Berechnung von Schweißeigenspannungen und Schweißverzug

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1 Herdweg 13, D Wössingen Lkr. Karlsruhe Courriel: Web: Mobil: +49 (0) Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Berechnung von Schweißeigenspannungen und Schweißverzug mit der Schweißstruktursimulation und deren Anwendung an großen Bauteilen Dr.-Ing. Tobias Loose

2 Über das Ingenieurbüro Tobias Loose 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 2

3 für die Schweißsimulation verwenden wir folgende Software WeldWare Schweißtechnologisches Beratungssystem In WeldWare steckt jahrzehntelange Erforschung vereint in einer Software: Wärmeführung beim Schweißen von Stahl Gefügeumwandlungen und Eigenschaften in der Wärmeeinflußzone 3

4 für die Schweißsimulation verwenden wir folgende Software SimWeld In SimWeld steckt langjährige Forschung und Entwicklung in der annwendungsnahen Schweißprozeßsimulation vom Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen. 4

5 für die Schweißsimulation verwenden wir folgende Software Technische Merkmale von Simufact.welding: einfache und schnelle Bedienung Erfassung schweißtechnischer Randbedingungen zügige Definition der Spannvorrichtung geeignet für alle gängigen Schweißverfahren erfaßt alle Nahtvorbereitungen umfassende Materialdatensammlung zuverlässige Berechnung 5

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7 Grundlagen der Eigenspannungs- und Verzugsberechnung 7

8 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 8

9 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 9

10 Eigenspannungen - Verzug Eigenspannungen Verzug Hohe plastische Dehnungen Rißgefahr Großer Verzug Gefahr für Schweißprozeß freies Ausdehnen und Schrumpfen Weiche Struktur Nicht eingespannt.. Optimum.. Ausdehnen und Schrumpfen behindert Steife Struktur Vollständig eingespannt 10

11 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 11

12 Finite Element Methode - Schweißstruktursimulation K u=f Temperaturfeld Strukturmechanik Begleiterscheinungen = e p up thm 12

13 Spannungs-Dehnungs Beziehung σ wahr Re σwahr, Verfestigung εwahr,plastisch εwahr 13

14 Spannungs-Dehnungs Beziehung Streckgrenze Re Streckgrenze Re in N/mm² Streckgrenze als Funktionen des Gefüges in Abhängigkeit der Temperatur Temperatur in C 14

15 Verfestigungsspannung als temperaturabhängige Funktionsschar für jedes Gefüge wahre Verfestigungsspannung σ v in N/mm² Spannungs-Dehnungs Beziehung Verfestigung Ferrit-Perlit S355 wahre plastische Dehnung ε pl in m/m 15

16 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 16

17 Thermische Dehnung in % Thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung α krz γ kfz Umwandlungsdehnung Thermische Dehnung Temperature in C 17

18 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 18

19 Rücksetzen der plastischen Dehnungen Vergleich der Längseigenspannung mit und ohne Rücksetzen der plastischen Dehnungen. Berechnung ohne Gefügeumwandlung. 19

20 Gefügezustand nach dem Schweißen S235 FerritPerlit S355 FerritPerlit Bainit Martensit Bainit Martensit 20

21 Streckgrenze nach dem Schweißen S235 S355 Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung 21

22 Eigenspannungen nach dem Schweißen Längseigenspannungen 22

23 Eigenspannungen während des Schweißens 23

24 Verzug nach dem Schweißen 24

25 Verzug während des Schweißens 25

26 Wie entstehen die Eigenspannungen? 26

27 Entwicklung der Eigenspannungsentstehung am Beispiel des IIW Round Robin Versuches Platte mit den Abmessungen 270 x 200 x 30 mm3 mit V/U-förmiger Nut Austenitischer Nichtrostender Stahl (316LNSPH, kf = 275 MPa) 2 Lagen, zuschweißen der Nut mit artgleichem Zusatzmaterial 316L TIG Schweißung mit U = 9 V, I = 155 A, v = 0,67 mm/s Gemeinschaftsprojekt mit Prof. Dr.-Ing Helmut Wohlfahrt, Dr.-Ing. Marcus Brand, Dipl.-Ing. Jens Sakkiettibutra 27

28 Entwicklung der Eigenspannungsentstehung am Beispiel des IIW Round Robin Versuches longitudinal transversal Welding direction Welding direction Längs- und Quereigenspannungen nach dem Schweißen Die Eigenspannungsentstehung hängt von der Geometrie ab Anhand der von Mises Spannung werden die teils gegenläufigen Mechanismen verdeutlicht. 28

29 Entwicklung der Eigenspannungsentstehung am Beispiel des IIW Round Robin Versuches Hydrostatische Ausdehnung, wenn das Material nicht in Längs- und Querrichtung durch kältere Bereiche gehindert würde. Mit steigender Temperatur ist ein Ansteigen der von Mieses Spannung zu erwarten. Temperature (2. layer) 1500 before welding (3000 s) 1250 temperature [ C] max. Temperature (3269 s) 1000 at the beginning of the cooling phase (3301 s) Yield strength (2. layer) , distance to weld center [mm] yield strength [MPa] Begleitend zum Temperaturanstieg fällt die Streckgrenze ab 250, , s (before welding) 150, s (max. Temperature) 100, s (at the beginning of the cooling phase) s (after cooling) 50,000 0, distance to weld center [mm] 29

30 Entwicklung der Eigenspannungsentstehung am Beispiel des IIW Round Robin Versuches Während des Aufheizens verfestigt das Material als Folge plastischer Verformung an der Stelle, wo die höchsten Spannungen mit der geringsten Werten der Streckgrenze zusammenfallen, das ist in der WEZ Von Mises stresses (2. layer) 500 before welding (3000 s) max. Temperature (3269) Die von Mises Spannung ist begrenzt auf die von Temperatur und Verfestigung abhängende Streckgrenze. Sie erreicht ein Maximum in der verfestigten WEZ stresses [MPa] 400 at the beginning of the cooling phase (3301 s) after cooling (15000 s) distance to weld center [mm]

31 Entwicklung der Eigenspannungsentstehung am Beispiel des IIW Round Robin Versuches Längseigenspannungen entstehen in der WEZ begleitend zum Ausdehnen während der Erwärmung und des Schrumpfens während der Abkühlung. Sie erreichen Magnituden, die aufgrund der Verfestigung größer als die Ausgangsstreckgrenze sein können in der Schweißnaht aufgrund der behinderten Schrumpfung des Schmelzbades. Quereigenspannungen entstehen aufgrund gleicher ursachen wie die Längseigenspannungen aber sie haben geringere Magnituden, da der Einspanngrad geringer ist. 31

32 Validierung S L 32

33 Große Bauteile 33

34 Dilemma Schweißnaht - Feines Netz Gesamtstruktur - Grobes Netz Modellgröße Hardware 34

35 Lösungen Leistungssteigerung der Rechnerkapazität Transiente Methode: Berechnung auf mehreren CPU Ersatzmethoden oder vereinfachte Berechnungsannahmen Metatransiente Methode Local - Global Methode Schrumpfkraftmethode Ziel der Ersatzmethoden ist es durch vereinfachte Annahmen die Berechnung zu beschleunigen die Eingabe zu vereinfachen gröbere Netze verwenden zu können die Anzahl der Berechnungszeitschritte zu reduzieren, beispielsweise eine Naht in einem Berechnunsschritt dennoch die gleichen Aussagen zu erhalten, wie bei der transienten Methode 35

36 Transiente Methode - DMP Die transiente Methode bildet die Wirklichkeit am realitätsnächsten ab Die Einspannsituation wird genau abgebildet Physikalische Vorgänge wie die Gefügeumwandlung und deren Effekte und Einflüsse können berücksichtigt werden Thermische Randbedingungen wie Vorwärmen oder lokales kühlen und deren Einflüsse können berücksichtigt werden Mechanische Randbedingungen und deren Einflüsse können berücksichtigt werden Erfordert feine Vernetzung, große Berechnungszeit 36

37 Metatransiente Methode - Thermal Cycle Berechnete Eigenspannungen und Gefüge sind fast identisch mit den Berechnungsergebnissen aus einer Transienten Berechnung Abweichungen treten bei den berechneten Verzügen auf Diese Methode eignet sich insbesondere, um große Strukturen mit mehrlagigen Nähten zu berechnen und den Einfluß beliebiger Lagenfüllungen zu berücksichtigen 37

38 Vergleich Längsspannung - v. Mises Spannung transient metatransient 38

39 Welche Vorteile bringt Ihnen die Schweißsimulation? 39

40 Das Verständnis ist die Grundlage für die Optimierung und Kosteneinsparung Sie sehen in Ihr Bauteil hinein und erhalten Aussagen über Zustandsgrößen an jeder beliebiegen Stelle, also auch dort wo Sie nicht messen können. Sie können den Schweißprozeß und seine Auswirkungen visualisieren, damit verstehen und zielorientiert verbessern. Sie schaffen mit der Simulation Fakten und klare Aussagen, damit verkürzen Sie ewig dauernde innerbetriebliche Diskussionsrunden, und können den Experten-Meinungen mit fundierten Daten entgegentreten 40

41 Lehrgeld - muß nicht sein In den letzen Jahren habe ich für verschiedene Kunden Schweißsimulationsberechnungen zu den unterschiedlichsten Fragestellungen durchgeführt. Oft erst nachdem Probleme oder Schadensfälle aufgetreten sind. Dabei kam die Erkenntnis zu tage: hätten wir vorher simuliert hätten wir das Problem auch vorher erkannt, Kosten und Aufwand gespart. Mittlerweile ist die Schweißsimulation technologisch soweit gereift, daß sie nicht mehr ein rein akademisches Tätigkeitsfeld ist sondern industriell anwendbar. 41

42 Mit Schweißsimulation sind Sie erfolgreicher... und erzielen Top Qualität! 42