Multiphysik-Simulation des elektromagnetischen Impulsschweißprozesses in EMS

Einführung

Das MPW-Verfahren (Magnetic Pulse Welding) ist eine innovative Hochgeschwindigkeits-Umformtechnologie, die in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie weit verbreitet ist. Diese Technik ist vergleichbar mit dem Explosionsschweißen, verwendet jedoch anstelle von Sprengstoff eine Magnetkraft, um die Objekte zu beschleunigen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißverfahren wird beim MPW nicht geschmolzen, wodurch wesentliche Änderungen der Materialeigenschaften ausgeschlossen werden. Die Anwendung von Magnetkraft, um ein Objekt gegen das andere zu beschleunigen, führt zu einer Festkörperschweißung ohne äußere Wärmequelle und ohne thermische Verzerrungen. Neben seinen Vorteilen verursacht MPW verschiedene Grenzflächenphänomene wie die Joule-Erwärmung durch Wirbelströme. Die Abbildung 1 zeigt ein Beispiel von zwei Rohren, die magnetisch verschweißt wurden.

Abbildung 1 - Probe für Magnetpulsenschweißen [1]

Problembeschreibung

Eine mit einer thermischen Analyse gekoppelte elektromagnetische Simulation wird durchgeführt, um den Heizeffekt während des MPW-Schweißprozesses zu untersuchen. Eine Fallstudie besteht aus einer Spule mit einer Windung und einem Feldformer. Dieser Artikel zeigt die Multiphysikfähigkeiten von EMS zur Lösung eines elektromagnetischen und thermischen Problems im Zeitbereich unter Verwendung des EMS-Transientenmoduls. Die Abbildung 2 zeigt das simulierte Modell.

Simulations-Setup

Das Transient Magnetic-Modul von EMS dient zur Berechnung und Visualisierung von Magnetfeldern, die sich über die Zeit ändern. Darüber hinaus werden verschiedene damit verbundene Phänomene wie Wirbelströme, Leistungsverluste und Magnetkräfte angesprochen.

Um eine Analyse mit EMS durchzuführen, müssen die folgenden Schritte ausgeführt werden:

1. Tragen Sie für alle festen Körper das richtige Material auf.
2. Legen Sie die erforderlichen elektromagnetischen Eingänge an.
3. Legen Sie die erforderlichen thermischen Eingänge an.
4. Vernetzen Sie das gesamte Modell und führen Sie den Solver aus.

Materialien

Die Aluminiumlegierung AA2024-T351 ist sowohl für Rohre als auch für Stangen vorgeschrieben. Die elektromagnetischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der für jedes Teil verwendeten Materialien sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Material	Teil	Dichte (Kg/ )	Elektrische Leitfähigkeit (S/m)	Spezifische Wärmekapazität (J/Kg.K)	Wärmeleitfähigkeit (W/mK)
Aluminiumlegierung 2024-T351	Tube und Rod	2700	1,74	795	143
Kupferlegierung	Feldformer	7900	2,66	486	36
Stahl	Spule	7800	4,06	486	36

Thermische Eingabe

Die thermischen Konvektionseingänge für den Umgebungsluftkörper:
-Die Anfangstemperatur der Simulationen ist auf 298 K eingestellt
-Konvektionskoeffizient ist auf 10 W/eingestellt

Elektromagnetische Eingänge

In dieser Studie wird eine feste Spule mit einer Windung als Stromquelle definiert.

Abbildung 3 - Eingangsstromwellenform [2]

Ineinander greifen

Für die Vernetzung schätzt EMS eine globale Elementgröße für das gesamte Modell unter Berücksichtigung des Volumens, der Oberfläche und anderer geometrischer Details. Das endgültig erzeugte Netz (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von vielen Kriterien ab, wie z. B. der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße und der Netztoleranz. Die Mesh-Qualität kann auch mit der Mesh Control-Funktion angepasst werden, mit der bei diesem Modell ein besonders feines Ineinandergreifen von Stab und Rohr möglich ist (Abbildung 4).

Ergebnisse

Die numerische Simulation ergab die folgenden Ergebnisse, die nach einer halben Periode des ersten Eingangsstromimpulses erhalten wurden. Sobald die Lösung fertig ist, werden die folgenden Ergebnisse erstellt: magnetische Flussdichte, magnetische Feldstärke, Wirbelstrom, Induktivität, Impedanz, Flusskopplung, Strom, induzierte Spannung, Kraft, Drehmoment und Verluste usw.

Die Verteilung der magnetischen Flussdichte zeigt deutlich den Abschirmeffekt der Röhre während der Diffusionszeit, die den größten Teil des Magnetfelds blockiert, das in die Röhre gelangt.

Abbildung 5 - Verteilung der magnetischen Flussdichte für das gesamte Modell a) Entlang der Axialebene des Feldformers am Ende der ersten Halbwelle (11 µs) b).

Abbildung 6 zeigt den Ergebnisvergleich zwischen EMS und der Referenz [3] bezüglich der magnetischen Flussdichte auf der Außenfläche der Röhre während der ersten Halbwertszeit des Impulsstroms.

Die Temperaturverteilung für die Röhre während der ersten Halbperiode des Impulsstroms ist ebenfalls in Fig. 8 gezeigt. Sie zeigt den Bereich, der für den plötzlichen Temperaturanstieg während der Kollision hervorgehoben ist.

Die folgende Tabelle zeigt den Ergebnisvergleich zwischen EMS und der Referenz [2] für die Maximalwerte der Temperaturverteilung im Rohrteil.

Fazit

EMS ermöglicht die Berechnung des Magnetfelds und der Temperaturverteilung im Werkstück aufgrund der Induktionserwärmung, wodurch das Grenzflächenverhalten des elektromagnetischen Impulsschweißprozesses besser verstanden werden kann. Die erhaltenen elektromagnetischen und thermischen Ergebnisse korrelieren sehr gut mit den Referenzergebnissen.

Verweise

1]. Seungmin Tak , Hanbin Kang , Inseok Pack , Jinkyu Choi and Seoksoon Lee  "Numerical Simulation of Magnetic Pulse Welding Process for Aluminum Tubes to Steel Bars" Proceedings of ICTACEM 2017 International Conference on Theoretical, Applied, Computational and Experimental Mechanics December 28-30, 2017, IIT Kharagpur, India
2]. T. Sapanathan, K. Yang, D. Chernikov, R.N. Raoelison, V. Gluschenkov, N. Buiron, M. Rachik, "Thermal Effect during Electromagnetic Pulse Welding Process", in:  Materials Science Forum, Trans Tech Publ, (2017) 1662-1667.
3].  T. Sapanathan, K. Yang, R. Raoelison, N. Buiron, D. Jouaffre, and M. Rachik, “Effect of conductivity of the inner rod on the collision conditions during a magnetic pulse welding process,” in 7th International Conference on High Speed Forming, Dortmund, DOI 10.17877/DE290R-16981, 2016.