Vereinfachte Methodik für einen rationelleren Einsatz der numerischen Schweißsimulation

Die Simulation von Fertigungsprozessen gewinnt aufgrund der steigenden Forderung nach effizienten und ökonomischen Entwicklungsabläufen immer mehr Bedeutung. Großes Potential liegt in der numerischen Darstellung von Fertigungsschritten, wie dem Fügen durch Schweißen, mit der FE-Methode in der Entwicklungs- und Fertigungsplanung. Die Abbildung der Energiequelle, z.B. des Lichtbogens beim Schweißen, erfolgt durch die Verwendung von Ersatzwärmequellen in den FEM-Berechnungen. Diese müssen mit experimentellen Temperaturmessungen abgeglichen werden, da nicht der reale physikalische Prozess berechnet wird. Hierzu kommen oft Thermoelemente zum Einsatz, die neben der Schweißnaht aufgepunktet werden. Diese Vorarbeiten sind sehr langwierig und im industriellen Umfeld, gerade bei mehreren Schweißnähten und großen Bauteilen, aufwendig durchzuführen. Die Infrarot-Thermografie bietet sich als alternative Methode zur Temperaturmessung an, da mit dieser berührungslos und flächenhaft zuverlässig Temperaturen bestimmt werden können.Beim Schweißen treten aufgrund der besonderen Strahlungseigenschaften und hohen Temperaturen des Lichtbogens zusätzliche Fragestellungen auf, die im Niedrigtemperaturbereich nicht beachtet werden müssen. Neben einer Bestimmung des Emissionsgrades der zu messenden Oberfläche im Prozessbetrieb müssen auch Reflexionen und Umgebungsvariablen ins Auge gefasst werden.In dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen zum Messen von relevanten Temperaturen beim Schweißen mit der Thermografiemethode zur Kalibrierung von Ersatzwärmequellen für die Schweißsimulation untersucht. Es wurden verschiedene industrierelevante Werkstoffe und Schweißverfahren in Betracht gezogen und die besonderen Eigenschaften in Bezug auf thermografische Temperaturmessungen erarbeitet. Neben ebenen Platten wurde eine bauteilähnliche Struktur aus dem Schienenfahrzeugbau untersucht. Zur Prüfung der Temperaturinformationen auf Eignung zur Verwendung in der Schweißsimulation wurden die ebenen Platten und die bauteilähnliche Struktur in numerischen Experimenten nachgebildet und der Schweißverzug mit der FE-Methode berechnet.Die Untersuchungen zeigen, dass bei sehr stark reflektierenden Oberflächen, wie sie Edelstahl oder Aluminium aufweisen, eine Beschichtung mit mattem Lack von Vorteil ist, um das Abstrahlverhalten zu optimieren. Alternativ kann das Abstrahlverhalten mit einem Sandstrahlvorgang hin zu einer diffuseren Strahlung optimiert werden, wodurch die Messergebnisse deutlich verbessert werden. Besonderes Augenmerk verlangt der beim Aluminiumschweißen eingesetzte Wechselstromlichtbogen. Der diskontinuierliche Lichtbogen verhindert die Anpassung des Emissionsgrades an die Messbedingungen, da diese nur mit konstanten Variablen durchgeführt werden kann. Das Temperatursignal der Messoberfläche wird durch ein Signal mit der Frequenz des Lichtbogens überlagert. Vergleiche mit Thermoelementmessungen zeigen, dass durch einen geeigneten Signalfilter die untere Grenze des Gesamtsignals erfasst werden und mit dieser die richtige Temperatur dargestellt werden kann.Unter Berücksichtigung der oben genannten Punkte können aus den Thermografieaufnahmen ein flächenhaftes Temperaturfeld und die Oberflächengeometrie des Schmelzbades bestimmt werden. Aus den Informationen lassen sich zum Abgleich der Ersatzwärmequelle in der Schweißsimulation Profildaten generieren, die zum Vergleich mit den berechneten Temperaturen herangezogen werden können. Auch punktuelle Messungen, vergleichbar mit Thermoelementdaten, sind möglich und können für die Kalibrierung von Ersatzwärmequellen eingesetzt werden.Durch den Einsatz der thermografischen Temperaturmessung in der numerischen Schweißsimulation wird die Messdatengewinnung