Modellierung, Analyse und Simulation des Widerstands-Impulsschweißens

Das Widerstands-Impulsschweißen beruht auf dem Prinzip der transformierten Kondensatorentladung. Im Gegensatz zum Standard-Widerstandsschweißen, dessen Anwendungsbereich und technische Durchführung in DIN-Normen beschrieben ist, fehlt diese Normung für das Impulsschweißen.

Daher ist es das technische Ziel des Projektes, durch Simulationsrechnungen für verschiedene Standardgeometrien und Metalllegierungen die notwendigen Schweißparameter zu bestimmen und den breiten Anwendungsbereich dieser Technologie unter Beweis zu stellen.

Das mathematische Modell, in dem mechanische, elektrische und thermische Effekte gekoppelt auftauchen, ist in [1] beschrieben. Mathematische Untersuchungen im Berichtszeitraum erstreckten sich vor allem auf das thermoelastische Kontaktproblem. Die Resultate sind in [2] dokumentiert.

**Abb. 1:** Temperaturverteilung in °C in einem Bauteil mit Massivbuckel aus Stahl beim Verschweißen mit einer dünnen Stahlplatte. a) Isothermen zu Beginn des Aufschmelzens,
b) Isothermen mit maximalem Schmelzbereich.
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Das Modell wurde auf der Basis eines gemischten Finite-Element-Ansatzes im Rahmen der pdelib implementiert. Die vom Kooperationspartner vorgegebenen Bauteilgeometrien und Randbedingungen ließen die Behandlung als zweidimensionales Problem zu.

Die Abbildungen zeigen Resultate von Simulationsrechnungen auf der Basis der vom Kooperationspartner bereitgestellten Daten. Die gerechneten Temperaturverteilungen (Abb. 1) zeigen, dass die höchsten Temperaturen an den Rändern der Kontaktfläche auftreten. Dort bilden sich zunächst kleine Schweißlinsen aus, die innerhalb weniger hundert Mikrosekunden zur Mitte hin auf einen zusammenhängenden Schmelzbereich anwachsen.

Obwohl der in Abb. 1b dargestellte maximale Schmelzbereich ohne Berücksichtigung der deformierten Buckelgeometrie berechnet wurde, konnte die für das Impulsschweißen typische Beschränktheit des aufgeschmolzenen Bereichs und der sich daran anschließenden Wärmeeinflusszone simuliert werden. Beachtenswert ist die geringe Wärmeeindringtiefe in der unterliegenden Platte. Gerade durch diesen Effekt wird es möglich, dass Bauteile mit Buckeln auf beschichtete Platten geschweißt werden können.

**Abb. 2:** Spannungsverteilung vor der Stromzufuhr in MPa. a) Druckspannung in Beanspru- chungsrichtung, b) Schubspannung.
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In Abb. 2 sind die berechneten mechanischen Spannungsverteilungen vor der elektrischen Stromzufuhr dargestellt. Es liegt eine rein elastische Deformation vor. Im oberen Bereich des Bauteils ist eine nahezu homogene Spannungsverteilung zu erkennen. In der Nähe des Buckels kommt es dann zu einem Anstieg der Druckspannungen.

Die Abb. 3a - d zeigen die Verteilung der Spannungen und der Verzerrungsraten in den Fügeteilen unmittelbar zu Beginn des vollständigen Durchschmelzens der Materialien. Die Isothermen verlaufen zwischen denen von Abb. 1a und Abb. 1b. Aufgrund der hohen Temperaturen liegt, lokal auf die Umgebung der Kontaktfläche begrenzt, entsprechend des Materialmodells viskoelastisches Verhalten vor. Das Material beginnt bei den vorliegenden Spannungen mit hoher Geschwindigkeit zu kriechen. Die negative Dehnrate nimmt mit der Verengung des Buckels zu und erreicht ihr Maximum etwas oberhalb der Kontaktfläche. Gleichzeitig findet in der Umgebung der Kontaktfläche eine Spannungsumverteilung statt. Insbesondere ist ein Abbau der Spannungsspitzen an den Buckelrändern oberhalb der Kontaktfläche zu beobachten. Die Gleitraten nehmen an den Buckelrändern ihre größten Werte an und erreichen oberhalb der Kontaktstelle ihr lokales Maximum bzw. Minimum. Eine geringe Umverteilung der Schubspannungen lässt sich ebenfalls beobachten.

**Abb. 3:** Verzerrungsraten- und Spannungsverteilung zu Beginn der vollständigen Aufschmelzung der Kontaktfläche in s-1 bzw. MPa. a) Dehnraten in Beanspruchungsrichtung, b) Gleitraten, c) Druckspannungen in Beanspruchungsrichtung, d) Schubspannungen.
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