Angewandte Prozesssimulation mit SimWeld 3 GMAW - Tl-ing.de

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ISF-Kolloquium , Praxisnahe Simulation in der Schweißtechnik, Aachen, 24.10.2012
Angewandte Prozesssimulation mit
SimWeld 3 GMAW
Dr.-Ing. Oleg Mokrov
ISF – Institut für Schweißen und Fügeverfahren

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• Motivation und Entwicklungsgeschichte
• Simulationsmodell
• Möglichkeiten
• Übereinstimmung
• Interface zur Struktursimulation
• Zusammenfassung
Gliederung

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

Eingabe
Ziel
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SchweißprozessSimulation Simulation des Wärme Effekts des Schweißens
Naht Geometrie
?
Motivation. Integrative Schweißsimulation

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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.

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• 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. 0.5 – 2 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?

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1989 1991-1992 1993 1995 1998 2000
• 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
2002 2003 2006 2011 201X
• 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

Wärmeeintrag
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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

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L
+
I(t)
-
l 1
l 2
Halbempirisch:
Lichtbogenplasma Bereich
U wire
wire
U cat
l U an 3
U col
z wire
L 0
l col
r col
z c1
z c2
l
U cont U
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

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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

Current, I
I
U
Voltage , U
I
U
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U=const
Up
Droplet detachment
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

I
U
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?
U(t)
I p
I b
?
t pulse
t
PROCESS MODEL
Rückkopplung Spannung U(t)
Nächster Strom I(t+Dt)
Regulator
Interaktion Model Regulator

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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)

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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

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

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

Mittlere Spannung, [V]
Mittlere elektrische Leistung, [W]
Mittlerer Strom, [A]
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28 JWA & JWC-Series
U/I Modulation
26
300
250
JWA & JWC Series
U/I Modulation
24
22
20
18
MeanVJWA
MeanVJWC
MeanVSim
16
2 4 6 8 10 12 14
Drahtvorschubgeschwindigkeit[m/min]
200
150
100
50
MeanIJWA
EffIJWA
MeanIJWC
EffIJWC
MeanISim
EffISim
2 4 6 8 10 12 14
Drahtvorschubgeschwindigkeit[ m/min]
8000
JWA & JWC-Series
U/I Modulation
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
2 4 6 8 10 12 14
MeanPJWA
MeanPJWC
MeanPSim
Drahtvorschubgeschwindigkeit[m/min]
Grundwerkstoff
Blindschweißung
Werkstückdicke
Schweißdraht
Drahtdurchmesser
Schutzgas
Prozess Typ
Kontaktrohrabstand
DC01
2,99mm
YM-28S / JIS-3312
1,0mm
Corgon18
U/I-Modulation
15mm
SimWeld Verifikation. Modell Verifikation

Mittlere Leistung, [W]
Mittlere Spannung, [V]
Mittlere Strom, [A]
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26
25
JWB-Serie
U/I Modulation
250
JWB-Serie
U/I Modulation
MeanI
EffI
MeanISimN3
EffISimN3
24
23
22
5300 v wire
= 8 m/min
5200
5100
5000
4900
4800
4700
4600
4500
4400
4300
4200
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"
10 12 14 16 18
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
MeanPSimN3
10 12 14 16 18
Kontaktrohrabstand, [mm]
200
150
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"
10 12 14 16 18
Kontaktrohrabstand, [mm]
Grundwerkstoff
Blindschweißung
Werkstückdicke
Schweißdraht
Drahtdurchmesser
Schutzgas
Prozess Typ
DC01
2,99mm
YM-28S / JIS-3312
1,0mm
Corgon18
Drahtvorschubgeschwindigkeit
U/I-Modulation
8 m/min
SimWeld Verifikation. Modell Verifikation

Power (simulation), P [W]
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11000
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10000
9000
8000
7000
6000
Exp. x Sim.
5000
x=y
+/- 10% Abweichung
+/- 5% Abweichung
4000
4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
Power (experiments), P [W]
SimWeld Verifikation. Leistung (Simulation vs.
Experiment)

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SimWeld Verifikation. Stumpfstoß Experimente

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SimWeld Verifikation. T-Stoß Experiment

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SimWeld Verifikation. Überlappstoß Experimente

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

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• 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

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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• 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

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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)

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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