Grundlagenun­tersuchung zur In-Situ-Simulation von Widerstand­spunkschweiß­prozessen

Einführung

Aufgrund der Verflechtung elektrischer, thermischer, mechanischer und metallurgischer Phänomene kann die Prozesskomplexität beim Widerstandspunktschweißen durch theoretische Analyse allein nicht durchdrungen werden. Numerische Methoden zur Simulation gewähren einen erweiterten Einblick in die mikroskopischen Prozessabläufe beim Widerstandspunktschweißen, wie z. B. in die Bildung der Schweißlinse oder in den Verschleiß der Elektrode. Sie können zerstörende Prüfverfahren zur Qualitätseinschätzung ergänzen, aufwendige Experimente zur Bestimmung des Einflusses von unterschiedlichen Parameter- und Materialkombinationen auf das Schweißergebnis unterstützen und außerdem in Verbindung mit Echtzeitdatenverarbeitung und mechatronischer Regelkreise die Produktivität des industriellen Fertigungsprozesses durch Verringerung der Ausschussteile erhöhen.

Zielstellung

Im laufenden Projekt wird ein numerisches Multiphysikmodell entwickelt, welches die Entstehung von Schweißlinsen simulieren kann. Das Multiphysikmodell soll im Zusammenspiel mit echtzeitfähiger Simulationshardware die Schweißlinse virtuell abbilden und damit eine Bewertung der Schweißlinsenqualität während des Schweißprozesses ermöglichen. Ferner soll dieses Echtzeitsimulationssystem in Verbindung mit mechatronischen Regelkreisen in der Lage sein, den Schweißprozess zu regeln und damit die Anzahl fehlerhafter Schweißlinsen verringern.

Lösungsweg

• Erweiterung des thermisch-elektrischen Modells um ein plastisches Modell für den Elektrodenkappentyp C0 (DIN EN ISO 5821:2010-04), s. Bild 1.
• Anbindung des Multiphysikmodells an den Signal- und Datenstrom der Widerstandspunktschweißanlage. Die gemessenen Prozessparameter beim Widerstandspunktschweißen, wie z. B. Schweißstrom und Schweißspannung, werden als Inputdaten in das Multiphysikmodell, welches auf dem Steuerungsrechner oder der Echtzeitsimulationshardware implementiert wird, eingespeist. Das Ziel dieses Entwicklungsschrittes ist die Simulation der Schweißlinse in Echtzeit bzw. prozesssimultan zur Fertigung der realen Schweißlinse.
• Validierung des Multiphysikmodells bzw. Vergleich der simulierten Schweißlinsen mit realen aus dem Versuchsfeld, s. Bild 2.

© LWM

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Zwischenergebnis

Simulation der Wärmeausbreitung und Schweißlinsenbildung in Elektrode und Blech

• Simulation von nichtlinearer Wechselwirkung zwischen elektr. Stromfluss und Temperaturverteilung in Elektrode-Blech-Verbindung
• Werkstoffe:
  • Blech aus Aluminiumlegierung (TLiquidus=750°C)
  • Elektrode aus Kupferlegierung  
• Farbskala:
  • Temperaturbereich 20 – 750 °C
  • grauer Bereich T > TLiquidus 

• Simulationsgeschwindigkeit < 2 sec (Intel Core i5-6500 CPU @ 3.2-3.6 GHz)

• Gitterauflösung: 3200 Knoten (40 x 80)

Kontakt

© Crispin-Iven Mokry

Research associate

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Mr B.Sc. Wirt.-Ing., Dipl.-Ing. Tomas Teren

Machine Technology

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