Schweißforschung Neue Simulationsmethode entwickelt Schweißprozesse schneller

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Das Ergebnis von elektromagnetischen Simulationen und Validierungsversuchen von Forschern zeigt, dass man moderne Stahlwerkstoffe auch effizienter vorheizen kann, wenn man die Zusammenhänge kennt.

Das Technologie-Institut für Metall und Engineering (Time), hat sein Simulationsangebot rund um die moderne Schweißtechnik in einem aktuellen von EU und Land geförderten Projekt um die induktive Erwärmung erweitert. Dabei entstand auch eine äquivalente Wärmequelle, mit der Simulationen zukünftig schneller durchgeführt werden können, wie es weiter heißt. Die Vorteile zahlten sich für die Anwender buchstäblich aus. Nun zum Hintergrund dieser Arbeit.

Schweißpartner lieber ohne Flamme vorwärmen

Moderne Stahlwerkstoffe müssen vor dem Zusammenschweißen vorgewärmt werden, damit die Verbindung prozesssicher hält, so die Forscher. Andererseits müssten viele geschweißte Bauteile nach dem Fügen wärmebehandelt und gerichtet werden, weil sie sich verzogen haben. Wie sich gezeigt hat, hat die Erwärmung von Schweißbauteilen mittels Induktion im Vergleich zur üblichen Autogentechnik gewisse Vorteile. Die erklären sich aufgrund der schnelleren und örtlich begrenzten Erwärmung des Werkstücks sowie durch die flammenfreie Erwärmung, was risikoarme und sauberer ist. Auch offenbart sich die induktive Erwärmung als energiesparend.

Neue Simulationsmethode spart Aufwand und Geld

Um die induktive Wärmewirkung nun besser abschätzen und das Prozessverständnis erhöhen zu können, verwendet Time gekoppelte elektromagnetische und thermische Simulationen. Die Wechselwirkungen der elektrischen und magnetischen Felder entscheiden nämlich über die Ausbildung der Leistungsdichten und die daraus resultierenden Temperaturen im Werkstück. Mithilfe von äquivalenten Wärmequellen in Kombination mit Validierungsversuchen und Werkstoffsimulationen konnten die Experten aus Wissen den Berechnungsaufwand im Vergleich zu üblichen gekoppelten Simulationen auch noch deutlich beschleunigen. Wegen dieser Simulationsmethode könnten Schweißtechnikanwender nun teure Versuchsaufbauten reduzieren, dabei weniger Material verbrauchen und schneller zum Ziel kommen. Insgesamt werde der Aufwand transparenter und damit besser plan- und gestaltbar.

Erwärmungsprozess schon bei der Entwicklung kennen

In Folge der induktiven Verluste und der Wirbelstromverluste entstehen hohe Heizraten in den umgebenden Werkstückoberflächen. Bei der Simulation der induktiven Erwärmung darf der Einfluss elektrischer und magnetischer Felder unter Änderung der Temperatur deshalb nicht vernachlässigt werden, betonen die Wissener. Mithilfe äquivalenter Wärmequellen, welche die elektromagnetischen Werkstoff-Kennwerte berücksichtigten, könne aber mit der FEM-basierten Simulation der Erwärmungsprozess bereits in der Entwicklungsabteilung geplant und die entstehenden Temperaturen mit präzise genug prognostiziert werden. Das heißt, mit der Anwendung dieser Art von Simulationstechniken kann man die physikalischen Zusammenhänge der Induktionserwärmung veranschaulichen und praxisgerecht nachbilden.

So hat Time im Projektverlauf gearbeitet

Im Rahmen des Projekts „SindE“ (die Abkürzung steht für: Simulation des induktiven Erwärmens) wurden sowohl Erwärmungsversuche mit einem Induktionsheizgerät, welches von Technolit zur Verfügung gestellt wurde als auch viele Simulationen durchgeführt, heißt es. Diese umfassten sowohl Werkstoffsimulationen mit der Software „Jmatpro General Steels“ zur Ermittlung von temperaturabhängigen Werkstoffkennwerten als auch elektromagnetisch-thermisch gekoppelte Simulationen zur näherungsweisen Berechnung von Leistungsdichten, Temperaturfeldern und Wärmeströmen. Gestützt wurden die Simulationen durch die zeitabhängige Messung von elektrischen Prozessgrößen und Temperaturen in Erwärmungsversuchen.

Die Auswertung der elektromagnetischen Berechnungen zeigte richtungsabhängig charakteristische Formen der Leistungsdichte im Werkstück auf. Nimmt man an, dass die Leistungsdichte mit zunehmender Temperatur im Bauteil abnimmt, kann man den Wärmeeintrag in Abhängigkeit von elektromagnetischen Größen und der Temperatur nachmodellieren, was Time auch gemacht hat. Mit dem Einsatz äquivalenter Wärmequellen gelingt es schließlich, den Berechnungsaufwand zur Berücksichtigung der Einflussgrößen, wie etwa der Geometrie des Induktors oder Werkstoff des magnetischen Feldverstärkers, drastisch zu reduzieren.

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