Simulation Wärmeeintrag in Werkstücke simulieren und praktisch abgleichen

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) in Wissen bieten für kleine und mittelständische Unternehmen Dienstleistungen zur Messung von diskreten Temperaturverläufen, sowie zur Ermittlung von Temperaturfeldern mittels FEM-Simulation an. So lässt sich der Wärmeeintrag für weitere Prozessschritte analysieren, um damit z. B.schon vor weiteren Verarbeitungsschritten von Bauteilen mögliche Oberflächen-Temperaturen mittels Messung, bzw. gesamte Temperaturverteilungen mittels Simulation zu ermitteln.

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Mit dem berechneten Temperaturfeld eines Schweißvorgangs lässt sich erkennen, wie sich die lediglich im Schweißbereich eingebrachte Wärme im gesamten Werkstück verteilt.
Mit dem berechneten Temperaturfeld eines Schweißvorgangs lässt sich erkennen, wie sich die lediglich im Schweißbereich eingebrachte Wärme im gesamten Werkstück verteilt.
(Bild: TIME)

Aus dem täglichen Leben ist bekannt: Beim Backen ist es nicht nur wichtig zu wissen, welche Temperatur im Ofeninneren herrscht, sondern auch, wie heiß z.B. der Türbereich und der Griff sein wird. Für das industrielle Umfeld bedeutet das: Wie erwärmen sich während der Fertigung und dem späteren Einsatz Materialien und Bauteile? An welcher Stelle treten welche Temperaturen auf und welche Spannungen und Veränderungen ergeben sich dadurch? Auch wärmeerzeugende Verfahren wie die Schweißtechnik stehen hier aktuell im Fokus.

Welche Temperatur erreicht die Außenhaut eines Bauteils bei bestehender Dämmung und Innentemperatur? Bei einem Hochofen beispielsweise lässt sich bei Kenntnis der Roheisen-Temperatur und der Materialkennwerte sowie Dicke der Ausmauerung und des Stahlmantels der Temperaturverlauf über die Wanddicke berechnen. Gleichzeitig werden die entstehenden Spannungen im Material berechnet. Fragestellungen dazu könnten sein: Hält der Stahlmantel den Beanspruchungen stand? Muss die Dämmung für eine maximale Außentemperatur verbessert werden oder reicht die vorhandene Dämmung aus?

Berechenbarer Verzug im Bauteil

Bei Schweißprozessen ist ein entstehendes Temperaturfeld durch die Wärmeeinbringung für Verzug und Eigenspannungen in den verbundenen Bauteilen verantwortlich. Mit dem Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) lässt sich das jeweilige Temperaturfeld berechnen und in der Praxis mit Methoden zur Temperaturmessung validieren. „Diese Temperaturfeld-Berechnung kann die Voraussetzung zur weitergehenden Berechnung von Verzug und Spannungen sein“, erklärt Berechnungsingenieur Matthias Baszczok.

TIME bietet KMUs – also kleinen und mittelständischen Unternehmen - sowohl die Messung diskreter Temperaturverläufe an, als auch die Berechnung mittels FEM. Für die Simulation können alle Formen der Wärmeübertragung, also Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung als Randbedingungen berücksichtigt werden. Ebenfalls möglich ist die Berechnung von Temperaturfeldern, die bedingt durch den elektrischen Widerstand bei Stromzufuhr entstehen. „Dazu verwenden wir gekoppelte thermisch-elektrische Simulationen“, sagt der TIME-Experte. Der praktische Abgleich der gewonnen Daten erfolgt in Form von Temperaturmessungen mit Temperaturmessfühlern und Temperatur-Messstiften oder auch über die Beurteilung von Anlauffarben. TIME-Mitarbeiter Tobias Girresser: „Mit speziellem Messwerkzeug können beim Widerstandsschweißen außerdem der Strom- und Spannungsverlauf über der Zeit aufgenommen und als Eingabeparameter für die folgenden Simulationen genutzt werden.“

Temperaturmessungen in der Praxis

Mobile Temperaturmessfühler können direkt mit den Messorten kontaktiert werden. Dauerhafte oder über einen längeren Zeitraum messende Fühler lassen sich über Punktschweißverbindungen auf die Proben aufbringen.

Mit Temperaturmessstiften lässt sich überprüfen, ob eine definierte Temperatur erreicht wird. „Damit markieren wir vor oder direkt nach der Einbringung von Wärme den zu untersuchenden Bereich des Bauteils“, erläutert Girresser. „Man erkennt anhand der verlaufenden Markierung, ob die Temperatur erreicht wurde.“ Die verwendeten Stifte enthalten Wachse, die einen definierten Schmelzpunkt haben.

Weiterhin kann ein Temperaturfeld durch den Abgleich der Anlauffarben des Materials beschrieben werden. Diese charakteristischen Temperaturverläufe, die durch Oxidationen auf der Werkstoffoberfläche entstehen, geben Rückschlüsse auf die erreichten Temperaturen während der Wärmeeinbringung. Ein direkter Vergleich zwischen den berechneten FEM-Daten und den Anlauffarben ist somit möglich.

Wärmeeintrag beim Schweißen simulieren

Als griffiges Beispiel für die Wärmeeinwirkung nennt Tobias Girresser die Vorgänge beim Wolfram-Inertgas-Schweißen: „Durch eine Simulation unter Berücksichtigung einer wandernden Wärmequelle und Wärmeleitung innerhalb der Bauteile können wir die Temperaturfelder genau berechnen. Ein Abgleich erfolgt dann über die Messung der Temperaturen mittels Thermoelementen, die in einigem Abstand entlang der Schweißnaht aufgepunktet werden.“ Zusätzlich erstellte Schliffbilder des Schweißnahtquerschnitts machen die Ausprägung der Wärmeeinflusszone sichtbar. „Ein genauer Vergleich zwischen Simulation und Praxis ist so möglich“, sagt Tobias Girresser. „Ziel dieses Abgleichs zwischen Simulation und Praxis ist es, für ähnliche Schweißverbindungen mittels gekoppelter thermischer und Struktur-Simulation den Verzug vorhersagen zu können und eine optimale Schweißstrategie hinsichtlich Schweißparameter und Reihenfolge vorzugeben.“ (jup)

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