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For differentiating the applicability of various numerical welding simulation methods as well as unifying the prerequisites and the steps to be taken in simulation, normative codes are required for the user. Since any standard-like documents are currently still lacking in this field, the DIN German Institute for Standardization in partnership with the Research Association of DVS German Welding Society have set up a standards committee dealing with the preparation of respective documents.
This article focuses on the presentation of the new DIN Spec 32534-1 explaining the major simulation steps and specifying the application fields and the key terms of welding simulation. In addition, a generally valid simulation structure has been established which is intended to serve as a recommendation for customers and suppliers in formulating and handling a service order as well as for persons who start doing welding simulation for the first time. It additionally gives an overview of the other subject areas dealt with in the standards committee as well as of the international activities in this field.
Für die Abgrenzung der Anwendbarkeit verschiedener Methoden der numerischen Schweißsimulation sowie für die Vereinheitlichung der Voraussetzungen und der durchzuführenden Schritte bei der Simulation sind normative Regelwerke für den Anwender erforderlich. Da es derzeit noch keine normähnlichen Dokumente auf diesem Gebiet gibt, wurde vom DIN der Arbeitsausschuss NA 092-00-29-A "Schweißsimulation" gegründet, welcher sich mit der Erarbeitung der entsprechenden Dokumente befasst. Dieses Gremium wurde gemeinsam mit dem Gemeinschaftsausschuss FA 12 "Anwendungsnahe Schweißsimulation" der Forschungsvereinigung des DVS initiiert.
Das Ziel der Normungsarbeit im Bereich der numerischen Schweißsimulation besteht in der Erarbeitung einer DIN SPEC, die die Vorgehensweisen bei der Simulation verschiedener Schweißphänomene und -verfahren langfristig standardisieren soll. In einem durch den genannten Arbeitsausschuss bereits vorbereiteten Entwurf der DIN SPEC 32534-1 wurde die Struktur des Hauptdokuments festgelegt. Im Hauptdokument sind die Anwendungsbereiche und die wesentlichen Begriffe der Schweißsimulation spezifiziert. Des Weiteren wurde die allgemein gültige Simulationsstruktur erarbeitet, welche als Empfehlung für den Auftraggeber und den Auftragnehmer bei der Formulierung und Abwicklung eines Dienstleistungsauftrages sowie für den Neueinstieg in die Schweißsimulation dienen soll.
Den Schwerpunkt stellt die Vorstellung der neuen DIN SPEC mit der Erläuterung der wesentlichen Simulationsschritte dar. Im Weiteren wird auf die Klassifizierung der Unterdokumente in Abhängigkeit des Schweißverfahrens und des angestrebten Simulationsergebnisses eingegangen. Schließlich wird ein Ausblick auf die weiteren Themenfelder des Arbeitsausschusses NA 092-00-29-A "Schweißsimulation" sowie auf die internationalen Aktivitäten auf diesem Gebiet gegeben.
The results of numerical welding simulations strongly depend on its temperature field. In the present paper, the temperature field of a pulsed gas metal arc weld of structural steel S355J2+N (ASTM A572 Gr. 50) with a thickness of 5 mm is experimentally and numerically investigated. In the case of temperature field validation, volumetric Gauss and double-ellipsoid Goldak heat sources are applied. Additionally, different heat source configurations, including adaptations of thermal conductivity, are analyzed regarding their influence on the calculation of welding-induced distortion.
The investigations clarify the influence of heat source configurations on the calculated results, thus, contribute to an improved prediction of welding-induced distortion.
Fusion welding processes are widely used for joining metal structures, such as pipes, ships, and cars. In general, these joining processes offer a very good compromise between reliability, safety, cost and maintenance which are important issues in the current economical context. The negative heat effects of welding, i.e. distortions and residual stresses of the welded parts, are well known and many researches in this field have already been done in the last decades in order to minimize them. On the experimental side, many sophisticated procedures have become state of the art to deal with this problem. On the computational side, the improvement of the simulation algorithms and the computing power enables the simulations of many physical phenomena occurring during the welding process. The implementation of welding simulation techniques is nevertheless not an easy task and often associated with expert knowledge which hinders their global application in an industrial environment. This paper is focused on the industrial requirements of a welding simulation software with special respect to the needs of the automotive industry. The necessary information to run a welding simulation and the expectations of a weld specialist without deep knowledge in numerical methods are investigated. These expectations are tested on an automotive welded assembly with a commercially available welding simulation software designed especially for the needs of the automotive industry. A welding experiment is done and the measured temperature distributions and distortions serve as reference to validate the simulation results. The result quality of the simulations of temperature fields and distortions is in best agreement with experimental data. The workflow is well adapted for the considered industrial requirements and the time-tosolution as well as the computational costs are acceptable, whereas the efficient calibration of the heat input model is still a point which will be further investigated in current and future research works.
Fast temperature field generation for welding simulation and reduction of experimental effort
(2011)
The quality of welding processes is governed by the occurring induced distortions yielding an increase in production costs due to necessary reworking. Especially for more complex specimens, it is difficult to evaluate the optimal configuration of welding sequences in order to minimize the distortion. Even experienced welding operators can solve this task only by trial and error which is time and cost consuming. In modern engineering the application of welding simulation is already known to be able to analyse the heat effects of welding virtually. However, the welding process is governed by complex physical interactions. Thus, recent weld thermal models are based on many simplifications. The state of the art is to apply numerical methods in order to solve the transient heat conduction equation. Therefore, it is not possible to use the real process parameters as input for the mathematical model. The model parameters which allow calculating a temperature field that is in best agreement with the experiments cannot be defined directly but inversely by multiple simulations runs. In case of numerical simulation software based on finite discretization schemes this approach is very time consuming and requires expert users. The weld thermal model contains an initial weakness which has to be adapted by finding an optimal set of model parameters. This process of calibration is often done against few experiments. The range of model validity is limited. An extension can be obtained by performing a calibration against multiple experiments. The focus of the paper is to show a combined modelling technique which provides an efficient solution of the inverse heat conduction problem mentioned above. On the one hand the inverse problem is solved by application of fast weld thermal models which are closed form solutions of the heat conduction equation. In addition, a global optimization algorithm allows an automated calibration of the weld thermal model. This technique is able to provide a temperature field automatically that fits the experimental one with high accuracy within minutes on ordinary office computers. This fast paradigm permits confirming the application of welding simulation in an industrial environment as automotive industry. On the other hand, the initial model weakness is compensated by calibrating the model against multiple experiments. The unknown relationship between model and process parameters is approximated by a neural network. The validity of the model is increased successively and enables to decrease experimental effort, For a test case, it is shown that this approach yields accurate temperature fields within very short amount of time for unknown process parameters as input data to the model contributing to the requirement to construct a substitute system of the real welding process.
Die Kornfeinung beim Schweißen ist mit einem Übergang von groben, stängeligen Körnern zu kleineren, globulitischen Körnern im Schweißgut verbunden. Die Feinung der Korngröße und Form führt sowohl zu einer wesentlichen Verbesserung der Schweißeignung als auch zu verbesserten mechanischen Eigenschaften. Heute gebräuchliche Schweißzusatzwerkstoffe enthalten zum Teil bereits geringe Mengen kornfeinender Zusätze, deren Wirksamkeit jedoch von einer Reihe weiterer Randbedingungen abhängt. Durch Zugabe definierter Mengen an Keimbildnern (AlTi5B1) in das Schmelzbad wurde die Abhängigkeit der Korn-größe und –form vom Titan/Bor-Gehalt untersucht. Weiterhin wurde der zur vollständigen Kornfeinung notwendige Mindestgehalt an Keimbildner für unterschiedliche Legierungen und unter unterschiedlichen Schweißbedingungen, sowohl beim WIG-Schweißen als auch beim Laserstrahlschweißen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Korngröße im Schweißgut bis auf ein Minimum von ca. 20µm verringern lässt und zugleich der Anteil der globulitischen Körner zunimmt. Der Mindestgehalt an Keimbildner für vollständige Korn-feinung hängt stark von Schweißgeschwindigkeit und Legierungszusammensetzung ab. Der Einfluss der Kornfeinung auf die Festigkeit, Duktilität sowie die Heißrissempfindlichkeit der Schweißverbindungen wird an ausgewählten Bespielen aufgezeigt.
Kornfeinung im Schweißgut kann die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht und die Schweißeignung des Grundwerkstoffs deutlich verbessern. Eine Möglichkeit korngefeintes Schweißgut zu erreichen, ist das Versetzen des Schmelzbades mit kornfeinenden Mitteln. In dieser Studie wird gezeigt wie Titan- und Borzusätze Korngröße und -struktur von WIG-Schweißnähten der Al-Legierung 5083 (Al Mg4,5Mn0,7) beeinflussen. Dazu wurden in einem Gießprozess stäbchenförmige Einlagen hergestellt, die aus Grundwerkstoff und definierten Zusätzen der Kornfeinungslegierung Al Ti5B1 bestanden. Sie wurden als Ersatz für einen Schweißzusatzwerkstoff in einer Nut im Grundwerkstoff untergebracht und im WIG-Verfahren überschweißt. Durch die Steigerung des Titan- und Borgehalts im Schweißgut konnte dessen mittlere Korngröße deutlich verringert werden. Außerdem wurde eine Änderung der Kornstruktur beobachtet. Die Ergebnisse können als Grundlage genutzt werden, um die empfohlene chemische Zusammensetzung von Schweißzusätzen für Lichtbogenschweißen von Aluminium anzupassen.
The present investigations cover different relevant influences on the numerical calculation of welding-induced distortion. Therefore, a single-layer pulsed gas metal arc (GMA) weld of structural Steel S355J2+N with a thickness Öf5 mm is experimentally and numerically investigated. The influences of mesh density, tack-welds, and continuous cooling transformation (CCT) diagrams on welding-induced distortion are studied. The quality and quantity of These effects are clarified based on the used experimental and numerical set up. The occurring differences between the investigated cases achieve significant values. Consequently, prediction of welding-induced distortion can be improved considering the present investigations.