Self-consistent modelling of arc, material transfer and seam structure in gas metal arc welding
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein gekoppeltes Modell zur Simulation eines MSG-Prozesses entwickelt und validiert. Dazu wurden Schweißversuche durchgeführt, bei denen die Schweißparameter Schweißgeschwindigkeit und Drahtvorschubgeschwindigkeit variiert wurden. Während der Prozesse wurden Schweißstrom und -spannung messtechnisch erfasst. Des Weiteren wurden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Vorgänge im Lichtbogen durchgeführt. Aus diesen Messdaten konnten Lichtbogenleistung sowie Geschwindigkeit und Frequenz der Metalltropfen ermittelt werden. Für die Entwicklung des gekoppelten Prozessmodells wurde zunächst eine CFD-Software auf Grundlage der Finite-Volumen-Methode entwickelt, welche die Anforderung an das Setzen komplexer Randbedingungen erfüllt. Des Weiteren wurde ein Simulationsprogramm zum Berechnen der Schmelzbadvorgänge mittel der SPH-Methode entwickelt. Dafür wurde, ebenso wie für die CFD-Software, die Programmiersprache C++ verwendet. Der rechenintensive Teil der SPH-Software wurde mit einer Erweiterung für die Parallelisierung mittels Compute Unified Device Architecture (CUDA) entwickelt. Somit war eine deutliche Steigerung der Berechnungsgeschwindigkeit und somit eine höhere mögliche Partikelanzahl geschaffen werden. Um die Berechnungen des Lichtbogens und des Schmelzbades parallel durchzuführen, wurde eine Kopplungssoftware entwickelt, welche den Austausch der Schnittgrößen und der Oberflächetopologie durchführt. Unter Verwendung experimentellen Daten wurde das gekoppelte Modell für den MSG-Prozess entwickelt. Dazu wurde zunächst ein MSG-Lichtbogenmodell entwickelt. Dieses Modell berücksichtigt das Entstehen von Metalldampf und stellt durch die Verwendung des P 1-Strahlungsmodells neben den Emissions- auch die Absorptionsvorgänge im Lichtbogen dar. Durch die Verwendung neuer Randbedingungen zu Fallgebietsmodellierung, wie die Verwendung eines elektrischen Widerstandes, konnte eine sehr gute Übereinstimmung der Lichtbogenleistung und der Schweißspannung im Vergleich zu den experimentellen Ergebnissen festgestellt werden. Des Weiteren wurde das Schmelzbadmodell mittels der SPH-Methode entwickelt. Dabei wird das Zusatzmaterial durch das Implementieren von Metalltropfen als Randbedingung in diesem Modell berücksichtig. Der Lichtbogen wird die Schnittgrößen der Wärmestromdichte, des Lichtbogendrucks und der Scherspannung berücksichtigt. Diese Schnittgrößen variieren im Laufe der Simulation durch die an das Lichtbogenmodell übergebene Oberflächentopologieänderung. Um das gekoppelte MSG-Prozessmodell zu validieren, wurde ein Vergleich der Schmelzbadgeometrie aus den Ergebnissen der Versuche und der Simulation durchgeführt. Dadurch konnten eine gute Übereinstimmung festgestellt werden. Bei einer Veränderung der Schweißgeschwindigkeit oder der Drahtvorschubgeschwindigkeit konnten, wie bei zeitgleicher Variation dieser Werte, die sehr guten Resultate bestätigt werden. Damit wurde bestätigt, dass das gekoppelte MSG-Prozessmodell gute Vorhersagen über einen breiten Schweißparamterbereich treffen kann, ohne modellinterne Parameter zu verändern.
Publications
-
"Gekoppeltes Modell zur numerischen Simulation des WIG-Schweißprozesses" Dissertation, Technische Universität Dresden, 2022
M. Trautmann
-
Development and validation of a GMAW arc model. Weigelt, Felix; Trautmann, Marcus; Ungethüm, Tim; Manzke, Sebastian; Schmale, Hans-Christian; Uwe IIW Intermediate Meeting 2023, Mündersbach, Germany
Weigelt, Felix; Trautmann, Marcus; Ungethüm, Tim; Manzke, Sebastian & Schmale, Hans-Christian
-
Numerical simulation of a coupled GMAW process model. Weigelt, Felix; Trautmann, Marcus; Ungethüm, Tim; Manzke, Sebastian; Schmale, Hans; Füssel, Uwe. IIW Annual Asssembly, 2023 Singapore, Singapore
Weigelt, Felix; Trautmann, Marcus; Ungethüm, Tim; Manzke, Sebastian; Schmale, Hans & Füssel, Uwe
-
Numerische Simulation eines gekoppelten MSG-Lichtbogen-Schmelzbad-Modells, Weigelt, Felix; Trautmann, Marcus; Ungethüm, Tim; Manzke, Sebastian; Schmale, Hans; Füssel, Uwe, DVS Congress, 2023, Essen, Germany
Weigelt, Felix; Trautmann, Marcus; Ungethüm, Tim; Manzke, Sebastian; Schmale, Hans & Füssel, Uwe
