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1 Aufbereitung eines Werkstoffdatensatzes zur Berechnung von Schweißverzügen und Eigenspannungen Schweißstruktursimulationen basieren auf gekoppelten thermo-mechanischen Simulationen unter Berücksichtigung eines elastisch-plastisch verfestigenden Werkstoffs. Zunächst müssen alle zur Berechnung der Temperaturverteilung benötigten Werkstoffeigenschaften definiert werden. Dies sind: 1. Die spezifische Wärmekapazität: c p ) Bei bekanntem Energieeintrag und der Anfangstemperatur kann in einer Masse m eine neue mittlere Temperatur berechnet werden. Die räumliche Diskretisierung E m T T mithilfe finiter Elemente beschreibt allerdings ein Volumen. Zur Bestimmung der Masse in der diskretisierten Geometrie wird c p (T ) E m c ) 2. die Dichte r(t) benötigt. Diese wird weiter zur Bestimmung des Eigengewichts als Last verwendet. p 3. Zur Abbildung der Wärmeausbreitung wird weiter die Wärmeleitfähigkeit l(t) benötigt. Alle Werkstoffeigenschaften sollten zwischen Raumund Schmelztemperatur bzw. knapp darunter definiert sein. Dabei gilt der Grundsatz, so viele Wertepaare wie nötig, so wenig wie möglich zu definieren. In der Berechnung wird der erste bzw. der letzte Wert einer Eigenschaft für geringere bzw. höhere Temperaturen als konstant betrachtet. Zwischen den Stützstellen wird linear interpoliert. Werkstoffdefinitionen für den Weldsim-Solver benötigen die gleichen Temperaturstützstellen für die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit. 4. Weiter muss die beim Aufschmelzen benötigte latente Wärme definiert sein. Es empfiehlt sich, scheinbar reale physikalische Effekte in der Schmelze oder gar beim Verdampfen nicht in den Werkstoffeigenschaften abzubilden, da diese nicht durch das Berechnungsmodell erfasst werden und es zudem zu numerischen Instabilitäten kommen kann.

2 Aufbauend auf der thermischen Berechnung wird die Mechanik im Lastschrittverfahren berechnet. D.h. es werden keine Impulse oder Dämpfungen berücksichtigt. Nachfolgende Skizze zeigt die geschachtelte Berechnung. 1. Inkrement Finite-Differenzen Methode Werkstoffeigenschaften, Gefüganteile, thermische Dehnungen glue by peak Temperatur Zurücksetzen der plastischen Dehnungen 1. Inkrement Mechanische Analyse 2. Inkrement Verformtes Netz Lastschrittverfahren Ku = P K Steifigkeitsmatrix P Knotenkräfte u Knotenverschiebungen n-tes Inkrement 2. Inkrement mechanische Analyse

3 Zur Berechnung des mechanischen Verhaltens werden folgende Werkstoffeigenschaften benötigt: 5. Der Wärmeausdehnungskoeffizient a T (T). Es wird empfohlen, diesen oberhalb der Schmelztemperaur über einen geringen Temperaturbereich (bsp. über 50 C) auf 0 zu setzen. Dies hat keine weiteren Auswirkungen auf die Mechanik, da der Werkstoff beim Abkühlen um den gleichen Betrag wieder schrumpft und die mechanische Historie oberhalb der Solidustemperatur gelöscht wird. Insbesondere beim Laserstrahlschweißen von massiven Bauteilen kann es sonst innerhalb der extremen Zwangsbedingungen zum Versagen der Elemente im Hochtemperaturbereich führen. 6. Der Elastizitätsmodul E(T). Bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur wird streng genommen ein viskoses Werkstoffmodell benötigt. Daher wird empfohlen, für den E-Modul oberhalb der Schmelztemperatur Werte von über 500 MPa zu verwenden. 7. Die Querdehnzahl n(t) und 8. die temperaturabhängigen Fließkurven. Diese werden fürs Schweißen in der Regel in Tabellenform definiert. Die Abhängigkeit der Fließkurven von der aktuellen Dehnrate kann zusätzlich definiert werden, ist aber in der Regel nicht notwendig. Weiter werden die 9. Erstarrungstemperatur und die 10. Schmelztemperatur abgefragt. Die zwischen zwei Werkstücken maximal erreichte Temperatur wird mit der Schmelztemperatur verglichen und dient als Kriterium, um zu definieren, ob die Werkstücke lokal gefügt sind ( glue contact ). Bei unterschiedlichen zu fügenden Werkstoffen (z.b. Alu-Stahl-Verbindungen) dient die geringere Schmelztemperatur als Kriterium. Die Erstarrungs-temperatur wird als Kriterium zum Löschen der plastischen Werkstoffhistorie verwendet. Verändert sich der Werkstoff während des Erwärmens oder Abkühlens irreversibel, so sind komplexere Werkstoffmodelle nutzbar [Sak14]. [Sak14] Sakkiettibutra, J.; Rohbrecht, J.: Aufbereitung und Kalibrierung von Werkstoffdaten für die Schweißstruktursimulation von Stählen. In Proc. Simulationsforum Schweißen und Wärmebehandlung 2013, Eds.: J. Hildebrand, T. Loose, J. Sakkiettibutra, M. Brand. Weimar (2014)

4 Kalibrieren von Datenbankwerkstoffdaten an einen zu verwendenden Werkstoff Existiert für einen ähnlichen Werkstoff bereits ein für die Schweißsimulation aufbereiteter Werkstoffdatensatz, so kann dieser in der Regel mit minimalem Aufwand angepasst werden. Insbesondere die Fließkurven des Datensatzes sollten an Messwerte angepasst werden. Dabei ist zwischen zwei Anteilen zu unterscheiden: 1.) die Fließspannung, d.h. der erste Wert sämtlicher in Simufact.material hinterlegter Fließkurven und 2.) der Verfestigungsanteil. Die Anpassung der Fließspannungen kann über einen Skalierungsfaktor erfolgen. Dieser kann wie folgt bestimmt werden: k f, Skalierungsfaktor _ Fließspannung k Werkstoffzeugnis f, Datenbank Der Skalierungsfaktor wird auf alle Fließkurven des Werkstoffs angewendet, ausgenommen der Fließkurven anderer Gefüge.

5 Für den Verfestigungsanteil kann ebenfalls ein Skalierungsfaktor bestimmt werden. Dieser errechnet sich aus folgender Formel: Skalierungsfaktor _ Hardening bei ( Referenz), Werkstoffzeugnis bei ( Referenz ), Datenbank k k f, Werkstoffzeugnis f, Datenbank