Eigenspannungen berechnen mit Hilfe der Schweißsimulation

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 Eigenspannungen berechnen mit Hilfe der Schweißsimulation Dr.-Ing. Tobias Loose 08.05.2013 1

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

Sie wünschen Hilfe, Infos oder ein Angebot? Besuchen Sie uns im Internet: www.tl-ing.de - www.loose.at www.simweld.info 3

Radaj - Dreieck Schweißsimulation 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 4

Engineering Software in der Schweißtechnik WeldWare - Materialdaten und einfache Berechnung WeldWare Schweißtechnologisches Beratungssystem In WeldWare steckt jahrzehntelange Erforschung vereint in einer Software: Wärmeführung beim Schweißen von Stahl Gefügeumwandlungen und Eigenschaften in der Wärmeeinflußzone 5

Engineering Software in der Schweißtechnik SimWeld - Schweißprozeßsimulation SimWeld In SimWeld steckt langjährige Forschung und Entwicklung in der anwendungsnahen Schweißprozeßsimulation vom Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen. 6

Engineering Software in der Schweißtechnik simufact.welding - Schweißstruktursimulation 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 7

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

WeldWare Schweißtechnologisches Beratungssystem Streckenenergie - Vorwärmtemperatur - Gefüge 9

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

WeldWare nutzt Chargenübergreifende Regressionsgleichungen Gemessene Schweiß-ZTU-Schaubilder aus eigenem Hause, der SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH Zugehörige Materialdaten

Materaialdaten auswählen Vorauswahl nach Werkstoffgruppe Suche nach Werkstoffname Gesamtliste

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

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

Gefügezusammensetzung berechnen Vorausberechnung des Gefüges in der WEZ aufgrund der Stahlzusammensetzung

K30 Wert bestimmen K30-Wert als erforderliches KühlzeitMinimum zur Vermeidung von Rissen infolge Martensit und Aufhärtung

Anzeige des SZTU-Diagramms

Abschätzung der zu erwartenden mechanischen Kennwerte in der WEZ...

dient der Vermeidung technologischer Kerben im Vergleich zum ungeschweißten Grundwerkstoff

Schweißdaten abschätzen Schweißdaten, die den K30-Wert (7,1 s) sichern.

SimWeld Schweißprozeßsimulation Berechnung des Schmelzbades 21

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 22

Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO 5817 23

Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 1 24

Kehlnaht - Lichtbogen und Tropfenablösung 25

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 26

Temperaturverlauf 27

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 28

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 29

Vergleich Kehlnaht Variante 1 - Variante 2 Schweißgeschwindigkeit: Drahtvorschub: 25 cm/min 6 m/min 50 cm/min 10 m/min 30

Simufact.welding Schweißstruktursimulation Verzug - Eigenspannungen - Gefüge 31

Simufact.welding anwenderfreundliche Software mit übersichtlicher Benutzeroberfläche Die von Jens Rohbrecht entwickelte GUI ist anwenderfreundlich und speziell ausgerichtet auf die schweißtechnischen Belange 32

Grundlagen der Schweißstruktursimulation Verzug - Eigenspannungen - Gefüge 33

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 34

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 35

Die Schweißstruktursimulation verwendet die Methode der Finiten Elemente K u=f Temperaturfeld Strukturmechanik Begleiterscheinungen = e p up thm 36

Gekoppelte Berechnungen Physik, die bei der Berechnung Berücksichtigung findet Elektromagnetismus Elektromagnetismus Wasserstoffdiffusion Wasserstoffdiffusion Temperaturfeld Temperaturfeld Korngröße Korngröße Gefügeumwandlung Gefügeumwandlung Diffusion Diffusion -- Aufkohlung Aufkohlung Strukturmechanik Strukturmechanik 37

Spannungs-Dehnungs Beziehung σ wahr Re σwahr, Verfestigung εwahr,plastisch εwahr 38

Spannungs-Dehnungs Beziehung Streckgrenze Re Streckgrenze Re in N/mm² Streckgrenze als Funktionen des Gefüges in Abhängigkeit der Temperatur Temperatur in C 39

Thermische Dehnung in % Thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung krz kfz Umwandlungsdehnung Thermische Dehnung Temperature in C 40

Rücksetzen der plastischen Dehnungen Vergleich der Längseigenspannung mit und ohne Rücksetzen der plastischen Dehnungen. Berechnung ohne Gefügeumwandlung. Beim Aufschmelzen oder bereits bei der Kornumwandlung verschwinden die zur Verfestigung führenden Dehnungen. Diese Entfestigung wird durch ein Rücksetzen der plastischen Dehnungen berücksichtigt. 41

Eigenspannungsentstehung am Beispiel des Round Robin Ringversuches 42

IIW Round Robin Versuch 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 Prof. Dr.-Ing Helmut Wohlfahrt Dr.-Ing. Marcus Brand Dipl.-Ing. Jens Sakkiettibutra Dr.-Ing. Tobias Loose 43

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. 44

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 Mises 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) 750 500 Yield strength (2. layer) 250 0-100 300,000-75 -50-25 0 25 50 75 100 distance to weld center [mm] yield strength [MPa] Begleitend zum Temperaturanstieg fällt die Streckgrenze ab 250,000 200,000 3000 s (before welding) 150,000 3269 s (max. Temperature) 100,000 3301 s (at the beginning of the cooling phase) 15000 s (after cooling) 50,000 0,000-100 -75-50 -25 0 25 50 75 100 distance to weld center [mm] 45

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) 300 200 100 0-100 -75-50 -25 0 25 50 75 distance to weld center [mm] 46 100

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. 47

Eigenspannungsentstehung Modellbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung unter Berücksichtigung der Gefügeumwandlung Quelle: Th. Nitschke-Pagel, H.Wohlfahrt: Schweißeigenspannungen und schweißbedingter Verzug. Vortrag beim schweißtechnischen Seminar, DVS Bezirksverband Friedrichshafen-Ravensburg, 6.- 8.11. 2003. 48

TU Braunschweig Schweißeigenspannungen, Werkstoffeinfluss Modellbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken von Schrumpfungsbehinderung und behinderter Volumenausdehnung Re 1. Langsame Abkühlung Umwandlung in der Ferrit - Perlit - Stufe Spannungen / Eigenspannungen Re 200 400 600 800 T in oc

TU Braunschweig Schweißeigenspannungen, Werkstoffeinfluss Modellbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken von Schrumpfungsbehinderung und behinderter Volumenausdehnung Re 2. schnellere Abkühlung Umwandlung in der Bainitstufe Spannungen / Eigenspannungen Re 200 400 600 800 T in oc

TU Braunschweig Schweißeigenspannungen, Werkstoffeinfluss Modellbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken von Schrumpfungsbehinderung und behinderter Volumenausdehnung 3. kritische Abkühlung Martensitische Umwandlung Re Spannungen / Eigenspannungen Re 200 400 600 800 T in oc

Ergebnisse aus der Schweißstruktursimulation 52

Gefügezustand nach dem Schweißen S235 FerritPerlit S355 FerritPerlit Bainit Martensit Bainit Martensit 53

Streckgrenze nach dem Schweißen S235 S355 Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung 54

Eigenspannungen nach dem Schweißen Längseigenspannungen 55

Eigenspannungen während des Schweißens 56

Eigenspannungen nach dem Schweißen Quereigenspannungen 57

Eigenspannungen nach dem Schweißen von Mises Spannungen 58

Schweißstruktursimulation am Beispiel einer Dünnfolienschweißung mit Berücksichtigung von Anfangsverfestigungen 59

Modell Abmessung: 3 x 4,46 x 0,05 mm 60

Wärmequellenparameter obere Quelle: untere Quelle: Streckenenergie beider Quellen: 1,5 J/cm 61

Spitzentemperatur 62

Spannungs-Dehnungs Beziehung σ wahr σwahr, Verfestigung 1.4301 - Gießzustand 1.4301 - Walzzustand Dünnfolie Re εwahr,plastisch plastische Anfangsdehnung der Dünnfolie εwahr 63

plastische Dehnung ohne und mit plastischer Initialdehnung 64

Längseigenspannung ohne und mit plastischer Initialdehnung 65

Quereigenspannung ohne und mit plastischer Initialdehnung 66

Validierung der Berechnung Schweißstruktursimulation 67

IIW Round Robin Versuch Vergleich Meßwerte und Berechnungsergebnis 68

Nitschke-Pagel Versuch 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 69

Nitschke-Pagel Versuch 70

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 71