Berechnung von Eigenspannungen und Verzug an Dünnblechverbindungen eines austenitischen Stahles
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- Mathilde Frei
- vor 7 Jahren
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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Berechnung von Eigenspannungen und Verzug an Dünnblechverbindungen eines austenitischen Stahles Markus Urner,
2 Schematische Darstellung der gekoppelten Einzelsimulationen Quelle: Radaj Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 2
3 Wärmeleitmodelle > Wärmeleitmodelle werden aufgrund ihrer Einfachheit oft bevorzugt. > Die Berechnung von Eigenspannung und Verzug (Struktursimulation) basiert heutzutage weitestgehend auf Wärmeleitmodellen. > Nach einem Fitting ist die Berechnung des Temperaturfeldes und der Schmelzzonengeometrie problemlos möglich. > Verteilte und äquivalente Wärmequellen sind Beispiele für die Vereinfachung der Form der Wärmequelle bei Wärmeleitmodellen Gauß-Quelle Goldak-Quelle Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 3
4 Prozessmodelle > Beschreibung des Schweißprozesses > Umfassen die Wärmeerzeugung und die dabei auftretenden Kräfte sowie die Schmelzbadbildung (z.b. die Fluiddynamik des Schmelzbades) > Lösung schmelztypischer Probleme der Schweißbarkeit und Schweißqualität > Lichtbogen-, Strahl- und Widerstandspunktschweißverfahren Quelle: Radaj Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 4
5 Modelle zur Schweißprozesssimulation Wärmeleitmodelle VORTEILE > langjährige Erfahrungen (Rykalin, Rosenthal, etc.) > Einfachheit > geschlossene, analytische Lösungen und schnelle Abschätzungen NACHTEILE > Radikale Vereinfachungen > Beschreiben die Wirkung des Prozesses auf die umgebende Struktur und nicht den Prozess selbst > Kalibrierung der Ergebnisse notwendig Prozessmodelle VORTEILE > Möglichkeit Probleme der Schweißbarkeit und Schweißqualität zu lösen > Selbstkonsistenz > Berücksichtigung einer Vielzahl gekoppelter physikalischer Phänomene NACHTEILE > Hohe zeitliche und räumliche Auflösung erforderlich > Hohe Komplexität > Kopplung zur Struktursimulation nicht weit entwickelt Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 5
6 Verwendete Spannvorrichtung Linearverfahreinheit WIG-Brenner Ziel: Berechnung von Eigenspannungen in den gefügten Blechen Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 6
7 Schematischer Querschnitt der Vorrichtung 4 mm Niederhalter Deckblech Blech X5CrNi18-1 Kupferplatte Unterbau Symmetrieachse Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 7
8 Struktur der Schweißsimulation Material keine Gefügeumwandlung vorhanden Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 8
9 Ersatzwärmequelle für die Berechnung Realisierung der Berechnungen mit einen Wärmeleitmodell. Wahl der Goldak-Quelle für die Einbringung der Energie der WIG-Schweißung in das Modell. Bei Wärmeleitmodellen ist eine Kalibrierung zwingend notwendig. Durchführung von Temperaturmessungen zur Kontrolle der Wärmeeinbringung und Verteilung Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 9
10 Temperaturmessungen mit Typ-K-Thermoelementen 4 mm Niederhalter Deckblech Blech X5CrNi18-1 Kupferplatte Unterbau Symmetrieachse Temperatur-Messpunkte Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 1
11 Ergebnisse der Temperaturmessungen, Start bei 21 C T max 12 C Temperatur / C 8 6 Blech 1 Blech 2 Blech 3 Blech 4 Blech Zeit / s 1 8 Temperatur / C 6 T max 82 C Cu 1 Cu Zeit / s Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 11
12 Ergebnisse der Temperaturmessungen, Start bei 21 C Temperatur / C T max 32 C NH3 NH5 NH6 NH7 1 5 DB Zeit / s T max 44 C Temperatur / C DB Zeit / s Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 12
13 Aufbau des FEM-Modell Niederhalter Deckblech Blech Kupferschiene Unterbau Die Modellänge wurde so gewählt, dass ein stationärer Zustand besteht Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 13
14 gemessene und berechnete Temperaturen 14 T max Messung T max Berechnung Temperatur / C T max 12 C T max 51 C T1 T2 T3 T4 T5 Blech 1 Blech 2 Blech 3 Blech 4 Blech Zeit / s 12 T max 125 C 1 Temperatur / C 8 6 T max 82 C CU1 CU3 Cu 1 Cu Zeit / s Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 14
15 gemessene und berechnete Temperaturen 5 T max Messung T max Berechnung T max 32 C T max 39 C Temperatur / C NH3 NH5 NH6 NH7 NH3 NH5 NH6 NH Zeit / s 6 T max 5 C 5 Temperatur / C 4 3 T max 44 C DB2 DB2 2 Zu starker Wärmeabfluss aus dem Blech in die Vorrichtung Zeit / s Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 15
16 Erweiterung des FEM-Modells 2D-Kontaktelemente zur Abbildung der Wärmeleitung Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 16
17 Kontaktdefinition in ANSYS Thermisch: q = TCC (T t -T c ) q: Wärmefluss TCC: Wärmeübergangskoeffizent T t und T c : Temperaturen der Kontaktpartner Durch Festlegung der Variablen TCC kann der Wärmefluss in die Bauteile definiert werden. T c T t Mechanisch: F - Aufbringen einer Kraft mit entsprechenden Randbedingungen. - Definition von Reibwerten in ANSYS zwischen den Komponenten. Verzugsbewegungen werden ermöglicht Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 17
18 gemessene und berechnete Temperaturen II 14 T max Messung T max Berechnung Temperatur / C T max 12 C T max 13 C T1 T2 T3 T4 T5 Blech 1 Blech 2 Blech 3 Blech 4 Blech Zeit / s 12 1 T max 91 C Temperatur / C 8 6 T max 82 C CU1 CU3 Cu 1 Cu Zeit / s Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 18
19 gemessene und berechnete Temperaturen II T max Messung T max Berechnung Temperatur / C T max 32 C T max 3 C NH3 NH5 NH6 NH7 NH3 NH5 NH6 NH Zeit / s T max 44 C T max 42 C 35 Gute Übereinstimmung der Temperaturen. Temperatur / C DB2 DB Zeit / s Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 19
20 Vergleich der Blech-Temperaturen Temperatur / C T1 T2 T3 T4 T5 Blech 1 Blech 2 Blech 3 Blech 4 Blech Zeit / s Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 2
21 Vergleich der Berechnung mit einem Querschliff Goldak-Quelle [ C] Schmelzbadgrenze - Gute Übereinstimmung der Größe und Form des Schmelzbades. - Wärmeverteilung der Goldak-Ersatzwärmequelle korrekt Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 21
22 Temperaturfelder in der Spannvorrichtung Temperaturverteilung im Blech Temperaturverteilung in der Vorrichtung Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 22
23 Temperaturfelder in den Einzelteilen Temperaturverteilung im Deckblech Temperaturverteilung im Blech Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 23
24 Animation des Temperaturfeldes Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 24
25 Struktur der Schweißsimulation Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 25
26 Kennwerte für die strukturelle Berechnung Warmzugversuche Dehnrate,1 s Spannung [N/mm 2 ] RT 2 C 4 C 6 C 8 C 9 C Dehnung [%] Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 26
![Härtemessungen an Querschliffen 2 4 18 35 16 3 14 Temperatur [ C] 12 1 8 25 2 15 Härte HV1 Temp. gemessen Temp.](/docs-images/56/39037501/images/27-0.png "berechnet Härte A1 Härte 3 Härte A3 Härte B3 6 4 1 2 Härtelinie 5 2 4 6 8 1 12 14 16 Schmelzlinie Abstand von der Nahtmitte [mm] Entfestigung des Materials ab einer Temperatur von 7 C 12.3.211 Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 27")
27 Härtemessungen an Querschliffen Temperatur [ C] Härte HV1 Temp. gemessen Temp. berechnet Härte A1 Härte 3 Härte A3 Härte B Härtelinie Schmelzlinie Abstand von der Nahtmitte [mm] Entfestigung des Materials ab einer Temperatur von 7 C Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 27
28 Physikalische Simulation des Schweißgefüges Temperatur / C max = 87 C Zeit / s Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 28
29 Erweiterte Warmzugversuche 1 Warmzugversuche Dehnrate,1 s -1 Temperatur / C max = 87 C 9 RT Zeit / s 8 7 Spannung [N/mm 2 ] C 4 C - W RT - W RT 2 C 4 C 6 C 8 C 9 C Wärmesimuliert - RT Wärmesimuliert - 4 C Dehnung [%] Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 29
![Materialumschaltung im Fügebereich Temperatur [ C] Schweißrichtung grauer Bereich: Temperatur über 7 C Umschaltung auf](/docs-images/56/39037501/images/30-0.png "entfestigtes Material 12.3.")
30 Materialumschaltung im Fügebereich Temperatur [ C] Schweißrichtung grauer Bereich: Temperatur über 7 C Umschaltung auf entfestigtes Material Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 3
![Spaltschließung Temperatur [ C] Schweißrichtung Deaktivierte Elements 12.3.](/docs-images/56/39037501/images/31-0.png "211 Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen")
31 Spaltschließung Temperatur [ C] Schweißrichtung Deaktivierte Elements Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 31
32 Berechnung des Ausspannens Federelemente Abschalten aller Elemente der Spannvorrichtung Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 32
33 Berechnete Eigenspannungsfelder Schweißrichtung Schweißrichtung flächenhafte Spannungen in x (Längs-) und y (Quer-) Richtung Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 33
34 Eigenspannungsmessungen 4 Längseigenspannungen P1 Quereigenspannungen P1 3 Längseigenspannungen P2 Quereigenspannungen P2 Längseigenspannungen P3 Quereigenspannungen P3 2 Längseigenspannungen P4 Quereigenspannungen P4 Eigenspannungen[MPa] 1-1 Längs-ES Schweißna -2-3 Quer-ES Messstrecke Abstand von der Nahtmitte [mm] alle Messungen erfolgten mittels Röntgenbeugung an der Oberseite der Bleche in der Mitte der Schweißnaht Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 34
35 Verschieben der gemessenen Werte gemessene Längs-ES Probe 1 gemessene Quer-ES Probe 1 gemessene Längs-ES Probe 2 gemessene Quer-ES Probe 2 berechnete Längs-ES berechnete Quer-ES Spannung [N/mm 2 ] N/mm Abstand von der Mitte der Schweißnaht als erste Näherung: Verschieben der gemessenen Eigenspannungswerte um 23 Mpa Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 35
36 Berechnete Eigenspannungen gemessene Längs-ES Probe 1 gemessene Quer-ES Probe 1 gemessene Längs-ES Probe 2 gemessene Quer-ES Probe 2 berechnete Längs-ES berechnete Quer-ES Spannung [N/mm 2 ] Abstand von der Mitte der Schweißnaht Gemessene Eigenspannungen um +23 MPa verschoben Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 36
37 Zusammenfassung Gute Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Eigenspannungen unter Vernachlässigung der Vorbeanspruchung des Grundmaterials. Berücksichtigung von Wärmesenken wichtig und durch Kontaktdefinition in ANSYS realisierbar und steuerbar. Starker Einfluss der Materialeigenschaften auf die Eigenspannungen, sorgfältige Bestimmung notwendig. Berücksichtigung der Vorbelastungen des Werkstoffes notwendig 7 Spannung [N/mm 2 ] gemessene Längs-ES Probe 1 gemessene Quer-ES Probe 1 gemessene Längs-ES Probe 2 gemessene Quer-ES Probe 2 berechnete Längs-ES Mat. niedrig berechnete Quer-ES Mat. niedrig Abstand von der Mitte der Schweißnaht Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 37
38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Markus Urner TU-Braunschweig Markus Urner Eigenspannungensberechnung en in austenitischen Dünnblechverbindungen Seite 38
Materialdaten für die Schweißstruktursimulation
Herdweg 13, D-75045 Wössingen Lkr. Karlsruhe Courriel: loose@tl-ing.de Web: www.tl-ing.de Mobil: +49 (0) 176 6126 8671 Tel: +49 (0) 7203 329 023 Fax: +49 (0) 7203 329 025 Materialdaten für die Schweißstruktursimulation
Berechnung von Schweißeigenspannungen und Schweißverzug
Herdweg 13, D-75045 Wössingen Lkr. Karlsruhe Courriel: loose@tl-ing.de Web: www.tl-ing.de, www.loose.at Mobil: +49 (0) 176 6126 8671 Tel: +49 (0) 7203 329 023 Fax: +49 (0) 7203 329 025 Berechnung von Schweißeigenspannungen
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