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Fast Temperature Field Generation for Welding Simulation and Reduction of Experimental Effort
(2009)
Die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse zeigen konkrete technische Lösungen für die automatisierte Anwendung des MSG Engspaltschweißen, sowohl mittels optischer als auch prozessorientierter Sensorik, und sprechen damit ein breites Spektrum möglicher Anwender, insbesondere KMU, an.
Die Seitenführung des Brenners auf Basis der optischen Messgrößen stellt eine robuste und einfach zu implementierende Möglichkeit zur Nahtverfolgung dar. Für die Höhenführung über der Schweißnaht wurde neben der Lösung mittels optischer Messverfahren zusätzlich eine direkt darauf aufbauende Möglichkeit zur Implementierung eines Lichtbogensensors abgeleitet. Das Vorgehen konnte sowohl für Sprühlichtbogenprozesse als auch bei Verwendung von Impulslichtbogenprozessen erfolgreich angewendet werden.
Die zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Flankeneinbrandes entwickelte Pendelregelung ist ebenfalls für unterschiedliche Lichtbogenarten einsetzbar und muss vom Anwender auch beim Einsatz einer großen Bandbreite unterschiedlicher Prozessparameter nahezu nicht konfiguriert werden. Neben der im Rahmen der Verfahrensprüfung untersuchten Pendelraupentechnik konnte die Übertragbarkeit des Vorgehens auch auf die Strichraupentechnik anhand von gezielten Schweißversuchen aufgezeigt werden.
Die zunächst auf Basis der optischen Messwerte ausgelegte Füllgradregelung konnte die vorgesehenen Spaltvariationen von 18 bis 24 mm im Rahmen der durchgeführten Verfahrensprüfung ausgleichen. Die Ableitung eines äquivalenten Lichtbogensensors durch Kopplung beider Messprinzipien wurde am Laufzeitende des Vorhabens aufgezeigt, konnte jedoch durch zeitliche Beschränkung nicht für die Verfahrensprüfung berücksichtigt werden.
In Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde die Entwicklung der Prozessregelung für das Vorhaben auf Schweißungen in Wannenlage und Grundwerkstoffe der Güte S355J2 beschränkt.
Die Qualifizierung des Verfahrens unter Einsatz der beschriebenen Regelalgorithmen nach DIN EN ISO 15614-1 konnte für alle betrachteten Spaltbreiten zwischen 18 und 24 mm anhand einer 50 mm dicken Demonstratorprobe nachgewiesen werden.
Die in dieser Studie vorgestellte einfache Probengeometrie zeigt sich in Verbindung mit der
angewandten Versuchs- und Auswertemethodik geeignet, um den umwandlungsplastischen (TRIP)-Parameter K unter Verwendung des thermomechanischen Simulators Gleeble® 3500 experimentell zu bestimmen.
Der TRIP-Parameter K wurde für die Grundwerkstoffe S355J2+N und S960QL, sowie für den hochlegierten Zusatzwerkstoff CN13-4 -IG bestimmt.
Die numerische Einflussanalyse zeigt, dass bei der Berechnung von (Oberflächen-)Schweißeigen-spannungen die Vernachlässigung des TRIP-Effektes kaum einen Einfluss auf die Längseigenspannungen hat. Im Gegensatz da zu resultieren gegenüber dem Referenzfall signifikante Abweichungen der
Quereigenspannungen im und um den Schweißnahtbereich.
Die Verdopplung des TRIP-Parameters K gegenüber dem Referenzfall hat nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Längs- sowie Quereigenspannungen auf der Oberfläche.
Für eine qualitative und quantitative numerische Nachbildung der experimentell bestimmten Längs- und Quereigenspannungen ist die Berücksichtigung der Größenordnung des material-abhängigen TRIP-Parameters K notwendig.
Zur Effizienzsteigerung beim Einsatz von Lichtbogenverfahren für Fügeaufgaben im Dickblechbereich werden häufig angepasste Verfahren mit möglichst geringer Nahtquerschnittsfläche angewendet, beispielsweise das MSG-Engspaltschweißen für I-Nähte. Die Herausforderung für die Automatisierung des Verfahrens besteht neben der komplexen Prozessführung auch in der oftmals schlechten Zugänglichkeit der Prozesszone für optische Sensorik, weswegen verstärkt auf prozessorientierte Sensorik zurückgegriffen wird. Zur Steigerung des Prozessverständnisses und Entwicklung neuer Regelungskonzepte wurde ein Versuchsaufbau umgesetzt, der sowohl optische Messsysteme als auch prozessorientierte Sensorik in einer gemeinsamen Steuerungsumgebung vereint. Die umfassende prozessbegleitende Sensorik ermöglicht die sukzessive Erweiterung des Prozesswissens, welches direkt zur Umsetzung neuer Steuer- und Regelalgorithmen basierend auf Regressionsmodellen genutzt werden kann. Der gemeinsame Einsatz optischer und prozessorientierter Sensorik wurde zur Auslegung eines Lichtbogensensors zur Höhenführung genutzt. Die Versuchsdurchführung mit dem Ziel der Ableitung nichtlinearer Regressionsmodelle erfolgt automatisiert mit Hilfe eines optischen Sensors. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt dabei neben der schnellen Umsetzbarkeit in der direkten Korrelation der Messwerte zu realen physikalischen Systemgrößen und der schnellen Adaption auf unterschiedliche Schweißparameter und -prozesse.
In diesem Vortrag werden die Möglichkeiten vernetzter Sensorik zur Digitalisierung der schweißtechnischen Prozesskette aufgezeigt. Besonderer Fokus liegt auf der Fusion von Messdaten aus unterschiedlichen physikalischen Domänen. Dies ermöglicht die Korrelation relevanter den Schweißprozess charakterisierenden elektrischen Kenngrößen mit optisch gemessenen geometrischen Qualitätsmerkmalen der Schweißnaht. Die dynamische Prozessführung ermöglicht hierbei das Generieren großer inhomogener Datenmengen, was ein entsprechendes Schweißdatenmanagement erfordert. Durch Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens konnten Regressionsmodelle abgeleitet werden, welche Grundlage für eine adaptive Prozessführung sind.
Die transiente nichtlineare 3D-Wärmeleitungsgleichung wurde zur numerischen Lösung mittels der Finite-Elemente-Methode im Ort und mittels explizitem Eulerschema in der Zeit diskretisiert. Der resultierende Algorithmus wurde in ein Computerprogramm überführt wobei besonderer Wert auf paralleles Rechnen gelegt wurde. Das Programm wurde auf die numerische Berechnung eines schweißtypischen transienten Temperaturfelds angewandt. Die Rechenzeit und Skalierbarkeit des Computerprogramms bezüglich der Anzahl verwendeter CPU Kerne wurde untersucht und mit dem kommerziellen FEM Programm Abaqus 6.14 verglichen. Die Anwendung der expliziten Zeitintegration resultiert in verbesserter Skalierbarkeit bezüglich der Anzahl verwendeter CPU Kerne und Rechenzeitersparnis gegenüber der in Abaqus implementierten impliziten Zeitintegrationsmethode.