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ChopArc

Optimierung eines Schutzgas-Schweißverfahrens

Im BMBF-geförderten Verbundprojekt "ChopArc: MSG-Lichtbogenschweißen für den Ultraleichtbau" wurde ein Kurzschluss-MAG-Schweißprozess durch eine phasenselektiv geregelte Stromführung für das wärmearme Fügen von bis zu 0,2 mm dicken Feinstblechen optimiert. Weitere Ziele waren die Minimierung der Nachbearbeitungskosten, d.h. Verhinderung von Spritzern, grobschuppiger Nahtoberfläche, ungleichmäßigem Einbrand oder starkem Verzug.

Projektpartner waren die Technische Universität Berlin, die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. (Berlin), das Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik e.V. (Greifswald), REHM GmbH u. Co. KG Schweißtechnik (Uhingen), ArvinMeritor (Augsburg) und die CFX Berlin Software GmbH, assoziierte Partner die Schweißdrahthersteller Grillo und Berkenhoff und das FQZ Oderbrücke.

Vorteile der Simulation

Für eine effiziente Regelung der Stromführung in den verschiedenen Teilphasen ist das Verständnis der komplexen physikalischen Prozesse unabdingbar; hierzu wurde der Schweißprozess numerisch simuliert. Die numerische Simulation liefert Daten, die experimentell nicht oder nur sehr aufwändig messbar sind, da z.B. hohe Temperaturen (im Lichtbogen über 10.000°C) den Einsatz herkömmlicher Messgeräte für Geschwindigkeiten und Drücke nicht zulassen. Hinzu kommt, dass es sich im allgemeinen um sehr enge und stark nichtlineare Kopplungen handelt, so dass einfache Modelle zur Beschreibung des Systems nicht ausreichen. Die numerische Simulation erlaubt die Quantifizierung und Gewichtung der Einzeleffekte und kann somit entscheidend zum Verständnis beitragen.

Schweißprozesssimulation

Der großen Bedeutung der Schweißsimulation steht eine enorme physikalische Komplexität gegenüber: Es handelt sich um eine Mehrphasenströmung von Metall und Gas mit freier Oberfläche, Metall und Gas als Stoffgemische, Phasenwechsel Schmelzen/Erstarren und Verdampfen/Kondensation, Elektromagnetik und Lichtbogenphysik.

Im Rahmen des Verbundprojekts wurden folgende Effekte in Ansys CFX implementiert:

  • Oberflächeneffekte: Grenzflächenspannung, Adhäsion und Marangonieffekt
  • Schmelzen und Erstarren
  • Elektromagnetische Effekte: In der Magneto-Hydrodynamik (MHD) wird die elektrische Eigenschaft der Fluide durch ihre elektrische Leitfähigkeit beschrieben. Ein zumeist äußeres elektrisches Feld (Spannung) und das bewegte Fluid im Magnetfeld bewirken einen Stromfluss; das magnetische Feld ergibt sich aus der Überlagerung von externem und selbsterzeugtem Feld. Auf das Fluid wirkt die Lorentz-Kraftdichte, die Widerstanderwärmung erhitzt das Fluid. Zur Elektromagnetik siehe auch Elektromagnetik-Anwendungen.
  • Lichtbogenphysik: Ein Lichtbogen zwischen zwei Elektroden lässt sich in drei Bereiche aufteilen: Kathodengebiet, Lichtbogensäule, Anodengebiet. Die Lichtbogensäule wird zumeist im "lokalen thermodynamischen Gleichgewicht'" (LTG) angenommen. Zur Berücksichtigung von Anoden- und Kathodengebiet wurde ein Fallgebietsmodell verwendet, das die ambipolare Diffusion, die erhöhte elektrische Leitfähigkeit in den Fallgebieten durch Nichtgleichgewichtsvorgänge und die Energieumsätze an den Elektrodenoberflächen berücksichtigt. Hierzu wird zusätzlich eine Transportgleichung für die Elektronenkonzentration gelöst, die auch Ionisation und Rekombination beinhaltet.

Die Kurzschlussphase wurde als Zwei-Phasen-Strömung Kupfer/Argon mit freier Oberfläche und Oberflächenspannung, mit Schmelzen/Erstarren des Kupfers in einem Temperaturbereich um den Schmelzpunkt und mit Elektromagnetik mit angelegter Spannung bzw. aufgeprägtem Strom und Berechnung von elektrischem Potential, Magnetfeld, Lorentzkraft, Widerstandserwärmung simuliert.

In der Lichtbogenphase wird ebenfalls die Elektromagnetik mit angelegter Spannung bzw. aufgeprägtem Strom, Berechnung von elektrischem Potential, Magnetfeld, Lorentzkraft und Widerstandserwärmung gelöst. Hierbei sind die Materialeigenschaften, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, über den auftretenden Temperaturbereich von 300 bis 20.000 K sehr variabel, die räumlichen Gradienten sehr hoch.

Für die Lichtbogenphase wurden stationäre und transiente Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Fallgebiete durchgeführt. Die Simulationsergebnisse, insbesondere mit Berücksichtigung der Fallgebiete, stimmen gut mit Temperaturprofilen aus Spektralaufnahmen eines Impulslichtbogens überein, die am Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik erstellt wurden.

Veröffentlichungen:

  • Vortrag der Ergebnispräsentation des Verbundprojekts (900 kB, deutsch)
  • Abschlussbericht "ChopArc: MSG-Lichtbogenschweißen für den Ultraleichtbau", Fraunhofer IRB Verlag (2005), ISBN 3-8167-6766-4
  • deutsche bzw. englische Ergebniszusammenstellung (je 2,5 MB)
  • Vortrag "Simulation of Gas Metal Arc Welding with CFX-5" auf der ANSYS CFX & ICEM CFD Conference, 10.-12.11.2004 in Dresden
  • Vortrag "Process Simulation of Gas Metal Arc Welding" (2,4 MB, englisch), gehalten auf der 58th IIW Annual Assembly and International Conference am 14. Juli 2005 in Prag
  • "Prozessoptimierende Regelung für das ChopArc-Schweißen im Ultraleichtbau", S. F. Goecke, M. Langula, E. Metzke, A. Spille-Kohoff am Dienstag, 13.September 2005, 14:30 Uhr auf der Großen Schweißtechnischen Tagung in Essen
  • "CFD-basierte Schweißprozesssimulation am Beispiel des MSG-Schweißens", A. Spille-Kohoff, am Freitag, 16.September, 15:00 Uhr im Rahmen des Innovationsforums der Forschungsvereinigung des DVS in Halle 9.1, Stand 139 auf der Schweißen & Schneiden 2005 in Essen

Ihr Ansprechpartner für weitergehende Informationen ist Dr. Andreas Spille-Kohoff
(Tel. 030 / 293 811 - 30).

http://www.choparc.de Homepage des ChopArc-Forschungsprojekts



Exemplarische Zustände der Simulation des Aufschmelzen des Drahts; links jeweils Temperatur, rechts Volumenanteil des Metalls (rot=100%).

Stromdichte, Magnetfeld und Lorentzkraft im Kurzschluss

Stationäre Lichtbogensimulation bei 35 A (oben), 255 A (Mitte) und 502 A (unten): Farblich im Hintergrund die Temperatur, durch Vektoren links die Stromdichte, rechts die Geschwindigkeit, durch Linien links elektrische Äquipotentialflächen, rechts Isobaren, zusätzlich rechts Stromlinien.

Strom-über-Zeit-Verlauf beim Impuls-Schweißen: In rot Messwerte des Instituts für Niedertemperatur-Plasmaphysik, in blau die Stützstellen zur Stromvorgabe in Ansys CFX. Die Simulation des periodischen Prozesses steht als MPEG-Film (7 MB) zur Verfügung, der Bildabstand ist variabel, um den kurzen Puls besser aufzulösen.

Vergleich von Temperaturprofilen der Lichtbogensimulationen mit Messwerten des Instituts für Niedertemperatur-Plasmaphysik 0.25 ms nach Impulsbeginn: 1 mm unter dem Draht (links oben), mittig zwischen Draht und Werkstück (rechts oben) und 0.5 mm über dem Werkstück.