Berechnung von Schweißeigenspannungen und Verzug

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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 Verzug Welche Vorteile kann man daraus gewinnen? 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 Software für die Schweißsimulation 30 Jahre Entwicklung Validiert und Erfahrung in der Schweißsimulation SYSWELD Solver optimiert für Schweißen und Wärmebehandlung 3

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

5 Software für die Schweißsimulation WeldWare Schweißtechnologisches Beratungssystem In WeldWare steckt jahrzehntelange Erforschung der Wärmeführung Gefügeumwandlung und Materialfestigkeit rund um das Schweißen von Stahl. 5

6 Sie brauchen Hilfe oder wünschen ein Angebot?

7 Wozu Simulieren? Nach dem Schweißen verhält sich das Material nicht mehr so wie vor dem Schweißen. Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke Breisach St 37 von 1962 Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl 7

8 Bausteine der Schweißsimulation Geometrie Schweißbrenner Schweißbrenner Wärmeeintrag Werkstoff Prozeß Materialeigenschaft, Umwandlungsverhalten Nahtfolge, Wärmebehandlung, Spannvorrichtung 8

9 Leistungsmerkmale des Sysweld Solvers Kopplung von Elektrokinetik - Temperatur - Gefügeumwandlung und Strukturmechanik Gefügeumwandlung isotherm und bei kontinuierlicher Temperaturänderung, Austhenitisierung, Korngrößenwachstum, Diffusionsberechnung: Aufkohlung, Wasserstoffdiffusion Automatische Wärmequellenkalibrierung Freie, netzunabhängige, Bahnbeschreibung der Schweißwärmequelle Berücksichtigung der Gefügeumwandlung und deren Einflüsse bei der strukturmechanischen Berechnung Wärmebehandlung, Spannungsarmglühen Bewertung der Ermüdungsfestigkeit mit Dang Van Kriterium 9

10 Schweißverfahren Lichtbogenschweißverfahren Strahlschweißverfahren Punktschweißen Widerstandschweißen 10

11 Validierung S L 11

12 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 12

13 Grundlagen der Eigenspannungsund Verzugsberechnung 13

14 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 14

15 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 15

16 Finite Element Methode - Schweißstruktursimulation K u=f Temperaturfeld Strukturmechanik Begleiterscheinungen = e p up thm 16

17 Spannungs-Dehnungs Beziehung σ wahr Re σwahr, Verfestigung εwahr,plastisch εwahr 17

18 Spannungs-Dehnungs Beziehung Streckgrenze Re Streckgrenze Re in N/mm² Streckgrenze als Funktionen des Gefüges in Abhängigkeit der Temperatur Temperatur in C 18

19 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 19

20 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 Zur Beschreibung bei Zyklischer oder Wechselbeanspruchung: Frederic-Amstrong Modell 20

21 Thermische Dehnung in % Thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung α krz γ kfz Umwandlungsdehnung Thermische Dehnung Temperature in C 21

22 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 22

23 Rücksetzen der plastischen Dehnungen Vergleich der Längseigenspannung mit und ohne Rücksetzen der plastischen Dehnungen. Berechnung ohne Gefügeumwandlung. 23

24 Gefügezustand nach dem Schweißen S235 FerritPerlit S355 FerritPerlit Bainit Martensit Bainit Martensit 24

25 Streckgrenze nach dem Schweißen S235 S355 Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung 25

26 Eigenspannungen nach dem Schweißen Längseigenspannungen 26

27 Verzug nach dem Schweißen 27

28 Verzug während des Schweißens 28

29 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 29

30 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. 30

31 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] 31

32 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]

33 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. 33

34 Berechnungsbeispiel Blindnaht S355 E = 5,83 kj/cm v = 1,66 mm/s Messung: w = 0,34 mm Berechnung: w = 0,32 mm Messungen: Dr. Nitschke-Pagel, Berechnung: Dr. Loose 34

35 Berechnungsbeispiel Blindnaht 35

36 Längs- und Quereigenspannungen Längseigenspannungen Quereigenspannungen 36

37 Längs- und Quereigenspannungen - Animation Längseigenspannungen Quereigenspannungen 37

38 Welche Vorteile kann man daraus gewinnen? 38

39 Bewertung der Eigenspannungen Sie erkennen gefährdete Bereiche Ihrer Schweißkonstruktion Sie können Ihre Konstruktion hinsichtlich Eigenspannungen bewerten und eine darauf optimierte Konstruktion wählen 39

40 Bewertung des Temperatureinflusses Sind im Bauteil temperaturempfindliche Komponenten? Sie können uberprüfen ob diese gefährdet sind. Sind im Bauteil wärmebehandelte Komponenten? Sie können überprüfen ob das Schweißen einen schädigenden Einfluß hat. Verwenden Sie höherfeste Stähle? Sie können überprüfen ob Schweißnaht und WEZ die erforderliche Festigkeit erreicht. Verwenden Sie Aluminium? Ebenso. Sie erhalten eine Ausage über die Gefügezusammensetzung und können diese bewerten. Sie erhalten eine Aussage über die Nahtfestigkeit und können mit dieser Information weitere Festigkeitsnachweise führen. 40

41 Heißriß - Kaltriß - Ermüdung Sie können die Heißrißgefährdung durch Bewertung der Nahtflankendrift abschätzen. Sie können die Kaltrißgefährdung abschätzen, indem Sie die elastische Reserve, die Differenz zwischen Streckgrenze und Vergleichsspannung, bewerten. Sie können die berechneten Eigenspannungen zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit verwenden. Ihre Vorteile: Sie haben eine Qualitätsaussage für Ihre Schweißverbindung. Sie können Schadensfälle vorausahnen und vermeiden 41

42 Verzug Die Maßhaltigkeit der Bauteile ist ein wichtiges Kriterium bei steigenden Anforderungen. Sie können abschätzen ob der Verzug in den gewünschten Grenzen bleibt. Sie können erkennen ob Ihre Konstruktion baubar ist oder ob der Schweißverzug einen Zusammenbau erschwert. Sie können erkennen ob eine Konstruktionsänderung auch tatsächlich Vorteile bringt oder ob sich in der Fertigung Probleme ergeben, die zu größeren Produktionskosten führen. 42

43 Das Verständnis - die Diskussion 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 verbesern. 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 43

44 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. 44