Simufact Welding Anwendungsmodule

Simufact Welding enthält anwendungsspezifische Module, um den Anwender bestmöglich beim Modellaufbau zu unterstützen.

Der Simufact Welding Hub stellt die Basisfunktionalitäten für das thermische Fügen bereit, sowie zentrale Programmfunktionen, die von allen Anwendungsmodulen benötigt werden. Er enthält eine Materialdatenbank mit Möglichkeiten zum Editieren der Werkstoffdaten, Simufact Material.

Mit den im Welding Hub enthaltenen Funktionen können Thermische Fügeverfahren abgebildet werden, strukturiert in die Anwendungsmodule Lichtbogen-, Laserstrahl- und Elektronenstrahlschweißen sowie Löten. Diese werden ergänzt durch das Modul Widerstandspunktschweißen, Laserauftragschweißen, Spannungsarmglühen sowie die Abkühlen und Umspannen Funktionalität, mit der Spannkonzepte und Abkühlbedingungen vor oder nach dem Schweißprozess variiert werden können.

Anwendungsmodule für thermisches Fügen

Simufact Welding enthält 4 Module für thermisches Fügen:

  • Lichtbogenschweißen
  • Laserstrahlschweißen
  • Elektronenstrahlschweißen
  • Löten

Alle thermischen Fügemodule sind integraler Bestandteil des Welding Hubs.

 

Allgemein verwendet eine thermische Fügesimulation folgende Daten:

    • Geometrie der Werkstücke, repräsentiert durch ein Volumennetz
    • Materialdaten für die Werkstücke
    • Geometrie der Werkzeuge (Spannvorrichtungen, Schweißtische, Zangen)
    • Mindestens ein Schweißroboter mit Informationen über
      • Schweißpfad (zeitabhängige Position der Wärmequellen, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit)
      • Schweißparameter (mathematische Repräsentation der Wärmequellen für das Schweißen, einschließlich optionaler Informationen über die echten Prozesseinstellungen)
      • Ggf. Nahtgeometrie und -material
    • Beschreibung der thermischen Anfangs- und Randbedingungen
      • Anfangstemperatur und Umgebungstemperatur
      • Wärmeübergang durch Konvektion, Wärmestrahlung und Kontakt
    • Informationen über die Spannwerkzeuge
      • Aufgebrachte Kräfte
      • Steifigkeit der Werkzeuge
      • Ggf. Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit
    • Informationen über Tische (Lagerungen) und Vorrichtungen
    • Zeitlicher Ablauf des Prozesses
      • Pausen zwischen den einzelnen Schweißungen
      • Deaktivierungszeitpunkt von Werkzeugen
      • Abkühlphase

Lichtbogenschweißen Modul (Konventionell)

Mit dem Modul Lichtbogenschweißen werden übliche Lichtbogenschweißprozesse numerisch abgebildet. Die standardmäßig eingestellte Wärmequelle ist ein Goldak-Doppelellipsoid.

Optional kann der Anwender Geometrie und Material der Schweißnaht definieren, dabei lässt sich in vielen Fällen die Geometrie von Kehlnähten mit dem integrierten Schweißnaht Generator erzeugen. Das Nahtmaterial hat vor dem Erhitzen keine relevante Steifigkeit, die Naht folgt einfach dem Basismaterial, wenn dieses Biegung oder Verzug erfährt. Nach dem Erhitzen bekommt das Nahtmaterial dann echte Materialeigenschaften, und seine Steifigkeit erhöht sich beim Abkühlen.

Die Verbindung zwischen den Werkstücken wird durch Haftkontakt (feste Verbindung zwischen den Netzen) realisiert, welcher sich lokal aktiviert, wenn die Schmelztemperatur an dieser Stelle erreicht ist.

Simulation eines Querlenkers
Simulation eines Querlenkers

Laser- / Elektronenstrahlschweißen Module

Die Module für das Laser- und Elektronenstrahlschweißen sind eng verwandt. Beide verwenden per Voreinstellung eine übliche Strahlwärmequelle, entweder volumetrisch konisch oder als Kreisfläche modelliert. Diese zwei Modelle können auch zu einer Wärmequelle kombiniert werden.

Ähnlich wie beim Lichtbogenschweißen können auch beim Laserstrahlschweißen Geometrie und Material der Schweißnaht definiert werden. In vielen Fällen lässt sich die Nahtgeometrie mit dem integrierten Schweißnaht Generator erzeugen. Das Nahtmaterial hat vor dem Erhitzen keine relevante Steifigkeit, die Naht folgt einfach dem Basismaterial, wenn dieses Biegung oder Verzug erfährt. Nach dem Erhitzen bekommt das Nahtmaterial dann echte Materialeigenschaften, und seine Steifigkeit erhöht sich beim Abkühlen.

Beim Elektronenstrahlschweißen ist dagegen keine Definition der Nahtgeometrie möglich. Hier kann der Anwender jedoch die Öffnungszeit der Vakuumkammer definieren. Der konvektive Wärmeübergang, der direkt beim Schweißen gleich Null ist, kann für die Abkühlphase auf einen passenden Wert gesetzt werden.

App: Laserschweißen eines Karosserie-Seitenrahmens
Laserschweißen eines Karosserie-Seitenrahmens

Löten Modul

Für die Lötsimulation steht das Modul Löten zur Verfügung. Der Hauptunterschied zwischen Löt- und Schweißsimulation besteht darin, dass im Modul Löten die Wärme nur in das Lot eingebracht werden kann. Zudem ist es das einzige Simulationsmodul, bei dem für jeden Schweißpfad Nahtgeometrien vorhanden sein müssen. Lötsimulationen können wahlweise mit konventionellen oder Strahlwärmequellen, oder mit einer Kombination von beiden definiert werden.

Eigenspannungsfelder während der Berechnung einer Blindnaht im hybriden Laser-Plasma-Lötprozess: Bevor (links) und nach (mittig) dem Ausspannen und nach dem Schneiden (rechts, Schnittkante vorne im Bild),

Kombiniertes Laser- und Lichtbogenschweißen

Für die Wärmequellen beim Lichtbogen- und Strahlschweißen gibt es passende Voreinstellungen, aber natürlich können auch konventionelle Wärmequellen für die Simulation des Strahlschweißen definiert werden und umgekehrt. Dies ermöglicht die Definition hybrider Prozesse, in denen beide Arten von Wärmequellen, konventionell und Strahl, vorkommen.

Direct Energy Deposition (DED) – Modul für das Laserauftragsschweißen

Mit dem DED-Modul ab Version 2020 lassen sich robuste DED-Modelle schnell und effizient aufsetzen, um damit Spannungen, Dehnungen, Verzüge, Temperaturverläufe und Hotspots während der Herstellung und Nachbehandlung ermitteln.

Für das Aufsetzen eines DED-Modells wird ein G-Code benötigt. Dies ist eine gängige Roboter-Programmiersprache, die u. a. Informationen zu den Schweißpfaden und -geschwindigkeiten bereithält, Simufact Welding 2020 kann diese Informationen einlesen und der Anwender muss diese nicht mehr manuell erstellen.

Video und Bild - Mit freundlicher Genehmigung des Fraunhofer IPK: Simulation der Turbinenkontur - Verformung

Bild: Direct Energy Deposition (DED) – Neues Modul für Simufact Welding
Direct Energy Deposition (DED) – Neues Modul für Simufact Welding

Spannungsarmglühen Modul für die Wärmebehandlung

Product portfolio Simufact Welding -Stress Relief

Das Modul Spannungsarmglühen bildet das Spannungsarmglühen ab. Hier können zeitabhängige Temperaturkurven für Erwärmung, Haltezeit und Abkühlphase mit individuellem konvektivem Wärmeübergang zur Umgebung definiert werden; die Ergebnisse der Schweißsimulation werden mithilfe der Prestate-Funktionalität auf die bereits geschweißten Werkstücke aufgebracht.

Bei der Modellierung des Spannungsarmglühens werden zwei Effekte berücksichtigt:

  • Spannungsabbau durch die reduzierte Fließspannung des Materials beim Erwärmen
  • Zeitabhängige Kriecheigenschaften des Materials

 

Beispiel für Spannungs-Dehnungs-Kurven, in Bezug auf die Maximaltemperatur definiert
Beispiel für Spannungs-Dehnungs-Kurven, in Bezug auf die Maximaltemperatur definiert

Widerstandspunktschweißen Modul

Product portfolio Simufact Welding - Resistance Spot Welding

Während bei den transienten Schmelzschweißverfahren die Wärme entlang eines Schweißpfades eingebracht wird, erfolgt beim Widerstandspunktschweißen der Wärmeeintrag punktförmig mithilfe einer Schweißzange, welche die beiden Werkstücke zusammendrückt und in der Kontaktzone erhitzt. Das Aufschmelzen des Werkstoffes geschieht infolge der durch den fließenden Strom freigesetzten Jouleschen Wärme.

Zur Modellierung des Widerstandspunktschweißens bietet Simufact Welding die folgenden Funktionalitäten:

  • Definition der Referenzpunkte und Orientierungen im globalen Koordinatensystem und Definition von Pausenzeiten
  • Optional automatische Definition der Elektrodenausrichtung
  • Elektrisch-thermisch-metallurgisch-mechanische gekoppelte Berechnung
  • Bay-Wanheim-Formel zur automatischen Berechnung der Kontaktwiderstände
  • Wärmeübergang zwischen Werkstücken und Elektroden wird druckabhängig ermittelt
  • Definition der Zangenkinematik in lokalen Koordinatensystemen. Die Umrechnung ins globale Koordinatensystem erfolgt automatisch.
  • Adaptive lokale Netzverfeinerung und -vergröberung zwischen den Elektroden
  • Implementierung einer Elektrodendatenbank
  • Definition der Zangenkraft und des Schweißstroms in Abhängigkeit von der Zeit
  • Automatische Unterteilung in 6 Prozessschritte während der Berechnung

Kopplung in der Simulation des Widerstandspunktschweißens

Kopplungen in der Simulation des Widerstandspunktschweißens
Kopplungen in der Simulation des Widerstandspunktschweißens

Die Elektrodendatenbank enthält eine Reihe von Standard-Elektrodengeometrien; der Anwender kann auch eigene Geometrien definieren. Die Schweißzangenkinematik kann als C- oder X-Zangentyp modelliert werden.

Der Standardansatz besteht aus Prozessschritten mit voller Kopplung elektrischer, thermischer, metallurgischer und mechanischer Berechnung. Der Wärmeeintrag wird aus der durch den fließenden Strom und den Widerstand zwischen den Werkstücken entstehenden Jouleschen Wärme berechnet.

Bei den infrage kommenden Materialien sind auch die elektrischen Materialeigenschaften enthalten. Außerdem muss die Kontaktleitfähigkeit zwischen Elektroden und Werkstücken definiert werden – als konstanter Wert, temperaturabhängige Tabelle oder durch automatische Berechnung.

Das Bild zeigt einen Widerstandspunktschweißprozess mit Spannvorrichtungen.
Das Bild zeigt einen Widerstandspunktschweißprozess mit Spannvorrichtungen.
Das Bild zeigt einen Widerstandspunktschweißprozess: Ein Radkasten wird durch 5 Schweißpunkte zusammengefügt.
Das Bild zeigt einen Widerstandspunktschweißprozess: Ein Radkasten wird durch 5 Schweißpunkte zusammengefügt.

Diese Videos zeigen Spannungsverteilung (von Mises Vergleichsspannung) und Verzug beim Widerstandspunktschweißen eines Radhauses.

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