Forschungsbedarf

Ausgangssituation

Die frühzeitige rechnerische Ermittlung des Schweißverzugs bereits in der Konstruktionsphase besitzt hohes Potential, durch die Optimierung von Fertigungsabläufen Einsparungen zu erreichen.

Die Schweißsimulation ist mit den heute zur Verfügung stehenden Methoden, zumindest an einfachen Geometrien und unter idealisierten Prozessbedingungen, ein in der Forschung akzeptiertes Werkzeug zur Vorhersage von Gefüge, Verzug und Eigenspannungen. Es existieren hierzu kommerzielle Softwareprodukte wie z.B. SYSWELD, ANSYS, ABAQUS oder MARC, mit Hilfe welcher Schweißprozesse mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad abgebildet werden können.

Diese simulationsgestützten Vorgehensweisen finden aber bisher nur in Ausnahmefällen Eingang in die industrielle Praxis. Eine Ursache hierfür sind die stark ansteigenden Berechnungszeiten der etablierten transienten Methoden für komplexe Bauteile und -gruppen, welche häufig mit mehreren oder langen Schweißnähten ausgelegt werden. Die Rechenzeiten können im Bereich einiger Wochen oder gar Monate liegen und verhindern daher bis heute den wirtschaftlichen Einsatz der Schweißsimulation in der industriellen Praxis.

Das Schweißen bzw. Fügen ist das Bindeglied zwischen den einzelnen Fertigungsprozessen und die Berücksichtung realer Fertigungsrandbedingungen, wie sie sich durch das Spannen oder Heften der Fügeteile oder durch eine schnelle Abfolge mehrerer örtlich benachbarter Schweißnähte ergeben, stellen derzeit große Herausforderungen an die numerische Modellierung dar. Dies betrifft aber auch die Berücksichtigung vorgelagerter Prozesse, wie z.B. die des Umformens.

Die vorhandenen und in der Forschung etablierten Modellierungsmethoden benötigen, vor allem aufgrund der von der Temperatur und im Falle umwandelnder Werkstoffe auch von der Temperaturentwicklung abhängigen Werkstoffeigenschaften, eine große experimentelle Datenbasis. Die Ermittlung geeigneter Daten verursacht hohe Kosten und erschwert dadurch den wirtschaftlichen Einsatz der Schweißsimulation als Werkzeug in der Bauteilentwicklung.

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Stand der Wissenschaft und Technik

Die meisten Schweißverfahren führen zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der Fügestelle. Die dadurch hervorgerufenen plastischen Verformungen bewirken bleibende Verzüge und Eigenspannungen nach der Abkühlung. Diese vermindern die Qualität der geschweißten Konstruktion und stellen deren Einsatz und Weiterverarbeitung in Frage. Die Herstellung von verzugs- und eigenspannungsarmen Schweißkonstruktionen ist daher eine zentrale Aufgabe der Schweißtechnik, deren Lösung seit einigen Jahrzehnten durch Modellierung und Simulation unterstützt wird.

Wesentliche Grundlage für die Modellierung und Simulation von Verzug und Eigenspannungen ist das durch den Schweißprozess entstehende Temperaturfeld und die Schmelzzonengeometrie, insbesondere die Nahtbreite, Einbrandtiefe und Schmelzbadlänge. Die Modellierung der lokalen Wärmeeinbringung erfolgt in der Regel für Schmelzschweißverfahren auf der Grundlage von Wärmequellen, die mit Schweißgeschwindigkeit über das Werkstück bewegt werden. Die Temperaturverteilung im Bauteil ergibt sich aus dem Wärmeleitmodell unter Berücksichtigung der thermophysikalischen Werkstoffkennwerte und Randbedingungen [1-3]. Die Modellierungsansätze der dafür benötigten Wärmequellen lassen sich in drei grundsätzliche Vorgehensweise unterteilen, die im Weiteren genauer beschrieben werden.

Funktionsanalytische Temperaturmodelle berücksichtigen nur einfache Wärmequellengeometrien (z. B. Punkt- bzw. Linienquelle). Die sich beim Schweißen einstellenden Temperaturfelder werden vor allem mit den von Rosenthal [4, 5] und Rykalin [6] gefundenen analytischen Lösungen berechnet. Da analytische Ansätze nach wie vor eine schnelle Abschätzung der Einflussgrößen bei geringen Rechenzeiten erlauben, wurden diese Ansätze in den letzten Jahren erweitert, so dass Kombinationen aus Punkt- und Linienquelle [7] und eine gepulste Energie­einbringung beschrieben werden [8]. Nachteil dieser Ansätze ist die Einschränkung hinsichtlich der Implementierung temperaturabhängiger Materialdaten und der geometrischen Schematisierung der Schweißverbindung, z. B. als unendlicher Halbkörper oder Platte.

Im Gegensatz dazu kann die Beschreibung der Wärmeleitung beim Schweißen mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) die Temperaturabhängigkeit der thermophysikalischen Werkstoffdaten und komplexe Bauteilgeometrien berücksichtigen. Sie besitzt darüber hinaus  erheblich mehr Freiheitsgrade hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Formulierung von flächen- und volumenverteilten Wärmequellen [1, 9-11]. Ungeachtet der komplizierten Wechselwirkung zwischen Wärmequelle und Werkstoff [12, 13], dem Phasenübergang fest-flüssig [14] und dem Einfluss der Schmelzbadströmung [15] basiert die überwiegende Anzahl von Modellen ausschließlich auf der Lösung der Wärmeleitgleichung. Die Auswirkungen eines durch die latente Wärme geänderten Temperaturfeldes auf die Mechanik werden in der Regel vernachlässigt. Falls eine Berücksichtigung etwa zur Abbildung von Phasenumwandlungseffekten erforderlich ist, erfolgt dies üblicherweise durch die Formulierung einer zusätzlichen Wärmequelle bzw. -senke oder einem Sprung in der Wärmekapazität bzw. Enthalpie [16]. Die tatsächlich in die Fügestelle eingekoppelte Energie ist nicht nur vom zu fügenden Material sondern auch vom Schweißverfahren selbst abhängig. Die durch den Schweißprozess eingebrachte Wärme wirkt sich damit auf sämtliche bauteilbezogene Effekte einschließlich des Verzugs aus [17-21]. Besonders Strahl­schweißverfahren wie das Laserstrahl- oder das Elektronenstrahlschweißen weisen gegenüber den Lichtbogenschweißverfahren unterschiedliche Wechselwirkung mit dem Werkstück auf [22]. Diese Besonderheiten sind bei der modellhaften Beschreibung von Wärmequellen zu berücksichtigen [23]. Beispielhaft sei an dieser Stelle die häufig für die Simulation von Lichtbogenschweißprozessen verwendete normalverteilte doppel-ellipsoide Volumenquelle nach Goldak [24] genannt. Im Gegensatz dazu wird die konzentrierte Energieverteilung des Tiefschweißeffekts von Strahlschweißverfahren durch eine in der Ebene gaußverteilte und in der Tiefe linear variierte Volumenquelle berücksichtig [1].

Für einige Schweißverfahren existieren spezielle Prozessmodelle, welche die relevanten physikalischen Phänomene, z. B. Dampfkapillarbildung oder Ausbildung des Lichtbogens und Plasmas, berücksichtigen. Insbesondere für das Tiefschweißen mit dem Laserstrahl [25-28] als auch für das Lichtbogenschweißen [29-33] existieren explizite Modelle zur Beschreibung der geänderten Wärmeableitung infolge der auftretenden Schmelzbadströmung. Die Übereinstimmung dieser Ansätze mit experimentellen Untersuchungen ist überwiegend gut [34, 35].

Trotz des Vorhandenseins dieser Modelle wird aus Gründen der Rechenzeit und der fehlenden Kopplung mit FE-Programmen in der Regel auf eine rein phänomenologische Beschreibung der Energieeinbringung mit volumenverteilten Wärmequellen zurückgegriffen [36, 37].

Nahezu alle Simulationen des Schmelzschweißens basieren auf thermomechanisch entkoppelten Ansätzen [37], da die mechanischen Effekte nur geringe Rückwirkungen auf das Temperaturfeld und mögliche Gefügeumwandlungen besitzen. Nur ausgewählte Schweißverfahren wie beispielsweise das Reibschweißen (Kopplung von thermischem und mechanischem Ansatz) [38] und das Punktschweißen (Kopplung von thermischem, elektrodynamischem und mechanischem Ansatz) [39] erfordern eine explizite Beschreibung mit gekoppelten Modellen. Für das Schmelzschweißen sind die grundsätzlichen mechanischen Einflüsse in [2, 37] dargestellt.

Einfache Modelle zur Vorhersage von Schweißverzügen stellen analytische, empirische Berechnungsformeln dar. Für die Berechnung der beim Schweißen zu erwartenden Quer- und Längsschrumpfungen bzw. -kräfte findet man in der Literatur eine Reihe unterschiedlicher Berechnungsformeln [17, 40, 21, 41-44]. Dass die verfügbaren Berechnungsformeln für die industrielle Praxis bei Verbindungen mit einfacher Bauteil- und Nahtgeometrie weitgehend zutreffende Vorhersagen ermöglichen, wurde durch experimentelle Untersuchungen zum Schrumpfungsverhalten von verschiedenen Schweißverbindungen, deren Ergebnisse mit den Formeln überprüft wurden, nachgewiesen [45].

Einen komplexeren Berechnungsansatz stellt die vollständige numerische thermomechanische Simulation insbesondere mit Hilfe der FEM dar. Einige Quellen berichten, dass die Ermittlung des Schweißverzugs mit ausreichender Genauigkeit ohne Berücksichtigung von eventuell auftretenden Gefügeumwandlungen erfolgen kann [46], da in erster Näherung der Schweißverzug aus der plastischen Deformation der hoch erhitzten Bereiche nahe der Schweißnaht resultiert [47, 48]. Für die Berechnung der Eigenspannungsentstehung beim Schweißen sind die auftretenden Gefügeumwandlungen jedoch unbedingt zu berücksichtigen [49, 50]. Die für eine Ermittlung von Bauteilverzug und Eigenspannungen eingesetzten Modellierungsansätze sind ebenso zahlreich wie die untersuchten Schweißverfahren und Werkstoffgruppen. Eine große Anzahl von Quellen zur Schweißsimulation unterschiedlicher Schweißverfahren ist in [1-3] zu finden.

Erste Schweißsimulationen mit dem kommerziellen FE-Programmpaket ANSYS erfolgten bei [51]. Dabei wurden einfache Ansätze zur Berechnung von auftretenden Gefügeumwandlungen entwickelt [52-56]. Das in den letzten Jahren entwickelte und mit ANSYS gekoppelte Schweißsimulationstool (SST, [86]) ermöglicht eine umfassende Berücksichtigung von Gefügeumwandlungen und deren Einfluss auf die mechanischen Werkstoffeigenschaften durch die Integration einer Gefügekinetik und das neue Spitzen-Temperatur-Austenitisierungs-Abkühlzeit-Modell (STAAZ). Gleichzeitig erfolgte eine Weiterentwicklung des mechanischen Modells zur Berücksichtigung der zeitlichen und örtlichen Veränderung der inneren Belastungsgeschwindigkeit beim Schweißen. Des Weiteren wurde eine Kopplung mit einer weiterentwickelten Version des Prozessmodells DC-Lasim für das Laserstrahlschweißen [57-59] realisiert.

Das kommerzielle FE-Programm SYSWELD [14] ist ein spezifisches Programm zur Simulation schweißtechnischer Aufgabenstellungen, mit dem sowohl Gefügeumwandlungen bei Stählen als auch die Ausscheidungskinetik bei Aluminium abgebildet werden können. SYSWELD bietet außerdem u.a. eine graphische Benutzeroberfläche zur einfachen Definition von Wärmequellen für ausgewählte Schweißverfahren sowie der Eingabe von Schweißparametern und enthält bereits standardmäßig Modelle zur Berücksichtigung von Gefügeumwandlungen bei Wärmebehandlungsprozessen und beim Schweißen [60]. Die Arbeiten [61-67] beinhalten einige Ergebnisse zur Vorhersage von schweißbedingten Verzügen und Eigenspannungen unter Verwendung von SYSWELD.

Trotz der Verwendung von hoch entwickelten numerischen FE-Programmen können erhebliche Abweichungen von experimentellen Daten sowie Konvergenzprobleme bei der Gleichungs­lösung auftreten [3, 68, 69]. Grund dafür sind u.a. lokal auftretende, hohe Temperaturen und ‑gradienten, sprunghafte Änderungen der temperaturabhängigen Werkstoffkennwerte, hohe zeitliche Gradienten, Gefügeumwandlungen und große Verformungen bei dünnen Strukturen. Die Genauigkeit der Ergebnisse von FE-Rechnungen ergibt sich aus der zeitlichen und räumlichen Strukturierung  [70]. Die erforderliche hohe zeitliche und räumliche Auflösung der Schweißsimulation führt zu erheblichen Rechenzeiten bei der Simulation großer Strukturen. Aus diesem Grund werden häufig Vereinfachungen getroffen. [71-73] verwenden große Elemente auch im Bereich der Schweißnaht, was dazu führt, dass das Berechnungsergebnis abhängig von den numerischen Parametern ist. Die Kombination von zwei- und dreidimensionalen Elementen zur Reduzierung der Rechenzeit wird in [74] beschrieben. Diese unterschiedlichen Modellbildungstechniken und die Verwendung verschiedener Berechnungsprogramme führen auch bei gleichen Materialparametern und Randbedingungen teilweise zu erheblich voneinander abweichenden Ergebnissen. Dies wird in [75] dargestellt.

Neue Entwicklungen, teilweise bereits integriert im kommerziellen FE-Programm SYSWELD, beruhen auf Vereinfachungen von Verzugsberechungen und ‑abschätzungen. Zu nennen sind hier Entwicklungen wie der „Local-Global Approch“ in Kombination mit dem „Welding Assembly“ und die „Maco-Bead“-Vorgehensweise [76-78]. Diese Verfahren erlauben es teilweise, die komplexe numerische thermomechanische Schweißsimulation zu vereinfachen, bedürfen allerdings nach dem heutigen Stand der Technik weiterer Forschungsaktivitäten bezüglich der Ergebnisgenauigkeit, Aussagefähigkeit und Einschränkungen.

In der praktischen Anwendung werden verschiedenste Spannvorrichtungen verwendet, die einerseits zur Fixierung der zu verschweißenden Bauteile dienen, andererseits aber auch gezielt zur Verzugsminimierung eingesetzt werden. Für deren technisch und ökonomisch sinnvolle Auslegung ist eine Berechnung und/oder Messung der Spannkräfte notwendig [79, 80]. Der Betrag und die Richtung der erforderlichen Spannkräfte hängen hauptsächlich von der Bauteilgestalt, dem Schweißverfahren, der Lagenzahl und der Wärmeeinbringung sowie vom Werkstoff ab. Einflüsse der Geometrie auf das Verformungsvermögen der Schweißkonstruktion (Einspanngrad) werden in [81] untersucht. Es wird deutlich, dass sowohl die geometrischen wie auch die Kraft-Randbedingungen bei der numerischen Schweißsimulation korrekt berücksichtigt werden müssen. Erste numerische Ansätze bieten bereits heute die Möglichkeit, die beim Strahlschweißen benötigten Spannkräfte abzuschätzen [82, 83].

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Forschungsbedarf

In den letzten Jahren wurden und derzeit werden national und international verschiedene Projekte gefördert, die eine Neu- oder Weiterentwicklung von Methoden zur Schweißsimulation und eine Verbesserung der Anwendbarkeit zum Ziel haben bzw. hatten. Die vom DVS 2004 in Auftrag gegebene Studie „Fügeprozesssimulation - Innovative Anwendungen der Informatik“ [84] zeigt jedoch deutlich, dass weiterhin ein enormer Forschungsbedarf in diesem Bereich besteht. Dieser wurde durch die zahlreich anwesenden Industrievertreter während der konstituierenden Sitzung des in Folge der Studie gegründeten gemeinsamen Fachausschusses „Anwendungsnahe Schweißsimulation“ bestätigt und es wurden die langfristigen Ziele der vertretenen Unternehmen dokumentiert. Auf dieser Grundlage wurde durch die vier hier beteiligten Forschungsstellen der im Folgenden beschriebene Forschungsbedarf identifiziert, geeignete Forschungsziele definiert und vier aufeinander abgestimmten Teilanträge zu einem Paketantrag verbunden.

Aus industrieller Sicht ist die Entwicklung neuer und die Validierung bzw. Weiterentwicklung bestehender Methoden zur Rechenzeitreduzierung dringend erforderlich, um den wirtschaftlichen Einsatz der Schweißsimulation für komplexe Strukturen zu ermöglichen. Wichtige Ansatzpunkte zur Rechenzeitreduzierung sind dabei die Weiterentwicklung von Methoden, mit deren Hilfe der Schweißprozess vereinfacht modelliert werden kann, sowie Vernetzungsstrategien und Rechenalgorithmen. Auch ist die realitätsnahe Modellierung der Ersatzwärmequelle heute noch eine komplexe Aufgabe, die nur von einem Experten effizient gelöst werden kann. Die heute in den FE-Programmen verfügbaren Ersatzmethoden sind in der Regel nur für Spezialfälle anwendbar und nur von einem erfahrenen Nutzer zu bewerten. Im Allgemeinen ist die Verwendung solcher Ersatzmethoden mit einem Verlust an Genauigkeit des Simulationsergebnisses verbunden, wobei die Qualität des Ergebnisses im Vorfeld kaum quantifiziert werden kann. Daher besteht großer Forschungsbedarf einerseits darin, die bestehenden Ersatzmethoden hinsichtlich Anwendbarkeit und Ergebnisgüte zu qualifizieren, andererseits müssen solche vereinfachenden Methoden auch mit dem Ziel einer maximalen Einsparung an Rechenzeit bei gleichzeitiger maximaler Ergebnisgüte weiterentwickelt werden. Eine methodische Untersuchung des Gültigkeitsbereichs und der strukturellen Stabilität bestehender Ersatzmethoden soll auch im Rahmen des zum 1. November 2006 anlaufenden und von der Forschungsvereinigung Stahlanwendungen FOSTA e.V. geförderten Vorhabens „Untersuchung der strukturellen Stabilität von Modellen zur Schweißverzugssimulation bei Stahlwerkstoffen“ durchgeführt werden. Beide Forschungsvorhaben ergänzen sich, wobei innerhalb des FOSTA-Projekts ausschließlich Stahlwerkstoffe und Laserschweißprozesse untersucht werden sollen. Im Rahmen des Paketantrags hingegen sollen auch Aluminium-Bauteile und MIG-Schweißverfahren untersucht werden. Eine wesentliche Erweiterung der innerhalb des Paketantrags vorgesehenen Aufgaben ist darüber hinaus die Weiter- und Neuentwicklung von Ersatzmethoden sowie die Anwendung auf Bauteile mit deutlich höherem Komplexitätsgrad der betrachteten Geometrien.

Ein weiterer Forschungsbedarf besteht in der physikalisch transparenten Modellierung der vorliegenden Einspannbedingungen. Eine nahtnahe Einspannung hat einen Einfluss auf das Temperaturfeld, welches nach dem Verständnis der Wärmewirkung des Schweißens als wesentliche Randbedingung zur Ausbildung von Verzug und Eigenspannungen im gefügten Bauteil anzusehen ist. Die Auswirkungen verschiedener industriell eingesetzter Spanntechniken und ihre numerische Modellierung, vor allem im Bereich der thermomechanischen Simulation, sind bisher nicht umfassend untersucht.

Eine Reduzierung des Aufwandes zur Ermittlung temperaturabhängiger Werkstoffkennwerte ist wichtig und vorrangig dadurch möglich, dass detaillierte Erkenntnisse zur Abhängigkeit der Berechnungsergebnisse von den Eingangsgrößen, d.h. deren Sensibilität, existieren. Hier besteht Forschungsbedarf. Aktuelle Forschungsvorhaben beschäftigen sich mit diesem Problem ausschließlich vor dem Hintergrund von exemplarischen Probekörpern. Eine Erweiterung ist notwendig, da eine Übertragung dieser Ergebnisse auf komplexe Strukturen bisher nicht untersucht wurde und eine Abhängigkeit von der Geometrie und vom Einspanngrad zu erwarten ist.

Zur Berücksichtigung der mikrostrukturellen Einwirkung vorgelagerter Prozesse, wie z.B. des Umformens, existieren in einigen Softwareprodukten Schnittstellen. Als Beispiel hierfür ist die Umformsimulationen zu nennen. Üblicherweise wird diese unter Anwendung von Schalenelementen ausgeführt. Eine Übertragung auf das in vielen Fällen von der Schweißsimulation benötigte Netz aus Volumenelementen konnte bereits exemplarisch anhand einiger Demonstratorbauteile realisiert werden [85]. Allerdings können die Anforderungen der Industrie im Hinblick auf effiziente Vorgehensweisen zur Berücksichtigung unterschiedlicher Fertigungsprozesse durch die hier vorgestellte Methodik noch nicht erfüllt werden. Insbesondere ist ergänzend zu untersuchen, wie die aus der Vorgeschichte resultierenden Eigenspannungen im Bauteil das Verzugs- und Eigenspannungsergebnis der Schweißsimulation beeinflussen. Allgemein gültige Erkenntnisse zu dieser Fragestellung existieren bislang noch nicht.

In den meisten Fällen wird die Schweißsimulation bisher für isolierte, einlagige Nähte ausgeführt. Zur Wechselwirkung mehrerer örtlich und zeitlich benachbarter Schweißungen in Bauteilen existieren nur wenige Erkenntnisse, nicht zuletzt wegen der fehlenden Materialdaten und der Vielzahl von Schweißungen. Auch für das Heften, in vielen Fertigungen häufig zur vorbereitenden Fixierung der Bauteile vor dem Fügen angewendet, liegen keine detaillierten Ergebnisse vor.

Auch nachgeschaltete Prozesse, wie z.B. Richtvorgänge oder das Strahlen, können die Eigenschaften des Bauteils deutlich verändern. Die Diskussion im Fachausschuss ergab jedoch, dass zwar die rechnerische Abbildung der gesamten Prozesskette als langfristiges Ziel der Arbeiten gesehen wird, allerdings vor dem Hintergrund des Standes der Technik für aktuelle Forschungsprojekte eine Beschränkung auf die Fertigungsschritte bis zum Vorliegen des Schweißergebnisses gewünscht wird.

Eine Neu- oder Weiterentwicklung von Prozessmodellen für verschiedene Schweißverfahren wurde durch den Fachausschuss explizit ausgeklammert. Forschungsprojekte zu diesen Themen sollen weiterhin durch die zugeordneten Fachausschüsse der verschiedenen Mitgliedsvereinigungen behandelt werden. Die geplanten Arbeiten gehen daher von der Anwendung äquivalenter Ersatzwärmequellen aus.

In der Diskussion der konstituierenden Sitzung des Gemeinschaftsausschusses wurde die Verzugsberechnung als Ziel der Schweißsimulation durch die Industrievertreter deutlich in den Vordergrund gestellt. Daher sollen die oben dargestellten Inhalte hauptsächlich im Hinblick auf ihre Relevanz für die Verzugsberechnung untersucht werden.

Häufig wird aus industrieller Sicht die schlechte Bedienbarkeit der vorhandenen Softwareprodukte bemängelt. Dieses stellt jedoch keinen direkten Forschungsbedarf dar, sondern kann nur als Aufgabe der Softwarehäuser verstanden werden.

Eine Entwicklung von Optimierungsalgorithmen ist nicht Gegenstand dieses Paketantrags. Die Existenz effizienter Berechnungsverfahren versetzt vielmehr den Konstrukteur frühzeitig in die Lage, verschiedene Maßnahmen zur Verzugsminimierung rechnerisch zu bewerten. Weiterhin ist die Existenz effizienter Berechnungsverfahren eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz vorhandener Optimierungsalgorithmen, die in großer Zahl am Markt verfügbar sind.

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