Numerische Bestimmung von Schweißeigenspannungen

Transkript

1 Numerische Bestimmung von Schweißeigenspannungen Gewidmet Herrn Prof. Helmut Wohlfahrt zur Vollendung seines 75. Lebensjahres Dr.-Ing. Tobias Loose 11. März

2 Dr.-Ing. Tobias Loose geboren am in Braunschweig Schweißtechnische Vorlesungen an der Universität Carolo Wilhelmina zu Braunschweig und Ausbildund zum Schweißfachingenieur 2005 Sysweld Forum in Weimar Promotion über den Einfluß von Schweißeigenspannungen und Schweißverzug auf das Tragverhalten axialgedrückter Keriszylinderschalen 2009 Seggau, Graz: New 3D-calculatins of residual stresses consiten with meassured results of the IIW round robin programme 2

3 Eigenspannungen nach dem Schweißen 1. Schweißbrenner 2. Temperaturfeld 3. Ausdehnung und Schrumpfung Die strukturmechanische Antwort des Bauteils auf diese Einwirkungen führt zu Eigendehnungen und Eigenspannungen 3

4 Finite Element Methode - Schweißstruktursimulation K u=f Temperaturfeld Strukturmechanik Begleiterscheinungen 4

5 Prozeßsimulation - Struktursimulation Schweiß-Prozeßsimulation Fluiddynamische Berechnung Vorgänge im Schmelzbad Temperatur, Strömung, Durchmischung Ersatzwärmequelle Simweld Schweiß-Struktursimulation Thermomechanische FEM Berechnung Vorgänge im gesamten Bauteil Temperatur, Verformung, Spannungen Sysweld 5

6 Schweißstruktursimulation Modellierungsablauf Methode der Finiten Elemente FEM Geometriebeschreibung des Bauteils - CAD Einteilung in Finte Elemente Vernetzen Schweißen Definition der Ersatzwärmequelle Werkstoff Materialeigenschaften Randbedingungen Wärmeübergang Spannvorrichtung äußere Lasten 6

7 Gekoppelte Berechnungen Physik, die bei der Berechnung Berücksichtigung findet Elektromagnetismus Elektromagnetismus Wasserstoffdiffusion Wasserstoffdiffusion Temperaturfeld Temperaturfeld Korngröße Korngröße Gefügeumwandlung Gefügeumwandlung Diffusion Diffusion -- Aufkohlung Aufkohlung Mechanik Mechanik 7

8 Wärmequellenbeschreibung 8

9 Wärmequellenbeschreibung Ersatzwärmequelle Die Ersatzwärmequelle beschreibt nicht den realen Wärmeeintrag sondern einen äquivalenten Wärmeeintrag. doppelt-halbellipsoide Volumenwärmequelle Effekte wie z.b. der Wärmetransport durch die Schmelzbadströmung können durch die Funktion der Ersatzwärmequelle abgedeckt werden. für Lichtbogenschweißen Für die Berschreibung der Ersatzwärmequelle kann jede beliebige mathematische Funktion verwendet werden 9

10 Wärmequellenbeschreibung Ersatzwärmequelle SW2SW Schnittstelle zwischen Simweld und Sysweld liefert: Nahtgeometrie Beschreibung der Ersatzwärmequelle Kalibrierung der Ersatzwärmequelle anhand vorhandener Schliffbilder mit Hilfe von Kalibrierungsroutinen z.b findqr von Marcus Brand Kalibrierung der Ersatzwärmequelle in Visual Weld anhand geschätzter Schmelzbadabmessung und eingebrachter Streckenenergie 10

11 Materialdaten 11

12 Materialdaten Während des Schweißens ändert sich bei vielen Werkstoffen das Gefüge und damit auch die Festigkeit, also die für die FEM Berechnung notwendige Beschreibung der Spannungs-Dehnungsbeziehung Mikroschliff von: Folglich werden die Materialdaten nicht nur in Abhängigkeit der Temperatur sondern auch in Abhängigkeit des Gefüges benötigt und erfordern eine Beschreibung der Gefügeumwandlung. 12

13 Materialdaten Beschreibung der Gefügeumwandlung ZTU ( und IT) Thermodynamisch Kennwerte Wärmeleitfähigkeit Dichte Spezifische Wärmekapazität oder Enthalpie Mechanische Kennwerte E-Modul Streckgenze Verfestigung Thermische Dehnung Querkontraktion Material Database Manager zur anwenderfreundlichen Verwaltung der Materialdaten für SYSWELD 13

14 Gefügeumwandlung beim Schweißen α krz (Grundwerkstoff) γ Austenitisches Gefüge Abkuehlen Erwaermen Ferritisch Perlitisches Gefüge kfz zunehmende Abkühlgeschwindigkeit α Ferrit / Perlit Zwischenstufe (Bainit) Martensit krz trz 14

15 Thermische Dehnung in % Thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung α krz γ kfz Umwandlungsdehnung Thermische Dehnung Temperature in C 15

16 Beschreibung der Gefügeumwandlung Die Gefügeumwandlung kann durch das Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov-Modell (JMAK) erfolgen. Leblond hat das Modell auf die Berücksichtigung unvollständiger Umwandlungen erweitert. Modell nach Leblond: dp i T P eq T P i T = dt T 16

17 Beschreibung der Gefügeumwandlung Der Phase-Transfomation Calibration Manager (Sysweld) ermöglicht mit einem implementierten Kalibrierungsalgorithmus in anwenderfreundlicher Weise ein zügiges erstellen der numerischen Umwandlungsbeschreibung 17

18 Spannungs-Dehnungs Beziehung σ wahr Re σwahr, Verfestigung εwahr,plastisch εwahr 18

19 Spannungs-Dehnungs Beziehung Streckgrenze Re Streckgrenze Re in N/mm² Streckgrenze als Funktionen des Gefüges in Abhängigkeit der Temperatur Temperatur in C 19

20 Verfestigungsspannung als temperaturabhängige Funktionsschar für jedes Gefüge wahre Verfestigungsspannung σv in N/mm² Spannungs-Dehnungs Beziehung Verfestigung Ferrit-Perlit S355 wahre plastische Dehnung εpl in m/m 20

21 Spannungs-Dehnungs Beziehung Modelle zur Beschreibung der Spannungs-Dehnungs Beziehung: ideal elastisch (ungeeignet) ideal elastisch ideal plastisch (ungeeignet) isotrope Verfestigung kinematische Verfestigung gemischt isotrop-kinematische Verfestigung viscoplastisches Modell 21

22 Rücksetzen der plastischen Dehnungen Beim Aufschmelzen oder bereits bei der Kornumwandlung verschwinden die zur Verfestigung führenden Dehnungen. Diese Entfestigung wird durch ein Rücksetzen der plastischen Dehnungen berücksichtigt. Ohne Rücksetzen Mit Rücksetzen 22

23 Rücksetzen der plastischen Dehnungen Vergleich der Längseigenspannung mit und ohne Rücksetzen der plastischen Dehnungen. Berechnung ohne Gefügeumwandlung. 23

24 Berechnung 24

25 Aufsetzen einer Simulation mit Visual Weld (Sysweld) 25

26 Berechnung = e p up thm Berechnungszeit Die Berechnungzeiten hängen von der Modellgröße und der Rechnerkapazität ab. Mit Mehrprozessorberechnungen (DMP) lassen sich die Berechnungszeiten verringern. Beispiel: Knoten, 2,4 s Schweißzeit, 160 mm Nahtlänge, Laser beötig ca. 15 GB RAM, bei 4 CPU 2,94 GHz Berechnungzeit: 10,0 Stunden 26

27 Berechnungsbeispiel Blindnaht S355 E = 5,83 kj/cm v = 1,66 mm/s Messung: w = 0,34 mm Berechnung: w = 0,32 mm Messungen: Dr. Nitschke-Pagel, Berechnung: Dr. Loose 27

28 Berechnungsbeispiel Blindnaht Temperaturfeld Makroschliff Berechnung S355 E = 5,8 kj/cm v = 1,66 mm/s ohne Vorwärmung t = 9,2 mm 28

29 Berechnungsbeispiel Blindnaht S355 E = 5,8 kj/cm v = 1,66 mm/s ohne Vorwärmung t = 9,2 mm 29

30 Berechnungsbeispiel Blindnaht S355 E = 5,8 kj/cm v = 1,66 mm/s ohne Vorwärmung t = 9,2 mm 30

31 Berechnungsbeispiel Blindnaht Vorwärmen 300 C E = 5,8 kj/cm v = 1,66 mm/s Vorwärmung 300 C Spannung in N/mm² S355 t = 9,2 mm 31

32 Gefügezustand nach dem Schweißen S235 FerritPerlit S355 FerritPerlit Bainit Bainit Martensit Martensit 32

33 Streckgrenze nach dem Schweißen S235 S355 Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung 33

34 Beispiel T-Stoß Sakkiettibutra (2007) Temperaturfeld Berechnung und Makroschliff Schmelzbad WEZ Berechnung unter Berücksichtigung der Heftnähte, des Zusatzwerkstoffs und des Kontaktes zwischen Platte und Steife 34

35 Entwicklung der Längseigenspannungen

36 Entwicklung der Quereigenspannungen

37 Schlußwort Die numerische Berechnung muß so nah wie möglich die Wirklichkeit abbilden: Geometrie Material Randbedingungen und Lasten In der Berechnung können alle in der Schweißtechnik auftretenden Verfahren und Anwendungen berücksichtigt werden: Sämtliche Schweißverfahren, ein- und mehrlagige Nähte Vorwärmen, Kühlen, Glühen, Abschrecken Ausschleifen von Lagen, Ebenschleifen, mechanische Nachbehandlung Thermisches oder mechanisches Umformen 37

38 Lieber Herr Prof. Wohlfahrt - DANKE! Loose, Sakkiettibutra, Wohlfahrt: New 3D-calculations of residual stressis consistent with measured results of the IIW round robin programme, Seggau - Graz