Schweißprozesssimulation leicht gemacht!

Schweißprozesssimulation

Schweißprozesse sind komplexe Vorgänge. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass lokal eine hohe Wärmemenge in ein Bauteil eingeleitet wird. Dadurch wird das Material lokal aufgeschmolzen, durch das Verschmelzen des Materials werden Bauteile zusammengefügt. Schweißbaugruppen bestehen in der Regel aus einer Vielzahl an Nähten. Verzug ist unvermeidlich. Es gibt unterschiedlichste Schweißverfahren mit vielen verschiedenen Prozessparametern. Diese müssen je nach Anwendung und Bauteil angepasst werden. Wie bekommt man das in den Griff? Es wäre hilfreich, wenn der Anwender beim Aufsetzen des Prozesses unterstützt würde.

Aber auch die Simulation ist nicht einfach. Zuallererst handelt es sich um transiente Vorgänge. Wir müssen sowohl thermische als auch strukturmechanische Effekte berücksichtigen. Zur Abbildung des Prozesses benötigen wir eine wandelnde Wärmequelle. Material wird aufgeheizt, schmilzt und erstarrt anschließend wieder. Die Schweißnaht entsteht nach und nach. Um den Verzug berechnen zu können, muss erst das zeitlich veränderliche Temperaturfeld bestimmt werden. Und was passiert, wenn sich die Schweißreihenfolge ändert? Dann wandelt die Wärmequelle plötzlich auf neuen Pfaden und wir müssen unser Modell u.U. aufwändig anpassen.

Wir wollen uns diesen Fragestellungen anhand eines Beispiels nähern. Es handelt sich dabei um eine Schweißbaugruppe bestehend aus mehreren Blechbauteilen, die über Kehlnähte miteinander verbunden sind. Die Baugruppe wird an mehreren Stellen und in unterschiedlichen Schweißrichtungen gefügt. Dabei spielen auch dreidimensionale Effekte eine Rolle: Neben Nähten in X- und Z-Richtung verläuft eine Naht tangential entlang eines runden Bauteils, das in eine runde Aussparung eingeschweißt wird.

Geometrie mit Schweißnähten und den zugehörigen Richtungen. | © CADFEM / ID: 75C2RO

Add-on Weld Process

Um den Schweißprozess abbilden zu können, müssen Vereinfachungen vorgenommen werden. Bislang gab es dazu Lösungen wie ACT-Extensions oder APDL-Skripte. Das neue Add-on Weld Process – eine native Mechanical-Erweiterung – vereint einen Großteil dieser Funktionalitäten und erleichtert die Erstellung von Schweißmodellen direkt in der Mechanical-Anwendung. Während man früher unter Umständen Stunden benötigte, um ein Modell aufzusetzen, ist dies bei guter Vorbereitung nun sehr viel schneller möglich. Ziel ist grundsätzlich, die Temperaturverteilung während des Prozesses zu ermitteln und Verzug und Eigenspannungen vorherzusagen.

Weld Process Add-on. | © CADFEM / ID: KWF5KD

Es gibt drei Varianten der Berechnung:

• Wenn man nur an der Temperaturverteilung interessiert ist, reicht eine transiente thermische Analyse – das ist deutlich weniger aufwendig und daher eine gute Erstanalyse.
• Es gibt auch die Möglichkeit, nur eine strukturmechanische Analyse durchzuführen. Da hier Informationen zur Temperaturverteilung fehlen, müssen die thermischen Dehnungen anhand von Messdaten kalibriert werden und über den „Thermal Strain Scaling Factor" entsprechend skaliert werden.
• Der klassische Fall ist eine transiente thermische Analyse und eine anschließend sequentiell gekoppelte mechanische Analyse.

Die Schweißnähte werden als Volumenkörper integriert, am besten eindeutig benannt und nummeriert.

Weld Setup | © CADFEM / ID: 8WTLWR

Reihenfolge und Richtung der Nähte lassen sich ebenso festlegen wie Pausenzeiten zwischen einzelnen Nähten. Zusätzlich lassen sich Prozessparameter wie Schmelztemperatur, Umgebungstemperatur und Schweißgeschwindigkeit eingeben. Gerade diese Parameter entscheiden maßgeblich darüber, wie stark sich das Bauteil am Ende verzieht. Die Elemente in der Schweißnaht werden „geclustert", d.h. es werden Gruppen von Elementen erzeugt. Diese Cluster werden nach und nach aktiviert und mit Wärme beaufschlagt, so dass sich die Schweißnähte Schritt für Schritt aufbauen und eine wandelnde Wärmequelle entsteht. Die Größe der Cluster legt der Anwender fest. Optional lässt sich zusätzlich eine Goldak-Wärmequelle nutzen.

Gekoppelte thermische und mechanische Simulation 

Da wir mit Temperaturen bis hin zur Schmelztemperatur hantieren, erfordert die Prozesssimulation temperaturabhängige Materialdaten. Außerdem ist ein plastisches Materialgesetz mit ebenfalls temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungskurven notwendig. Entsprechende Daten kann man z.B. in den Engineering Data Sources unter Additive Manufacturing Materials finden oder in der Granta-Datenbank. In unserem Fall der gekoppelten Simulation werden die beiden Analysen sequentiell nacheinander gelöst, zuerst das Temperaturfeld, dann die Strukturmechanik. Die Anzahl der Lastschritte ergibt sich aus der Anzahl der Element-Cluster und möglicher Abkühlschritte.

Konvektionsrandbedingung thermische Analyse (links), Festhaltungspunkte strukturmechanische Analyse (rechts). | © CADFEM / ID: DPYW0C

Je nach Schweißverfahren kann man zwischen zwei Varianten wählen: Beim Materialauftrag / Material Deposition wird zur Erzeugung der Schweißelemente z.B. in einer Kehlnaht die Element Kill- / Alive-Technologie eingesetzt. Um den Schweißprozess ohne Zusatzwerkstoff zu simulieren wird beim direkten Energieeintrag / Direct Energy Deposition lediglich Wärme zugeführt, es erfolgt keine Aktivierung oder Deaktivierung von Elementen. Der Wärmeeintrag selbst kann über die aufgebrachte Temperatur oder die anliegende Leistung definiert werden. Die Referenztemperatur für die Schweißnahtvolumenkörper wird im Hintergrund automatisch auf die Schmelztemperatur gesetzt.

Da wir den gesamten Prozess abbilden, müssen wir natürlich auch mit entsprechenden Rechenzeiten rechnen. Krux ist es wie so oft, den Mittelweg für eine schnelle aber aussagekräftige Simulation zu finden. Für einen ersten Wurf (zumindest für den Schweißverzug) kann man schon mit recht grober Schweißnahtvernetzung mit nur wenigen Elementen im Schweißnahtquerschnitt einen guten Eindruck vom Verhalten der Struktur gewinnen. Ist unser Modell erst einmal aufgesetzt, können wir sehr leicht Änderungen an der Schweißnahtreihenfolge oder der -richtung bzw. den Prozessparametern vornehmen.

Wie heiß wird’s? Die Wärmequelle im Wandel der Zeit

Temperaturergebnis zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Schweißens einer Schweißnaht. | © CADFEM / ID: AG33J0

Das wohl spannendste Ergebnis der transienten thermischen Analyse ist das sich verändernde Temperaturfeld während des Prozesses. Je nachdem, wie weit die Wärmequelle auf ihrem Weg entlang der Naht bereits fortgeschritten ist, erreicht jede Stelle im Bauteil ihre Höchsttemperatur zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Ein „Spezial"-Ergebnis nur für den thermischen Teil der Schweißprozesssimulation ist das Weld-Penetration-Ergebnis. Es zeigt an, wo und wie stark die Wärme ins Bauteil eindringt, und hilft so, kritische Bereiche (Wärmeeinflusszone) zu identifizieren. Gerade dort verändert sich durch die hohe thermische Belastung oft das Gefüge des Materials, was die spätere Festigkeit beeinflussen kann.

Wenn man sich das Temperaturergebnis animiert ansieht, kann man sehr schön die wandelnde Wärmequelle beobachten. Es ist gut zu erkennen, dass zu Beginn des Prozesses keine Schweißnähte vorhanden sind – die Nähte entstehen erst Schritt für Schritt bzw. „clusterweise", genau wie zuvor beschrieben. So lässt sich unmittelbar nachvollziehen, wie die Elementaktivierung in der Praxis abläuft und wie sich die Wärme währenddessen tatsächlich im Bauteil ausbreitet. Genau diese zeitliche Entwicklung liefert die Grundlage für alles, was im Anschluss an Verzug und Eigenspannungen berechnet wird.

Übrigens kann man sich nach vollendeter mechanischer Analyse das Temperaturergebnis auch als User Defined Result (Expression: BFE) anzeigen lassen. Das hat den Vorteil, dass man zusätzlich die Verformungen sehen kann. Am besten schraubt man dazu den Überhöhungsfaktor hoch. Und gleichzeitig wird die Temperatur als Konturplot dargestellt. Im Bereich der Wärmequelle kann man so sehr schön die thermischen Dehnungen sehen.

Wie krumm wird’s denn nun? Sind wir „in Verzug“?

Gesamtverzug nach dem Lösen aller Festhaltungen bis auf diejenigen an der hinten liegenden Platte für verschiedene Varianten: Ausgangsschweißreihenfolge (links), Ausgangsschweißreihenfolge mit umgekehrter Schweißrichtung (Mitte), umgekehrte Schweißreihenfolge (rechts), überhöhte Darstellung. | © CADFEM / ID: OVNNO4

Dreht man die Reihenfolge oder Richtung der Schweißnähte um – was sich leicht ändern lässt –, ergibt sich ein deutlich veränderter Schweißverzug. Für die Variante geänderte Schweißrichtung erhöht sich der Verzug gegenüber der Ausgangsvariante um knapp 37 %, für die Variante umgekehrte Schweißreihenfolge um 39 %. Dabei verformt sich die Struktur in entgegengesetzter Richtung (positive y-Richtung), während sich die beiden anderen Varianten in negativer y-Richtung verformen.

Die Ausgangsreihenfolge erweist sich dabei als diejenige mit dem geringsten Verzug. Bei hinreichender Vernetzung lassen sich zudem die sich nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur einstellenden Schweißeigenspannungen auswerten.

Wer weiß schon, welche Reihenfolge oder Schweißrichtung die beste ist? Und wer bitteschön will es ausprobieren? Bei kleineren Bauteilgruppen wie dieser kann man die Verzugsneigung vielleicht noch abschätzen, aber bei größeren Strukturen? Dazu ist viel Erfahrung notwendig. Wie viele mögliche Kombinationsmöglichkeiten gibt es? Das Schöne ist: Man braucht im Grunde kein APDL mehr, kann aber bei Bedarf per APDL eingreifen.

Und was darf ich mitnehmen?

Das Beispiel zeigt, wie ein Schweißprozess aufgesetzt und die Prozesssimulation durchgeführt werden kann. Unterstützt wird der Anwender dabei vom neuen Weld Process Add-on. Es hilft u.a., Variationen der Schweißreihenfolge und -richtung sowie der Prozessparameter zu erstellen.

Additive Fertigung: Laserauftragschweißen zur Reparatur von Metallbauteilen. | © Adobe Stock / ID: 526371590

Wenn Sie selbst lernen möchten, wie Sie solche Temperaturfeldanalysen durchführen, schauen Sie sich unser Seminar „Simulation von Temperaturfeldern in Ansys Mechanical" an. Auch für additiv gefertigte Bauteile gibt es eine ähnliche Lösung: Mehr dazu erfahren Sie im Seminar „Additive Fertigungsprozesse im Metalldruck simulieren". Ihre individuelle Fragestellung zum Thema Schweißprozesssimulation bearbeiten wir zudem gerne im Rahmen eines gemeinsamen Consulting-Projekts.

Schrecken Sie also nicht vor der Schweißprozesssimulation zurück! Weld Process Add-on: Da kommt man ganz schön ins Schweißen (und nicht so sehr ins Schwitzen)!