Berechnungssoftware

Sicherheit und Effizienz dank Schweisssimulation

| Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Andriy Krasovskyy / Luca Meister

Abb. 6: Virtuelle Fertigungsprozesskette, bei der die Schweisssimulation eine Prozessstufe präsentiert.
Abb. 6: Virtuelle Fertigungsprozesskette, bei der die Schweisssimulation eine Prozessstufe präsentiert. (Bild: Dynamore)

Ob Vorhersage der Betriebsfestigkeit, schweissinduzierte Verformungen, Eigenspannungen oder Mikrostruktur – eine Schweisssimulation liefert bei vielen Fragestellungen entscheidende Erkenntnisse. Die Simulation kann sowohl zur Verbesserung der Produkteigenschaften als auch zur Erhöhung der Prozesssicherheit und -robustheit bedeutend beitragen.

In welcher Reihenfolge soll ich schweissen, um einen möglichst geringen Bauteilverzug zu erzielen? Welche Parameter wähle ich für meinen Schweissprozess, um das optimale Gefüge zu erreichen? Wie gross sind die Eigenspannungen nach dem Schweissen und wie hoch ist die Lebensdauererwartung meiner Schweissnähte im Betrieb? Diese und viele anderen Fragen stellen sich täglich viele Ingenieure. Nach wie vor ist die praktische Erfahrung unverzichtbar und bildet die wichtigste Grundlage bei der Entscheidungsfindung. Dennoch ist Erfahrung alleine in vielen Fällen, etwa bei komplexen Geometrien oder neuen Werkstoffen, nicht mehr ausreichend. Eine Alternative zu dem oft teuren «Trial and Error» bietet eine numerische Abbildung eines Schweissprozesses. Zudem ermöglicht sie Einblicke in bei einem Versuch verborgene Stellen und sorgt damit für mehr Verständnis im Prozess und bei den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Prozessparametern.

Multidisziplinäre Komplexität

Mit modernsten Simulationsverfahren bietet das Finite-Elemente-(FE-)Programm «LS-DYNA» seit Jahrzehnten eine weltweit von vielen Ingenieuren geschätzte Beihilfe bei der Auslegung von Bauteilen und Optimierung von Fertigungsprozessen. Die aus Kalifornien stammende Software, die ursprünglich für die Simulation von hoch nichtlinearen dynamischen Prozessen entwickelt wurde, hat schnell ihren Platz in der Industrie und der angewandten Forschung gefunden. Die Firma Dynamore, welche das Programm in der Schweiz vertreibt und auch mitentwickelt, bietet ihren Kunden nun auch umfangreiche Möglichkeiten zu einer Simulation von Schweissprozessen.

Die gesamte multidisziplinäre Komplexität eines typischen Schweissprozesses [1] wird in einer solchen FE-Simulation auf eine thermo-mechanische Problemstellung mit Hilfe einer Ersatzwärmequelle vereinfacht (Abb.1). Grossen Einfluss auf das Endergebnis hat dabei die Werkstoffbeschreibung – sowohl thermophysikalische als auch mechanische Materialeigenschaften hängen stark von der Temperatur ab. Spezielle Materialmodelle in LS-DYNA ermöglichen es, das mechanische Verhalten mit Berücksichtigung komplexer Vorgänge wie die Umwandlungskinetik und Transformationsplastizität realitätsnah zu beschreiben.

All das gestattet einen nutzbringenden Einsatz der Schweisssimulation in der Industrie bereits heute. Dank einem sehr robusten impliziten Solver ist die Schweisssimulation in LS-DYNA, zumindest aus numerischer Sicht, leicht gemacht [2]. Folgend sind zwei Anwendungsgebiete aus der Industrie dargestellt, wo die Schweisssimulation als Entwicklungswerkzeug sehr wertvolle Erkenntnisse gebracht hat.

Lebensdauervorhersage

Es ist bekannt, dass Schweissverbindungen generell eine strukturelle Schwachstelle darstellen. Neben der rein geometrischen Schwächung, wobei die Schweissnahtkerben als Spannungskonzentratoren wirken, unterliegt das Material zusätzlich starken mikrostrukturellen Transformationen und es können sehr hohe Eigenspannungen entstehen. Diese Faktoren haben einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer einer Schweissverbindung und können mit Hilfe der Simulation vorhergesagt werden. Damit kann die klassische und sehr konservative Vorgehensweise, den Festigkeitsnachweis mit Hilfe der Richtlinien [3][4] zu machen, durch eine genauere ersetzt bzw. ergänzt werden. Dies kann beispielsweise im Leichtbau zu deutlichen Materialersparnissen führen und bei der Betrachtung von speziellen Schweissnahtgeometrien oder Materialien die fehlende Information liefern.

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