Eigenschaftsverbesserung von Plasma-MIG-auftraggeschweißten Bauteilen durch Prozesssimulation und -optimierung
Spanende und abtragende Fertigungstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ausgehend von der Zielstellung des Vorhabens, die Eigenschaften von Plasma-MIG-auftragsgeschweißten Bauteilen durch Prozesssimulation zu verbessern, wurde ein numerisches Modell des Plasma-MIG-Schweißprozesses entwickelt und erprobt. Während der ersten Projektphase wurde hierzu ein thermo-elastisch-plastisches Struklurmodell erstellt, dass ausgehend von einer experimentell parametrisierten, äquivalenten Wärmequelle die Temperaturverteilung und die resultierenden Verzüge und Eigenspannungen berechnet. Es fehlte jedoch bisher ein Modell für die Vorhersage der äquivalenten Wärmequelle aus den Prozessparametern des Plasma-MIG-Prozesses. Im Rahmen des vorliegenden Fortsetzungsvorhabens wurde die Modellierung ausgedehnt, indem ein Modell entwickelt wurde, dass die Vorhersage der Wärmequelle aus den Prozessrandbedingungen ermöglicht und dadurch das Schließen der kausalen Kette zwischen Prozessparametern und Bauteileigenschaften ermöglicht. Das Ziel war daher die Entwicklung eines Modells zur selbstkonsistenten Vorhersage der Temperaturverteilung und Zusammensetzung des Schmelzbades beim Plasma-MIG-Auftragsschweißen. Diese Schmelzbadeigenschaften werden als Randbedingungen für das entwickelte Modell der Konstruktionssimulation oder für mögliche Werkstoffmodelle benötigt. Die komplexe Aufgabenstellung wurde durch die Kopplung von drei Teilmodellen gelöst. Zunächst wurde ein dreidimensionales Modell des Plasma-MIG-Lichtbogens unter Vernachlässigung des Werkstoffübergangs und des Schmelzbades erstellt. Durch dieses wurden die Verteilungen des Staudruckes (Lichtbogendruck) und der Wärmestromdichte an der Werkstückoberfläche in Abhängigkeit von den Prozessparametern bestimmt und analysiert. In einem zweiten rotationssymmetrischen Modell wurden die Wechselwirkungen zwischen den Lichtbögen und dem Werkstoffübergang abgebildet. Das Modell ermöglicht Analysen zu der Temperatur, der Größe und der Geschwindigkeit des Tropfens. Abschließend wurden die Erkenntnisse der beiden Teilmodelle in einem dreidimensionalen Modell des Schmelzbades zusammengeführt. Hierbei wurde der Staudruck und die Wärmestromdichte sowie die Temperatur, Größe und die Geschwindigkeit der Tropfen als Randbedingungen verwendet um auf die Geometrie, Temperaturverteilung und Zusammensetzung des Schmelzbades zu schließen. Eine übergreifende Modellierung des Werkstoffübergangs unter Einbeziehung der Lichtbogenphysik und der dynamischen Effekte im dreidimensionalen Schmelzbad während des Nahtaufbaus erscheint zumindest mit dem verwendeten Modellierungsansatz (FVM-Modell in ANSYS CFX) nicht sinnvoll. Die Unterschiede in den benötigten Zeitskalen und Gitterauflösungen der Teilprozesse sowie in der erforderlichen Komplexität und Dimensionalität der Teilmodelle widersprechen heute noch der zur Verfügung stehenden Rechentechnik.
