Forschung // 30. Januar 2024

Schweißverzug mit Evolutionsstrategien minimieren

Ob Brennstoffzelle aus dünnstem Blech oder Containerschiff – beim Schweißen tritt durch den Wärmeeintrag ein Verzug im Bauteil auf, wodurch dessen Maßhaltigkeit negativ beeinflusst wird. Sind es viele Schweißnähte an einem Bauteil, werden Schweißnahtfolge-Pläne benötigt, die eine Auskunft darüber geben, bei welcher Reihenfolge der Schweißungen der geringste Verzug entsteht. Mithilfe von Evolutionsstrategien gelingt es, schnell zur optimalen Schweißnahtfolge zu kommen.

Der durch das Schweißen verursachte Bauteilverzug erfordert zeit- und kostenintensive Nacharbeit – je nach Bauteilgröße, Blechstärke und Zahl der Schweißnähte bis zu mehreren Stunden. Bei komplexem Schweißstrukturen mit einer Vielzahl von Nähten ist die optimale Schweißnaht-Reihenfolge nicht intuitiv ersichtlich. Die Ermittlung der optimalen Reihenfolge durch reale Schweißversuche ist sehr zeitaufwendig und teuer. Hier können durch den effizienten Einsatz einer numerischen Simulation Zeit, Material und Kosten gespart werden. Aber auch hierbei ist der (Zeit-) Aufwand möglichst klein zu halten. Im Rahmen einer Masterarbeit wurde nun beim Technologie-Institut für Metall & Engineering GmbH (TIME) untersucht, inwieweit Evolutionsstrategien eine effiziente Lösung für das Auffinden der besten Schweißnahtreihenfolge sein können.

Zur Entwicklung der Methodik und der Überprüfung der Anwendbarkeit von Evolutionsstrategien auf Schweißverzug haben die Experten von TIME ein generisches Bauteil entwickelt. Dazu wurde ein Demonstratorbauteil, bestehend aus einer Grundplatte mit drei Stegen, ersonnen, an welchen 6 Schweißnähte auszuführen sind. Erlaubt man eine beliebige Abfolge der 6 Schweißnähte und den zusätzlichen Freiheitsgrad der Schweißrichtung, so ergeben sich 46.080 mögliche Schweißabfolgen – unmöglich die beste Schweißnahtreihenfolge experimentell zu optimieren.

Bei TIME wurde daher in einem ersten Schritt eine Schweißstruktursimulation zum Demonstratorbauteil erstellt. Um das Modell zu validieren, wurden reale Schweißversuche nach einem festgelegten Folgeplan durchgeführt. Bei den Versuchen wurde die Bauteilverformung an 4 Punkten gemessen und mit den Simulationsergebnissen verglichen.

Im Anschluss wurde mittels einer geeingeten Evolutionsstrategie durch Mutation und Translokation der simulierten Schweißungen eine Anzahl von „Nachkommen“ und verschiedene „Generationen“ erzeugt.
Ergebnis: Bereits nach 5 Generationen wurde ein Optimum erreicht, für das sich in späteren Generationen nur noch geringe Verbesserungen ergaben. Die Verringerung des Verzuges betrug dabei bis zu 18,5%. Im Vergleich zur Optimierung durch Schweißversuche ist die Zeit- und Kosteneinsparung durch die Optimierung basierend auf Evolutionsstrategien immens.

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