Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Paderborn, 1986.

Es wird ein Überblick über ein Modell zur Simulation des Punktschweißvorganges in Ansys APDL gegeben, Kernproblem sind darin die reibungsbehafteten Kontaktstellen. Die Aspekte der Kontaktmodellierung werden in Zusammenhang mit den Besonderheiten des Modells gebracht. Es wird auf Möglichkeiten der numerischen Kontaktstabilisierung mit Bordmitteln eingegangen. Ferner wird ein Ansatz einer zusätzlichen Kontaktstabilisierung dargestellt und bewertet.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Es wird ein Überblick über ein Modell zur Simulation des Punktschweißvorganges in Ansys APDL gegeben, Kernproblem sind darin die reibungsbehafteten Kontaktstellen. Die Aspekte der Kontaktmodellierung werden in Zusammenhang mit den Besonderheiten des Modells gebracht. Es wird auf Möglichkeiten der numerischen Kontaktstabilisierung mit Bordmitteln eingegangen. Ferner wird ein Ansatz einer zusätzlichen Kontaktstabilisierung dargestellt und bewertet.

Es wird ein Überblick über die Bedeutung des Übergangswiderstandes beim Pressschweißen, sowie dessen physikalische Ursachen gegeben. Ausgewählte etablierte und neuere Ansätze der mathematischen Beschreibung des Übergangswiderstandes und deren Charakteristika werden dargestellt und charakterisiert. Im Vergleich wird der empirische Ansatz des KMK-Modells des Übergangswiderstandes dargestellt und dessen Implementierung in das FEM- Programmsystem erläutert. Ein Anwendungsbeispiel belegt die Qualität der mit dem Modell durchführbaren Simulationen, und zeigt daraus resultierende vertiefte Bewertungsmöglichkeiten des Schweißvorganges auf.

Die Analyse der geometrischen Voraussetzungen der Schweißstelle bildet die Grundlage der Arbeit. Es wurde ein künstlicher Passfehler definiert, an welchem eine systematische Variation von geometrischen Parametern des Spaltes zwischen den Blechen an 22MnB5 und DC04 durchgeführt wurde. Erstmals werden die Kontaktradien durch Kennzahlen in analytischen Zusammenhang mit der Verlagerung der Wärmefreisetzung in der Umgebung der Kontakte gebracht. Am Vergütungsstahl wird vorrangig der Kontaktradius zwischen den Blechen infolge des Spaltes verringert. Erhöhte Elektrodenkraft kann dies nicht kompensieren. Messungen des dynamischen elektrischen Widerstandes charakterisieren das elektrische Verhalten der Schweißstelle und wurden mittels des KMK-Modells implizit auf den temperatur- und druckabhängigen spezifischen Übergangswiderstand übertragen. Der feueraluminierte Vergütungsstahl zeigt am Blech-Blech Kontakt einen über dreimal so hohen Übergangswiderstand wie am Elektrode-Blech Kontakt. Zeigt der 22MnB5 über 600 K grundsätzlich einen größeren Übergangswiderstand als andere Stähle, so ist bei niedrigeren Temperaturen sein Übergangswiderstand kleiner als an verschiedenen anderen Werkstoffen. Schweißversuche zeigten, dass der Linsendurchmesser an 22MnB5 infolge des Passabstandesunter den Mindestdurchmesser abnimmt, damit einher geht eine Absenkung der Schweißenergie um maximal 15 %. Durch Erhöhung des Schweißstromes sind qualitätsgerechte Schweißungen auch am Spalt möglich. Die Spritzergrenze verschiebt sich durch den Spalt zu größeren Strömen hin. Eine vertiefte Analyse der Wärmeströme zeigte, dass mindestens 30 % der Schweißwärme an den Elektrode-Blech Kontakten freigesetzt werden, mindestens 48 % entfallen auf den Stoffwiderstand des Bleches. Die Absenkung der Schweißwärme am Passfehler ist ausschließlich auf einen verminderten Stoffwiderstand zurückzuführen, welcher durch verstärktes Einsinken der Elektroden hervorgerufen wird. / The analysis of the geometric prerequisites at the weld site is the fundament of this work. An artificial form error has been defined, on which the systematic Variation of geometric parameters of the gap between sheets of 22MnB5 and DC04 have been carried out. For the first time, the contact radii have been brought into analytical relation to the relocation of heat release in the contact’s environment. On the heat-treatable steel predominantly the contact radius between the sheets is decreased as a result of the gap. Increased electrode forces cannot compensate the effect. Measurements of the electric resistance on the accurately-fitting joint characterize the electric behaviour of the weld and have been implicitly transferred to the temperature and pressure-dependent specific transition resistance by means of numerical simulation. On the sheet-sheet contact, the hot-dip aluminized heat-treatable steel showed a three times larger transition resistance than at the electrode-sheet contact. Whereas the 22MnB5 fundamentally has a bigger transition resistance than other steels above 600 K, at lower temperatures his transition resistance is superseded by that of different other steels. Welding experiments proved, that the nugget diameter in 22MnB5 is reduced below the minimum criterion by the gap. Along with this, the welding energy is reduced by a maximum of 15 %. By increasing the welding current welded joints meeting the quality criterion can be produced as well when a gap is present. The splash limit is moved to larger currents as an effect of the gap. An in-depth review of the heat flows in the welding process showed, the at least 30 % of the weld heat are released at the sheet-sheet contacts, at least 48 % are allotted to the bulk resistance of the sheets. The decrease of weld heat at the gap is exclusively attributed to a decrease of the bulk resistance of the sheets, which is generated by increased sink-in of the electrodes.

Die Analyse der geometrischen Voraussetzungen der Schweißstelle bildet die Grundlage der Arbeit. Es wurde ein künstlicher Passfehler definiert, an welchem eine systematische Variation von geometrischen Parametern des Spaltes zwischen den Blechen an 22MnB5 und DC04 durchgeführt wurde. Erstmals werden die Kontaktradien durch Kennzahlen in analytischen Zusammenhang mit der Verlagerung der Wärmefreisetzung in der Umgebung der Kontakte gebracht. Am Vergütungsstahl wird vorrangig der Kontaktradius zwischen den Blechen infolge des Spaltes verringert. Erhöhte Elektrodenkraft kann dies nicht kompensieren. Messungen des dynamischen elektrischen Widerstandes charakterisieren das elektrische Verhalten der Schweißstelle und wurden mittels des KMK-Modells implizit auf den temperatur- und druckabhängigen spezifischen Übergangswiderstand übertragen. Der feueraluminierte Vergütungsstahl zeigt am Blech-Blech Kontakt einen über dreimal so hohen Übergangswiderstand wie am Elektrode-Blech Kontakt. Zeigt der 22MnB5 über 600 K grundsätzlich einen größeren Übergangswiderstand als andere Stähle, so ist bei niedrigeren Temperaturen sein Übergangswiderstand kleiner als an verschiedenen anderen Werkstoffen. Schweißversuche zeigten, dass der Linsendurchmesser an 22MnB5 infolge des Passabstandesunter den Mindestdurchmesser abnimmt, damit einher geht eine Absenkung der Schweißenergie um maximal 15 %. Durch Erhöhung des Schweißstromes sind qualitätsgerechte Schweißungen auch am Spalt möglich. Die Spritzergrenze verschiebt sich durch den Spalt zu größeren Strömen hin. Eine vertiefte Analyse der Wärmeströme zeigte, dass mindestens 30 % der Schweißwärme an den Elektrode-Blech Kontakten freigesetzt werden, mindestens 48 % entfallen auf den Stoffwiderstand des Bleches. Die Absenkung der Schweißwärme am Passfehler ist ausschließlich auf einen verminderten Stoffwiderstand zurückzuführen, welcher durch verstärktes Einsinken der Elektroden hervorgerufen wird. / The analysis of the geometric prerequisites at the weld site is the fundament of this work. An artificial form error has been defined, on which the systematic Variation of geometric parameters of the gap between sheets of 22MnB5 and DC04 have been carried out. For the first time, the contact radii have been brought into analytical relation to the relocation of heat release in the contact’s environment. On the heat-treatable steel predominantly the contact radius between the sheets is decreased as a result of the gap. Increased electrode forces cannot compensate the effect. Measurements of the electric resistance on the accurately-fitting joint characterize the electric behaviour of the weld and have been implicitly transferred to the temperature and pressure-dependent specific transition resistance by means of numerical simulation. On the sheet-sheet contact, the hot-dip aluminized heat-treatable steel showed a three times larger transition resistance than at the electrode-sheet contact. Whereas the 22MnB5 fundamentally has a bigger transition resistance than other steels above 600 K, at lower temperatures his transition resistance is superseded by that of different other steels. Welding experiments proved, that the nugget diameter in 22MnB5 is reduced below the minimum criterion by the gap. Along with this, the welding energy is reduced by a maximum of 15 %. By increasing the welding current welded joints meeting the quality criterion can be produced as well when a gap is present. The splash limit is moved to larger currents as an effect of the gap. An in-depth review of the heat flows in the welding process showed, the at least 30 % of the weld heat are released at the sheet-sheet contacts, at least 48 % are allotted to the bulk resistance of the sheets. The decrease of weld heat at the gap is exclusively attributed to a decrease of the bulk resistance of the sheets, which is generated by increased sink-in of the electrodes.

Widerstandspunktschweißen ist das dominante Fügeverfahren in der Karosserieherstellung. Der steigende Wunsch nach mehr Sicherheit und gleichzeitig nach einem möglichst leichten Fahrzeug, führt zur Verwendung hochfester Stähle. Mit der Festigkeit steigen die Anforderungen an die Prozesssteuerung und die Punktschweißzangen. Die Simulation des Punktschweißprozesses wird verwendet, um einen materialgerechten Schweißprozess zu entwickeln, sowie Zeit und Material für entsprechende Versuche einzusparen. In der Simulation können physikalische Größen ermittelt werden, welche am Schweißpunkt nicht messbar sind. Im Vortrag wird ein FEM-Modell vorgestellt, welches den Widerstandspunktschweißvorgang simuliert. Die erste Ausbaustufe des Modells umfasst die zu fügenden Bleche und das Elektrodenpaar der Punktschweißzange. Die Elektrodenkraft wird zu Beginn der Schweißsimulation auf die Elektrode aufgebracht und über den Prozesszyklus als konstant angenommen. Diese Annahme steht im Widerspruch zu in der Praxis gemessenen Elektrodenkraftverläufen. Diese weisen eine dynamische Änderung über der Schweißzeit auf. Der Unterschied zwischen gemessener und in der Simulation vorgegebener konstanter Elektrodenkraft war die Motivation zur Erstellung eines mechanischen Maschinenmodells, welches im Vortrag präsentiert wird. Das Modell ist mit der Schweißprozesssimulation gekoppelt und errnöglicht die numerische Untersuchung der Wirkung mechanischer Maschinenparameter auf ein Punktschweißergebnis. Erste Ergebnisse der Schweißprozesssimulation unter Berücksichtigung des mechanischen Maschinenverhaltens werden vorgestellt und diskutiert.