Angewandte Prozesssimulation mit SimWeld 3 GMAW

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1 PAGE 1 ISF-Kolloquium, Praxisnahe Simulation in der Schweißtechnik, Aachen, Angewandte Prozesssimulation mit SimWeld 3 GMAW Dr.-Ing. Oleg Mokrov ISF Institut für Schweißen und Fügeverfahren

2 PAGE 2 Motivation und Entwicklungsgeschichte Simulationsmodell Möglichkeiten Übereinstimmung Interface zur Struktursimulation Zusammenfassung Gliederung

3 SimWeld PAGE 3 SYSWELD, ANSYS, MARC, SIMUFACT Radaj, 2002 Motivation. Schweißsimulation

4 Eingabe Ziel ISF 2012 PAGE 4 SchweißprozessSimulation Simulation des Wärme Effekts des Schweißens Naht Geometrie? Motivation. Integrative Schweißsimulation

5 PAGE 5 Das Metallschutzgasschweißen steht mit einer Anzahl von gekoppelten nicht linearen Prozessen in Verbindung, die Selbstregulierung inbegriffen: die Betrachtung von einzelnen Phänomenen ist nur möglich im gekoppelten Verhalten Die quantitative Angabe des Wärmeeintrages und der Schweißnahtgeometrie ist für die Berechnung des Spannungs-Dehnungszustandes von geschweißten Strukturen notwendig Das genaue Modellieren der Wärmequellenintensität erfordert die Betrachtung der Algorithmen der Prozessregulation von modernen digital gesteuerten Schweißenergiequellen Die Modellierung unterstützt die Verbesserung und Entwicklung der Prozesssteuerung und -regulierung Motivation. Genaue Simulation Metallschutzgasschweißen.

6 PAGE 6 Desktopanwendung für MS Windows Simulationssoftware: Schweißprozesssimulation In Forschungs- und Industrieprojekten kontinuierlich weiterentwickelt MIG/MAG-Schweißen mit 3 verschiedenen parametrisierbaren Werkstückkonstellationen Kopplung mit Steuerungsalgorithmen von Schweißstromquellen (CLOOS, OTC, EWM) ca Minuten Berechnungszeit Ergebnisse: Schweißbadgeometrie räumlicher/zeitlicher Temperaturverlauf eingebrachte Energiemenge Äquivalente Wärmequelle für die Struktursimulation Kopplung mit kommerzieller FEM-Software (SYSWELD) zur weiteren Simulation Was ist SimWeld?

7 PAGE TSU 1) Stumpfstoß 2D-Darstellung FORTRAN UNIX 3 Entwickler 128 KB RAM TSU, ISF 2) Stumpfstoß 2D-Darstellung Modula MS DOS 16-bit (x86) 3 Entwickler 640 KB RAM MAGSIM 1.X TSU, ISF Stumpfstoß 2D-Darstellung Graph Vision Turbo Vision Object Pascal MS DOS 16-bit (x286) 3 Entwickler 640 KB RAM MAGSIM 2.X TSU, ISF Stumpfstoß + Kehlnaht 2D/3D-Darstellung Graph Vision Delphi 1 Object Pascal Windows 16-bit (x286) 4 Entwickler 1 MB RAM MAGSIM 3.X TSU, ISF Stumpfstoß + Kehlnaht 2D/3D-Darstellung GLScene ein Programm Delphi 3 Object Pascal Windows 32-bit (x386) 4 Entwickler 4 MB RAM TSIM TSU, ISF Tandemschweißen 2/D3D-Darstellung GLScene mehrere Programme Delphi 4 Object Pascal Windows 32-bit 6 Entwickler 10 MB RAM X SimWeld 0.X ISF nichtstationärer Lichtbogenprozess 2D/3D-Darstellung GLScene mehrere Programme Delphi 5 Object Pascal Windows 32-bit 2 Entwickler 10 MB RAM SimWeld 1.X ISF Zusatzwerkstoff, Regelung Stromquelle 2D/3D-Darstellung GLScene mehrere Programme Delphi 7 Delphi Windows 32-bit 3 Entwickler 10 MB RAM SimWeld 2.X ISF,OTC 3),ESI 4),VTT 5) offline Stromquellenkopplung 2D/3D-Darstellung GLScene mehrere Programme Delphi 2006, MS VS Delphi, C++ Windows 32-bit 4 Entwickler 10 MB RAM SimWeld SE ISF, Industriepartner Unterpulver, Mehr-draht, Gegenlage 2D/3D-Darstellung GLScene ein Programm Delphi 2006, MS VS Delphi, C++ Windows 32-bit 2 Entwickler 2 GB RAM SimWeld 3.X ISF Delphi, Neue Struktur des Programs Neues Interface 1) Tula State University, RU 2) Institut für Schweißtechnik + Fügetechnik der RWTH Aachen University, DE 3) OTC DAIHEN, JP 4) ESI Group, FR 5) VTT Technical Research Centre of Finland, FI Die Evolution von SimWeld

8 Wärmeeintrag ISF 2012 PAGE 8 Sub-Modell der Wärme Quelle Draht-Tropfen-Lichtbogen -Wärmeleitung im Draht -Ohmsche Erwärmung, Übergangs widerstand -Anode, Kathode und Lichtbogen -Elektromagnetische Kraft Sub-Modell des Wärmeflusses Numerische Lösung der Wärme Übertragung -Nichtlineare Gleichung -Kathode, Tropfen und Lichtbogenwärmequellen -Temperaturabh. Werkstoffeigenschaften -Latente Schmelzwärme -Einfluss der nicht ebenen Oberfläche -schnelle 3D Lösungsmethode Schmelzungsrand Sub-Modell der freien Oberfläche Schmelzbad freie Oberfläche und Naht- Ausbildung -Lichtbogendruckverteilung -Gravitation -Massenbilanz -Aufschmelzung isotherm als Randbedingung Geometrie SimWeld. Simulation Prozess Sub-modelle

9 PAGE 9 l 2 Halbempirisch: Lichtbogenplasma Bereich L + I(t) - l 1 z c1 z c2 l wire U cont U wire U L 0 z wire l col r col l 3 U cat U col U an Konstante Drahtfördergeschwindigkeit; Konstanter Kontaktrohr Abstand; Energiegleichgewicht zwischen elektrischer Energie und Wärmeenergien unter Berücksichtigung der Verdampfung; Massengleichgewicht zwischen Drahtvorschubgeschwindigkeit und Tropfenmassen elektrischer und Wärmeenergien; 2D Rotationssymmetrie für Temperaturverteilung und Tropfengeometrie. z SimWeld. Grundlagen der Lichtbogenwärmequelle des Metallschutzgasschweiß-Prozesses

10 PAGE 10 Eingabe Daten: Die Stromquellen und ihre Steueralgorithmen Draht, Werkstoffeigenschaften Prozessparameter (V D, Impulsparameter) Modelle der Stromquelle, Draht, Tropfen, Lichtbogen Ausgabe Daten: Kathoden-, Lichtbogensäulen- und Anoden - Spannungsabsenkung U c, U anode, U arc Durchschnittliche Stromstärke, Spannung, Tropfen und Säulenleistung (I, U, P dr, P arc ) Prozesswirkungsgrad Tropfentemperatur SimWeld. Simulation des Lichtbogens als Wärmequelle

11 U I Current, I Voltage, U I U ISF 2012 PAGE 11 U=const Up Droplet detac hm ent I=I(t) Ig Time, t t U=U(t) Die implementierte Prozesssteuerung Ip Ig Normal Prozess: U = const, Puls Prozess: U/I Modulation, Puls Prozess: I/I Modulation t SimWeld. Implementierte Prozess-Regulation

12 U I ISF 2012 PAGE 12? U(t) I p I b? t pulse t PROCESS MODEL Rückkopplung Spannung U(t) Nächster Strom I(t+Dt) Regulator Interaktion Model<-> Regulator

13 PAGE 13 Process definition IniFile Initialization SimWeld.ArcSolver (MSGQuelle.exe) Simulation Step GetNextCommand Regulation.dll Next Step? No Finalization Struktur von SimWeld. ArcSolver mit externer Regulation (OTC/EWM)

14 PAGE 14 Ausgabe Daten: Kathoden-, Lichtbogensäulen- Anoden - Spannungsabsenkung U c, U anode, U arc Durchschnittliche Stromstärke, Spannung, Tropfen Säulenleistung (I, U, P dr, P arc ) Prozesswirkungsgrad Tropfentemperatur SimWeld. Arc Solver Videoaufnahme

15 PAGE 15 Die SimWeld Simulation berücksichtigt die Stossart, die Blechgeometrie, den Spalt zwischen den Blechen und die Brennerpositionen. SimWeld. Ergebnisse mit unterschiedlicher Schweißausrichtung

16 PAGE 16 Werkstoffeigenschaften: Enthalpie / Wärmekapazität (T); Wärmeleitfähigkeit (T); Dichte(T); Spez. El. Widerstand (T); Oberflächenspannung (T); (T) alle diese Eigenschaften sind temperaturabhängig SimWeld. Werkstoffeigenschaften Editor

17 Mittlere elektrische Leistung, [W] Mittlere Spannung, [V] Mittlerer Strom, [A] ISF 2012 PAGE JWA & JWC-Series U/I Modulation JWA & JWC Series U/I Modulation MeanVJWA MeanVJWC MeanVSim Drahtvorschubgeschwindigkeit[m/min] MeanIJWA EffIJWA MeanIJWC EffIJWC MeanISim EffISim Drahtvorschubgeschwindigkeit[ m/min] 8000 JWA & JWC-Series U/I Modulation MeanPJWA MeanPJWC MeanPSim Drahtvorschubgeschwindigkeit[m/min] Grundwerkstoff Blindschweißung Werkstückdicke Schweißdraht Drahtdurchmesser Schutzgas Prozess Typ Kontaktrohrabstand DC01 2,99mm YM-28S / JIS ,0mm Corgon18 U/I-Modulation 15mm SimWeld Verifikation. Modell Verifikation

18 Mittlere Leistung, [W] Mittlere Spannung, [V] Mittlere Strom, [A] ISF 2012 PAGE JWB-Serie U/I Modulation 250 JWB-Serie U/I Modulation MeanI EffI MeanISimN3 EffISimN v wire = 8 m/min JWB-Serie U/I Modulation MeanV MeanVSimN3 v wire = 8 m/min t p = 1,8 s f= 147 Hz I b = 35,0 A U p = 36.6 V pulse shape = "very flat" Kontaktrohrabstand [mm] t p = 1,8 s f= 147 Hz I b = 35,0 A U p = 36.6 V pulse shape = "very flat" MeanP MeanPSimN Kontaktrohrabstand, [mm] v wire = 8 m/min t p = 1,8 s f= 147 Hz I b = 35,0 A U p = 36.6 V pulse shape = "very flat" Kontaktrohrabstand, [mm] Grundwerkstoff Blindschweißung Werkstückdicke Schweißdraht Drahtdurchmesser Schutzgas Prozess Typ DC01 2,99mm YM-28S / JIS ,0mm Corgon18 Drahtvorschubgeschwindigkeit U/I-Modulation 8 m/min SimWeld Verifikation. Modell Verifikation

19 Power (simulation), P [W] ISF PAGE Exp. x Sim x=y +/- 10% Abweichung +/- 5% Abweichung Power (experiments), P [W] SimWeld Verifikation. Leistung (Simulation vs. Experiment)

20 PAGE 20 SimWeld Verifikation. Stumpfstoß Experimente

21 PAGE 21 SimWeld Verifikation. T-Stoß Experiment

22 PAGE 22 SimWeld Verifikation. Überlappstoß Experimente

23 PAGE 23 Eingabeparameter für SYSWELD, automatisch generiert von SimWeld. SimWeld Simulation Schmelzbad ist getrennt von der Schweißnaht q r a r b c q f a f Erzeugung von äquivalenten Ellipsoiden Definition der Energieparameter Definition der Verteilungsparameter Erzeugung der Fortran Subroutine SYSWELD Fortran Subroutine Ausgabe Interface. Erzeugung der Wärmequellen Funktion von SYSWELD

24 PAGE 24 Die Einbindung der Steuerungs-und Regelungsalgorithmen der Industriestromquellen erlaubt, den Prozess mit einer hohen ingeniermäßigen Genauigkeit zu simulieren ( ~10% Toleranz für die Leistung). SimWeld ermöglicht, die MAG/MIG Schweißnaht von Stählen und Aluminiumlegierungen zu simulieren, im Stumpfstoß, als Kehlnahtverbindung und Überlappstoß unter Berücksichtigung der realen Fertigungsbedingungen des Schweißens. Die Kopplung der Schweißprozesssimulation mit FEM und CAD Programmen eröffnet erweiterte Einsatzmöglichkeiten für integrative Modellbildung des Schweißens einschließlich Produkteigenschaften und Optimierung. Die Nutzung des Programms gibt dem Anwender eine Möglichkeit, den Umfang der Prozessparameter zu begrenzen, die ausgewählt werden können mittels der Simulation und dadurch das Minimieren der Anzahl der notwendigen Experimente. Zusammenfassung

25 PAGE 25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

26 PAGE 26 Formalisation of input parameter set formalisation and coupling of process control algorithms development of input parameters task development of model interface process control implementation SimWeld Future: Integration of the welding equipment

27 PAGE 27 SimWeld / OTC Non-Pulse Simulation (actual) Constant wire feed speed; Constant contact tube distance; Droplet detachment in the short circuit phase using the electrical current regulation Energy calculation deviation from experiments is more as 15% Lincoln Electric Constant wire feed speed; Constant contact tube distance; Droplet detachment in the short circuit phase using the electrical current regulation Fronius Variable bi-directional wire feed speed; Constant contact tube distance; Droplet detachment in the short circuit phase using the electrical current regulation and the reverse wire feed Pulse / Non-Pulse Process (e. g. OTC) Future: Surface Tension Transfer (STT) Cold Metal Transfer (CMT)

28 PAGE 28 Actual simulation models of SimWeld for droplets and weld seam surface are calculated separately This is not acceptable for the droplet transfer with the short circuit phase. The droplet detachment and metal transfer can be simulated accurately only if both models are coupled Bi-directional wire feed model The common calculation demands association on level of models as well as on the level of programs. Future: Common calculation of droplets and the weld pool surface