Numerische Auslegung des Mehrlagenschweißens als additives Fertigungsverfahren

Transkript

1 Numerische Auslegung des Mehrlagenschweißens als additives Fertigungsverfahren Dr.-Ing. Marcel Graf Dr.-Ing. Sebastian Härtel Dr.-Ing. André Hälsig

2 Agenda 1. Einleitung 2. Werkstoffcharakterisierung 3. Experimentelle und numerische Abbildung des Mehrlagenschweißens 4. Eigenschaftsverbesserung durch Schweißformen 5. Zusammenfassung und Ausblick

3 Agenda 1. Einleitung 2. Werkstoffcharakterisierung 3. Experimentelle und numerische Abbildung des Mehrlagenschweißens 4. Eigenschaftsverbesserung durch Schweißformen 5. Zusammenfassung und Ausblick

4 Verfahrenseinteilung Pulverbettverfahren Quelle: William E. Frazier: Metal Additive Manufacturing - A Review

5 Verfahrenseinteilung Pulverzufuhrverfahren Quelle: William E. Frazier: Metal Additive Manufacturing - A Review

6 Verfahrenseinteilung Drahtbasiertes Mehrlagenschweißen via MSG

7 Agenda 1. Einleitung 2. Werkstoffcharakterisierung 3. Experimentelle und numerische Abbildung des Mehrlagenschweißens 4. Eigenschaftsverbesserung durch Schweißformen 5. Zusammenfassung und Ausblick

8 Eingangsdaten für die numerische Simulation Quelle: Prof. Brosius, TU Dresden

9 Einfluss des Werkstoffzustandes auf Materialdaten Für thermo-mechanisch gekoppelte Simulation sind u. a. thermophysikalische, temperaturabhängige Werkstoffdaten notwendig Schweißzusatzwerkstoff (G4Si1) 25 C 100 C 200 C 400 C 600 C 800 C 1000 C 1200 C 1400 C λ [W/m/K] c p [J/kg/K] α [10-6 /K] 42,7 42,1 39,4 36,8 32,2 27,8 28,3 30,6 32,9 452,1 492,2 527,0 636, ,7 627,1 658,7 693,1 13,2 13,8 14,8 15,0 15,8 14,3 14,3 16,2 17,7

10 Einfluss des Werkstoffzustandes auf Materialdaten Für thermo-mechanisch gekoppelte Simulation sind u. a. thermomechanische, temperaturabhängige Werkstoffdaten notwendig Schweißzusatzwerkstoff (G4Si1) Fließkurven für plastisches Verhalten σ F =f(φ, ϑ, φ): σ F = P 1 e P 2 θ φ P 3 e P 1 = 530,33224 P 2 = -0, P 3 = 0, P 4 = -0, C 100 C 200 C 400 C 600 C 800 C 1000 C 1200 C 1400 C E [GPa] 207,4 204,0 197,9 180,0 154,7 124,4 103,9 83,7 63,1 P 5 = -3, *10-6 P 5 φ φ P 4

11 Agenda 1. Einleitung 2. Werkstoffcharakterisierung 3. Experimentelle und numerische Abbildung des Mehrlagenschweißens 4. Eigenschaftsverbesserung durch Schweißformen 5. Zusammenfassung und Ausblick

12 Reale Mehrlagenschweißungen Metallschutzgas-Schweißverfahren Cold-Metal-Transfer-Verfahren (CMT) Technologieparameter: Schweißleistung 2228 W (165 V, 13,5 A) Drahtvorschub 5 m/min Schweißgeschwindigkeit 50 cm/min Schutzgas 16 l/min (82%Ar 18% CO 2 ) Zusatzwerkstoff G4Si1 (ø=1,2mm) Höhenversatz je Lage 1 mm Nahtlänge 120 mm Quelle: Wikipedia

13 Reale Mehrlagenschweißungen t 8-5

14 Numerische Mehrlagenschweißungen Randbedingungen in der Simulation (MSC Marc) - Wärmeübergangskoeffizient Metall-Metall α Met-Met =2000 W/m²/K - Wärmeübergangskoeffizient Metall-Luft α Met-Luft =35 W/m²/K - Umgebungstemperatur ϑ Umgeb =20 C - Emissionskoeffizient ε=0,5 - Schmelztemperatur ϑ liquid =1503 C - Goldak-Wärmequelle Quelle: Simufact.Welding 6.0

15 Numerische Mehrlagenschweißungen Temperaturverteilung nach 4 Schweißnähten und jeweils 15 s Abkühlung nach jedem Schweißnaht setzen

16 Drahtvorschub 5 m/min Drahtvorschub 2,5 m/min Fakultät für Maschinenbau Validierung der Mehrlagenschweißungen (40 cm/min) Temperaturverteilung gegensinnig gleichsinnig

17 Drahtvorschub 5 m/min Drahtvorschub 2,5 m/min Fakultät für Maschinenbau Validierung der Mehrlagenschweißungen (40 cm/min) Verzug gegensinnig gleichsinnig

18 Agenda 1. Einleitung 2. Werkstoffcharakterisierung 3. Experimentelle und numerische Abbildung des Mehrlagenschweißens 4. Eigenschaftsverbesserung durch Schweißformen 5. Zusammenfassung und Ausblick

19 Kombination aus Schweißen und Warmumformen AUSGANGSSITUATION Feinkornzone Schweißzone Grobkornzone Konventionelle Schweißnahtnachbehandlung - Ausschleifen - WIG Aufschmelzen - Hämmern - Nadeln - Kugelstrahlen - Ultrasonic Impact Treatment - Glühen Unterschiedliche mechanische Eigenschaften nach dem Schweißen im Bereich der Wärmeeinflusszone Konventionelle Schweißnahtnachbehandlung zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit stellt zusätzlichen Prozessschritt dar

20 Kombination aus Schweißen und Warmumformen MOTIVATION/ZIELSTELLUNG Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Schweißnähten Gezielte Gefügeeinstellung im Bereich der Schweißnaht durch statische, metadynamische und dynamische Rekristallisationsprozesse

21 Kombination aus Schweißen und Warmumformen EXPERIMENTELLE SIMULATION Funktionsnachweis des Schweißformens erfolgte mittels des Schweiß- und Umformsimulators GLEEBLE am Werkstoff S235 JR (Wkst.-Nr ) Einstellen eines Schweißgefüges durch thermische Behandlung Erzeugen eines feinkörnigen homogenen Gefügezustandes infolge der induzierten Rekristallisationsprozesse Stauchen der Probe bis φ = 0,5 bei ϑ = 1050 C; φ = 1 s -1

22 Kombination aus Schweißen und Warmumformen NUMERISCHE SIMULATION Realer Nahtquerschnitt Modellierte Schweißnaht Grundwerkstoff WEZ Feinkorn WEZ Grobkorn Schweißgut

23 Agenda 1. Einleitung 2. Werkstoffcharakterisierung 3. Experimentelle und numerische Abbildung des Mehrlagenschweißens 4. Eigenschaftsverbesserung durch Schweißformen 5. Zusammenfassung und Ausblick

24 Zusammenfassung Numerische Abbildung und Validierung des Mehrlagenschweißens Bestimmung der Temperaturverteilung und des resultierenden Verzuges Ermittlung des Einflusses der Schweißtechnologie auf Bauteil - Eigenschaften Experimentelle und numerische Erprobung des kombinierten Schweißens und Warmumformens zur Eigenschaftsverbesserung Bestimmung der materialspezifischen thermophysikalischen und -mechanischen Kennwerte und Implementierung in FE-Software

25 Ausblick Übertragung der Erkenntnisse des einlagigen Schweiß-Umformverfahrens auf das Mehrlagenschweißen homogenisieren der Bauteileigenschaften durch mikrostrukturelle Beeinflussungen infolge einer gezielten inkrementellen Umformung Inkrementelle Umformung in Richtung der Nahtbreite (Vorteil: Einebnen der welligen Wandoberflächen und bei Verzug eventuelles Warmrichten der Geometrie)

26 Numerische Auslegung des Mehrlagenschweißens als additives Fertigungsverfahren Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!