Wärmequellen

Ersatzwärmequellen beim thermischen Fügen

Die Schweißstruktursimulation im Allgemeinen und Simufact Welding im Besonderen untersuchen den Einfluss von Wärmequellen und Spannvorrichtungen auf die Schweißbaugruppe.

Einer der wichtigsten Modellparameter ist die Abbildung der Wärmequelle. Beim thermischen Fügen wird die Wärmequelle gewöhnlich als sogenannte Ersatzwärmequelle modelliert, eine mathematische Beschreibung des volumetrischen Wärmestroms im Modell und des Flächenwärmestroms auf Randflächen von Werkstücken. Dieser Ansatz hat sich in den vergangenen 35 Jahren zur Berechnung von Schweißverzügen und Eigenspannungen etabliert.

Form und Wärmestromverteilung einer Wärmequelle sind nicht Ergebnis der Simulation, sondern Eingabeparameter, die kalibriert werden müssen, um optimale Ergebnisqualität zu erhalten. Bei guter Kalibrierung können Ersatzwärmequellen die Geometrie des Schmelzbades (Tiefe, Breite und Länge), die Geometrie der Wärmeeinflusszone, Positionen von Isothermenflächen und eine Reihe indirekter Effekte wie Materialfluss und Einfluss der Oberflächenqualität berücksichtigen.

Die geometrischen Parameter der Ersatzwärmequelle sowie auch die Intensitätsverteilung in der Wärmequelle selbst können aus Schliffbildern oder aus Temperaturmessungen (z.B. mit Temperaturfühlern oder Pyrometern) während des Prozesses abgeleitet werden. Alternativ lässt sich der resultierende Wärmestrom mit einer Prozesssimulation wie der in Simufact Welding berechnen.

Beispiel für Ersatzwärmequellen
Beispiel für Ersatzwärmequellen. Links: Schliffbild, Mitte: resultierende Tiefe und Breite der Ersatzwärmequelle, rechts: resultierendes Schmelzbad

Die Berechnung von Schweißverzügen über bewegte Wärmequellen basiert auf einer inkrementellen Verschiebung der Wärmequellposition. Die benötigte zeitliche Diskretisierung kann mithilfe der Schmelzbadlänge und der Schweißgeschwindigkeit bestimmt werden. Diese Methode berücksichtigt neben dem Einfluss des schrumpfenden Schmelzbades auch den Einfluss des plastisch aufgestauchten umliegenden Werkstoffs - wie er beispielsweise beim Flammrichten genutzt wird - auf die Verzüge. Bei sehr großen Modellen mit langen Schweißbahnen führt dieser Ansatz zu einer hohen benötigen Inkrementanzahl und damit zu sehr langen Berechnungszeiten. Hinzu kommen die hohen Anforderungen an die Netzfeinheit entlang des Schweißpfades.

Für solche Fälle bietet Simufact Welding eine Reihe von Vereinfachungen, angefangen bei der Vereinfachung der Wärmequelle, bis hin zur Vereinfachung des gesamten Modells. Hier finden Sie mehr Informationen über diesen skalierbaren Ansatz von Simufact.

Wärmequelle beim Widerstandspunktschweißen

Beim Widerstandspunktschweißen geschieht das Erhitzen durch die Joulesche Wärme, die sich aus Spannung, Stromfluss und Widerstandsparametern der beteiligten Werkstoffe und Flächen ergibt. Daher werden bei der Modellierung keine Ersatzwärmequellen benötigt. Stattdessen berechnet sich die erzeugte Wärme aus Material- und Prozesseigenschaften, und vom Anwender werden Angaben über den elektrischen Strom und die Elektrodenkraft erwartet.

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