Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME)

Vorteile durch Simulation des Bauteilverzugs beim Schweißen

| Redakteur: Peter Königsreuther

Das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) untersucht den Bauteilverzug beim Schweißen. Ein Vergleich zwischen Simulation und Schweißversuch zeigt, wie genau die Simulation bereits die Realität abbildet. Hier die Simulation...
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Das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) untersucht den Bauteilverzug beim Schweißen. Ein Vergleich zwischen Simulation und Schweißversuch zeigt, wie genau die Simulation bereits die Realität abbildet. Hier die Simulation... (Bild: TIME)

Die Schweißtechnik ist und bleibt im Metallbereich die Verbindungstechnik Nr. 1, sagt TIME. Doch Vorsicht sei geboten, denn durch das „heiße“ Verfahren drohen Qualitätseinbußen durch Verzug. Diesen können die TIME-Experten jetzt aber praxisgerecht simulieren und so vorhersagen.

„Beim Verschweißen von Bauteilen entstehen als Folge der örtlich begrenzten Aufwärm- und Abkühlphasen elastisch-plastische Veränderungen des Werkstoffgefüges und des Bauteilvolumens. Beides führt zu Eigenspannungen und Formänderungen in der Schweißkonstruktion“, erklärt TIME-Mitarbeiter Tobias Girresser. Der dabei auftretende Verzug als Teil der Formänderungen stellt einen Qualitätsmangel dar, der laut Girresser in der Regel teure Nachbearbeiten nach sich zieht. Deshalb seien für jeden Schweißung aufwändige Abläufe - also die Schweissnahtfolge, das Einspannen des Bauteils, Abkühlungsbedingungen und vieles mehr im Auge zu behalten, die einen hohen Einfluss auf den Verzug ausübten.

Hilfreiche Verzugsprognose passt für alle gängigen Schweißverfahren

Diese Einflüsse kann man mit der FEM-Methode simulieren und die entsprechenden Maßnahmen daraus ableiten, wie Girresser anmerkt. Im Detail sieht das dann so aus: Um den Verzug im Vorfeld des Schweißens abschätzen und günstig beeinflussen zu können, setzt TIME mit der Software ANSYS jetzt die Schweißstruktursimulation auf Grundlage der FEM (Finite Elemente Methode) ein, heißt es. Damit biete man Unternehmen eine Chance zur vorbeugenden Unterstützung, mit der sie ihre Bauteile besser dimensionieren könnten und den Schweißvorgang so zu organisieren in der Lage seien, dass die Bauteilveränderung während des MIG-, MAG- und WIG-Prozesses minimiert werde.

Virtuelle Schweißnahterzeugung per FEM

„Mithilfe von gekoppelten Simulationen können wir die Einwirkung der hohen Temperaturen beim Schweißen auf die Konstruktion berücksichtigen“, präzisiert Girresser. Dabei werde zunächst das von den Schweißparametern abhängige Temperaturfeld berechnet und nachfolgend als Randbedingung für die Verzugssimulation gesetzt. Anstelle des Schweißlichtbogens wird, wie es weiter heißt, eine Wärmequelle verwendet, die sich mit der Schweißgeschwindigkeit entlang des Schweißpfades bewegt. Dabei wird die Schweißnaht stückweise durch das Hinzufügen von Finiten Elementen erstellt, erklärt Girresser.

Schweißvorgänge aufs Bauteil bezogen genauer planen

„Vor der Berechnung des Verzugs passen wir iterativ den Wirkungsgrad und die Abmessungen der Wärmequelle mithilfe von Kalibrierversuchen an“, so Girresser. Dafür werden in der Nähe der Schweißnaht während des Schweißvorgangs die Temperaturen mit Thermoelementen messtechnisch erfasst und dann mit den Simulationsergebnissen verglichen, beschreibt der Experte. Bestehe eine ausreichende Übereinstimmung der Temperaturwerte, sei die Wärmequelle kalibriert.

„Mit dieser Simulation können unsere Kunden im Vorfeld ihre Schweißvorgänge besser planen und auf das jeweilige Bauteil abstimmen“, folgert Girresser. Optimierte Fertigungszeiten, weniger teure Nacharbeiten und weniger Ausschuss seien unter dem Strich die Folge und sorgten für mehr Effizienz bei Schweißen.

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