Dr.-Ing. Tobias Loose, Ingenieurbüro Tobias Loose Dr.-Ing. Ben Boese, ALSTOM Transport Deutschland GmbH

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1 Dr.-Ing. Tobias Loose, Ingenieurbüro Tobias Loose Dr.-Ing. Ben Boese, ALSTOM Transport Deutschland GmbH Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten der Schweißsimulation im Schienenfahrzeugbau 10. Fachtagung Fügen und Konstruieren im Schienenfahrzeugbau in Halle

2 Herdweg 13, D Wössingen Lkr. Karlsruhe E-Post: Web: Mobil: +49 (0) Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Numerische Simulationen für Schweißen und Wärmebehandlung Dienstleistung - Schulung - Support Vertrieb von Software für die Schweißsimulation und Wärmebehandlungssimulation Schweißsimulationen seit 2004 Berechnung von Verzug und Eigenspannungen an großen Baugruppen unsere Partner 2. Vorsitzender FA I2 des DVS 2. Vorsitzender Förderverein Wärmebehandlung und Schweißen Internet: DEeutsch: ENglisch: ESpanol: 2

3 Software für die Schweißsimulation 3

4 Motivation Disziplinen der Schweißsimulation 4

5 Wozu Simulieren? Nach dem Schweißen ist nicht vor dem Schweißen Die Materialeigenschaft, die Form und der Spannungszustand sind verändert. Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke Breisach St 37 von 1962 Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl 5

6 Disziplinen der Schweißsimulation das Radaj-Dreieck Festigkeiten in Abhängigkeit des Gefüges Schmelzen und Erstarren Gefügeumwandlung Kristallbildung Korngrößenwachstum WeldWare JmatPro Micress Material Simulation Schmelzbad Tropfenablösung Strom, Spannung, Drahtvorschub Schutzgas Temperaturfeld in Schmelzbadnähe SimWeld Prozeß Simulation SchweißSimulation Eigenspannungen Verzug globales Temperaturfeld SYSWELD Simufact.welding Struktur Simulation 6

7 WeldWare Schweißtechnologisches Beratungssystem Streckenenergie - Vorwärmtemperatur - Gefüge 7

8 WeldWare dient der Kalkulation der Wärmeführung vor Schweißbeginn an Stahl der Berechnung von Gefüge und mechanischen Kennwerten in der WEZ von Schweißnähten der Ermittlung notwendiger Vorwärmtemperaturen an realen Bauteilen nutzt Chargenübergreifende Regressionsgleichungen Gemessene Schweiß-ZTU-Schaubilder aus eigenem Hause, der SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH Zugehörige Materialdaten 8

9 Materialdaten auswählen Datenbank Vorgabe der DB-Auslese, überschreibbar chemischen Zusammensetzung kann modifiziert werden Kontrolle, ob die Daten innerhalb gültiger Regressionsgrenzen liegen Chargenverwaltung Datenexport FEM mit Weld Ware fortfahren 9

10 Chargenverwaltung Eingabe weiterer Chargen unter definierter Chargennummer / Chargenname. Beliebige Chargen können gespeichert und später auch wieder abgerufen werden. 10

11 Gefügezusammensetzung berechnen Vorausberechnung des Gefüges in der WEZ aufgrund der Stahlsorte und der chemischen Zusammensetzung 11

12 K30 Wert bestimmen Schweiß-ZTU anzeigen der K30-Wert kennzeichnet die t8,5/5 Zeit bei der 30 % Martensit entstehen und gilt als Mindestwert der t8,5/5 Zeit (Abkühlzeit) zur Vermeidung von Rissen infolge Martensit und Aufhärtung 12

13 Abschätzung der zu erwartenden mechanischen Kennwerte in der WEZ... Härte Dehngrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung Brucheinschnürung dient der Vermeidung technologischer Kerben im Vergleich zum ungeschweißten Grundwerkstoff 13

14 Abkühlzeit abschätzen Abschätzung der Abkühlzeit aus den Schweißparametern zur Überprüfung ob die Mindesabkühlzeit (t8,5/5 Zeit) über dem K30-Wert liegt. t8,5/5 Zeit = 5,9 s 14

15 Vergleich S355J2+N (1.0577) und S355MC (1.0976) S355J2+N (1.0577) 0,2 % Kohlenstoff, 0,8 % Mangan K 30 = 9,1 s > t8,5/5 Zeit von 5,9 s Bruchdehnung : 10,2 % bei t8,5/5 = 5,9 s Härte: 318 HV30 Rp0.2: 629 N/mm² S355MC (1.0976) 0,12 % Kohlenstoff, 0,8 % Mangan K 30 = 4,4 s < t8,5/5 Zeit von 5,9 s Bruchdehnung : 19,1 % bei t8,5/5 = 5,9 s Härte: 281 HV30 Rp0.2: 642 N/mm² 15

16 SimWeld Schweißprozeßsimulation Berechnung des Schmelzbades 16

17 Ein- und Ausgabegrößen der Prozeßsimulation Eingabeparameter: Drahtvorschub Schutzgas Schweißgeschwindigkeit Stromstärke / Spannung Anstellwinkel Schweißposition und Bauteilgeometrie Ausgabeparameter: Nahtgeometrie Einbrand / Einbrandkerben Schweißbarkeit Temperaturverlauf und Tropfenablösung Kontrollgrößen: Schweißstrom, Spannung zwischen Bauteil und Brenner Berechnungszeit zwischen 0,5 und 2 Minuten 17

18 Qualitätssicherung: Tropfenablösung, Spannungs- und Stromstärkenverlauf Spannungs- und Stromstärkenverlauf aus der Simulation können zur Prozeßüberwachung in der Fertigung verwendet werden 18

19 Beispiel Nahtgüte einer Kehlnaht: Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO

20 Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 1 20

21 Kehlnaht - Lichtbogen und Tropfenablösung 21

22 Kehlnaht - Ergebnis Variante 1 Bewertungsgruppe D: 1 + 0,25b = 1 + 0,25 x 6,7 = 2,68 mm Bewertungsgruppe C: 1 + 0,15b = 1 + 0,15 x 6,7 = 2,01 mm Bewertungsgruppe B: 1 + 0,10b = 1 + 0,10 x 6,7 = 1,67 mm 22

23 Temperaturverlauf 23

24 Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 2 Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit von 25 cm/min auf 50 cm/min Erhöhung des Drahtvorschubes von 6 m/min auf 10 m/min 24

25 Kehlnaht - Ergebnis Variante 2 Bewertungsgruppe D: 1 + 0,25b = 1 + 0,25 x 6,7 = 2,68 mm Bewertungsgruppe C: 1 + 0,15b = 1 + 0,15 x 6,7 = 2,01 mm Bewertungsgruppe B: 1 + 0,10b = 1 + 0,10 x 6,7 = 1,67 mm 25

26 Vergleich Kehlnaht Variante 1 - Variante 2 Schweißgeschwindigkeit: Drahtvorschub: 25 cm/min 6 m/min 50 cm/min 10 m/min 26

27 Simufact.welding Schweißstruktursimulation Verzug - Eigenspannungen - Gefüge 27

28 Simufact.welding anwenderfreundliche übersichtliche Benutzeroberfläche Die vom simufact Team unter Leitung von Jens Rohbrecht entwickelte GUI ist anwenderfreundlich und speziell ausgerichtet auf die schweißtechnischen Belange 28

29 Grundlagen der Schweißstruktursimulation Wesentliche Modellierungsaspekte 29

30 Schweißstruktursimulation Modellierungsablauf Methode der Finiten Elemente FEM Geometriebeschreibung des Bauteils - CAD Einteilung in Finte Elemente Vernetzen Werkstoff Materialeigenschaften Schweißen Definition der Ersatzwärmequelle Prozeß und Setup Materialzuweisung, Schweißfolge, Spannvorrichtung, äußere Lasten 30

31 Die wichtigsten Aspekte der Schweißstruktursimulation Geometrie Material Temperaturabhängigkeit Verfestigung Rücksetzen der Verfestigung beim Aufschmelzen Gefügeumwandlung Umwandlungsdehnungen gefügeabhängige Änderung der Materialkennwerte Wärmequelle Geometrie und Wärmeeintragsfunktion Bahn und Bahngeschwindigkeit Mechanische Randbedingung Spannvorrichtung Kontakt 31

32 Bestimmung der Ersatzwärmequelle Methoden der Kalibrierung des Wärmeeintrages Prozeßkette Schnittstelle zur Prozeßsimulation (SimWeld) Übernahme der Wärmeeintragsfunktion aus einer vorgeschalteten Prozeßsimulation Schliffbildkalibrierung Kalibrierung der Ersatzwärmequelle anhand vorhandener Schliffbilder Streckenenergie Definition der Ersatzwärmequelle anhand geschätzter Schmelzbadabmessung und eingebrachter Streckenenergie (Stomstärke, Spannung, Wirkungsgrad) 32

33 Kontakt Berücksichtigung des thermischen und mechanischen Kontaktes Insbesondere der mechanische Kontakt muß korrekt abgebildet werden um zutreffende Ergebnisse für den Verzug zu erhalten. Reibkontakt muß bei Erreichen der Schmelztemperatur in Festkontakt umgeschaltet werden (Verschweißen). 5-fach überhöht 33

34 Validierung der Berechnung Schweißstruktursimulation 34

35 Validierung Schweißverzug (Banke et al. 2003) Versuch und Meßdaten aus: BANKE, F. ; SCHMIED, J. ; SCHULZ, U.: Der Einfluß von Schweißeigenspannung und Schweißverformungen auf das Beulverhalten von axialgedr uckten Zylinderschalen. In: Stahlbau 72 (2003), Nr. 2, S Meßwerte: Banke et al. Berechnung: Dr. Loose 35

36 IIW Round Robin Versuch Vergleich Meßwerte und Berechnungsergebnis 36

37 Nitschke-Pagel Versuch 37

38 Schweißverzugsimulation eines Drehgestellangträgers 38

39 Simulationsmodell 2,8 m Bauteillänge ca Elemente 24 zu verschweißende Bauteile mit einlagigen bis 4-lagigen Nähten 69 Heftnähte 118 Schweißnähte 223 Einzelschweißraupen 9138 s Schweißzeit ca Berechnungszeitschritte s Gesamtprozeßzeit 39

40 Berechnungszeit Transiente Berechnung des Gesamtmodells mit Domain Decomposition Methode (DDM) bei Berechnung auf 9 Domains derzeit ca. 25 Tage! bei Berechnungsschritten geplante Maßnahmen zur Reduzierung der Berechnungszeit: Zeitschrittoptimierung und Berechnung mit 32 Domains Zielgröße: < 10 Tage Berechnungszeit Anwendung der metatransienten Methode Zielgröße: < 5 Tage Berechnungszeit 40

41 Vernetzungsstrategie Reduzierung des Vernetzungsaufwandes Grobes Netz für die Bauteile, nicht konforme Netze, automatische Netzverfeinerung Der Kontakt zwischen Bauteilen Zusatzmaterial Spanner, Auflager Wird automatisch gefunden und berücksichtigt. Automatische Vernetzung des Zusatzmaterials einlagiger Kehlnähte mit dem Fillet Generator Mehrlagige Nähte werden derzeit noch manuell vernetzt, zukünftig wird es dafür auch einen Fillet Generator geben. 41

42 Der Prozeßplan Der Prozessplan ist ein simulationsgerecht abgewandelter Arbeitsplan, mit Schwerpunkt auf den Schweißprozessparametern wie Lage, Strom, Spannung, Vorschubgeschwindigkeit. Die benötigten schweißtechnischen Informationen gehen über das übliche nicht hinaus und entsprechen etwa den im Merkblatt [DVS 1610] empfohlenen Angaben. Der Prozeßplan ist der Eingabeplan für den Aufbau des Simulationsmodells. 42

43 Roboter-Dialog und Schweißmonitor Entsprechend den Angaben aus dem Prozeßplan erfolgt die Eingabe der Schweißprozesse über den Roboter-Dialog. Die Bestimmung der Ersatzwärmequelle erfolgt mit der Streckenenergie-Methode. Damit soll gezeigt werden, daß auch eine Vorausberechnung anhand der Angaben in den Schweißanweisungen (WPS) zutreffende Ergebnisse liefert. Der Schweißmonitor zeigt die Spitzentemperatur im Nahtqueschnitt, also die Schmelzbadausbildung in der Simulation (Hinweis zur Grafik: Im ersten Rechenlauf wurde die Netzverfeinerung der Bauteile unterdrückt.) 43

44 Spitzentemperatur nach 9350 s 44

45 Vergleichsspannung (von Mises) nach 9350 s 45

46 Skalar des Verzugsvektors nach 9350 s 46

47 der Film... 47

48 Zusammenfassung 48

49 Zusammenfassung Die numerische Simulation ist ein modernes Hilfsmittel, das in vielen Bereichen zur Auslegung von Bauteilen und zur Auslegung von Fertigungsprozessen genutzt wird. Im Bereich des Schweißens steht die industrielle Nutzung noch am Anbeginn. Mittlerweile ist die Schweißsimulation technologisch soweit gereift, daß sie industriell anwendbar ist. Bauteile in den Dimensionen des Schienenfahrzeugbau können derzeit schon berechnet werden. Die Schweißsimulation eröffnet ein neues Kapitel in der Qualitätssicherung und -überwachung: direkt als Überwachungsinstrument oder indirekt in dem die Schweißsimulation eine präzise Beschreibung des Fügeprozesses verlangt. 49

50 Zusammenfassung Mit der Schweißsimulation erhalten Sie Ergebnisse bevor Sie beginnen zu fertigen und Sie können somit den Fertigungsprozeß kostensparender und qualitativ hochwertiger planen und ausführen, sehen Sie in Ihr Bauteil hinein und erhalten Aussagen über Zustandsgrößen an jeder beliebigen Stelle, also auch dort wo Sie nicht messen können, können Sie den Schweißprozeß und seine Auswirkungen visualisieren, damit verstehen und zielorientiert verbessern, schaffen Sie mit der Simulation Fakten und klare Aussagen, damit verkürzen langwierige Diskussionsrunden, und können den Experten-Meinungen mit fundierten Daten entgegentreten. schulen Sie Schweißaufsichtspersonen und Schweißer und verbessern das Prozeßverständnis 50

51 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 51