

Simulation der Schweißnaht

Ergebnis der Simulation der Schweißnaht in Vollansicht Urheberrecht: SFB 1120

Ergebnis der Simulation der Schweißnaht in Vollansicht. Man erkennt die Wirkung der freien Schmelzbadoberfläche, sowie das Temperaturfeld farblich markiert. Die Grenze zwischen gelb und rosa markiert den Übergang fest flüssig.

 
 

Ergebnis der Simulation der Schweißnaht im Querschnitt

Ergebnis der Simulation der Schweißnaht im Querschnitt Urheberrecht: SFB 1120

Ergebnis der Simulation der Schweißnaht im Querschnitt. Man erkennt die Wirkung der freien Schmelzbadoberfläche, sowie das Temperaturfeld farblich markiert. Die Grenze zwischen gelb und rosa markiert den Übergang fest flüssig. Außerdem sind die Vektoren der hydrodynamischen Strömungen eingezeichnet. Unter dem Zentrum, wo die Tropfen auftreffen, sind die Wirbel am stärksten.

 
 

Das simulierte Schmelzbad für das MSG-Schweißen

Das simulierte Schmelzbad für das MSG-Schweißen Urheberrecht: SFB 1120

Das simulierte Schmelzbad für das MSG-Schweißen. Die Vektoren der hydrodynamischen Strömungen sind eingezeichnet. Direkt unter dem Bereich der Tropfeneinbringung sind die hydrodynamischen Wirbel am stärksten, jedoch reicht das Strömungsfeld in den gesamten schmelzflüssigen Bereich hinein.

 
 

Temperaturfeld unter Berücksichtigung von freier Oberfläche und MHD-Effektenten

Man erkennt hier das Temperaturfeld unter Berücksichtigung von freier Oberfläche und MHD-Effekten und die Verteilung der eingebrachten Wärmestromdichte unter Berücksichtigung von Verdampfung. Die Verdampfung vermindert die Wahrscheinlichkeit für das Ansetzen des elementaren Kathodenflecks und beeinflusst somit die Verteilung der Stromdichte und der Wärmestromdichte. Die eingebrachte Wärmestromdichte ist somit gekoppelt an das Temperaturfeld, welches sie wiederum selbst verursacht.

 
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Video 1: Temperaturfeld unter Berücksichtigung von freier Oberfläche und MHD-Effektenten
 
 

Simulation der Tropfenwirkung

Man erkennt, wie durch den Einfluss der Tropfenwirkung, die eingebrachte Wärme tiefer in den Grundwerkstoff gebracht wird, was zu einer größeren Ausdehnung des Schmelzbads und somit zu einem tieferen Einbrand führt.

 
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Video 2: dwp droplet.
 
 
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Video 3: CathodeSpot
 
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Video 4: Probability
 
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Video 5: HeatFlux
 
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Video 6: HeatFlux 3d
 
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Video 7: CurrentDensity
 
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Video 8: Temperature