Visual Weld - Tl-ing.de

Schweißsimulation in der
industriellen Anwendung
C o u r t e s y
D o o s a n
Ingenieurbüro Tobias Loose
Herdweg 13
D-75045 Wössingen (Lkr. Karlsruhe)
e-mail: loose@tl-ing.de
Tel: +49 (0) 176 6126 8671
Dr.-Ing. Tobias Loose
19. Mai 2011
1

Bausteine der Schweißsimulation
Geometrie
Schweißbrenner
Schweißbrenner
Wärmeeintrag
Werkstoff
Materialeigenschaft,
Umwandlungsverhalten
Prozeß
Nahtfolge, Wärmebehandlung,
Spannvorrichtung
2

Herzstück der Schweißsimulation
30 Jahre
Entwicklung und
Erfahrung in der
Schweißsimulation
SYSWELD
Validiert
Solver
optimiert für
Schweißen und Wärmebehandlung
3

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
4

• Lichtbogenschweißverfahren
• Strahlschweißverfahren
• Punktschweißen
• Widerstandschweißen
Schweißverfahren
5

Validierung
S355
316L
6

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
7

Materialdaten
8

Materialdaten
Während des Schweißens ändert sich
bei vielen Werkstoffen das Gefüge
und damit auch die Festigkeit, also die
für die FEM Berechnung notwendige
Beschreibung der
Spannungs-Dehnungsbeziehung
Mikroschliff von:
Folglich werden die Materialdaten
nicht nur in Abhängigkeit der
Temperatur sondern auch in
Abhängigkeit des Gefüges benötigt
und erfordern eine Beschreibung der
Gefügeumwandlung.
9

SYSWELD Material Database Manager
Beschreibung der
Gefügeumwandlung
Thermodynamisch
Kennwerte
Wärmeleitfähigkeit
Dichte
Spezifische Wärmekapazität
Enthalpie
Mechanische Kennwerte
E-Modul
Streckgenze
Verfestigung
Thermische Dehnung
Querkontraktion
10

Beschreibung der Gefügeumwandlung
Die Gefügeumwandlung kann durch das Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov-Modell
(JMAK) erfolgen. Leblond hat das Modell auf die Berücksichtigung unvollständiger
Umwandlungen erweitert.
Modell nach Leblond:
dP i
T
dt
= P eqT −P i
T
T
Automatische
ZTU-Definition
mit SYSWELD
11

SYSWELD
Phase-Transformation Calibration Manager
Der SYSWELD
Phase-Transfomation
Calibration Manager
ermöglicht mit einem
implementierten
Algorithmus in
anwenderfreundlicher
Weise ein zügiges
automatisches Erstellen der
numerischen
Umwandlungsbeschreibung
12

aktueller Stand der Materialdatenbibliothek
für SYSWELD
DP-W-600
TRIP700Z
DC04
S355
516_Grade_70
X80TA1050
Nirosta_H400
X20Cr13
X5CrNi1810
CF35
316L
16MnCr5
100Cr6
INCONEL718
INCONEL Alloy 82
MONEL400
Ecodal_608
AlMgSi-Wire-AlMgSi
AlMgMn-Wire-AlMgSi
AlMgMn-Wire-AlMgMn
Vordefinierte Materialien im
SYSWELD
Material Database Manager
13

Wärmequellenbeschreibung
14

Prozeßsimulation - Struktursimulation
Schweiß-Prozeßsimulation
Fluiddynamische Berechnung
Vorgänge im Schmelzbad
Temperatur, Strömung, Durchmischung
Ersatzwärmequelle
SIMWELD
Schweiß-Struktursimulation
Thermomechanische FEM Berechnung
Vorgänge im gesamten Bauteil
Temperatur, Verformung, Spannungen
SYSWELD
15

Schweißprozeßsimulation - Simweld
16

Schweißprozeßsimulation - Simweld
17

Wärmequellenbeschreibung
Ersatzwärmequelle
Die Ersatzwärmequelle
beschreibt nicht den realen
Wärmeeintrag sondern
einen äquivalenten
Wärmeeintrag.
doppelt-halbellipsoide
Volumenwärmequelle
Effekte wie z.B. der
Wärmetransport durch die
Schmelzbadströmung
können durch die Funktion
der Ersatzwärmequelle
abgedeckt werden.
für Lichtbogenschweißen
Für die Berschreibung der Ersatzwärmequelle kann jede beliebige mathematische
Funktion verwendet werden
18

Wärmequellenbeschreibung
Ersatzwärmequelle
SW2SW Schnittstelle zwischen Simweld und Sysweld liefert:
●
Nahtgeometrie
●
Beschreibung der Ersatzwärmequelle
Kalibrierung der Ersatzwärmequelle
anhand vorhandener Schliffbilder mit Hilfe einer
Kalibrierungsroutine: findqr von Marcus Brand
Kalibrierung der Ersatzwärmequelle
in Visual Weld anhand
geschätzter Schmelzbadabmessung
und eingebrachter Streckenenergie
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Prozeß und Setup
20

Visual Weld
Weldline:
Trajektorienenlemente
und Gruppen werden
automatisch erzeugt
21

Visual Weld
Navigator:
geführte
Dateneingabe
mit
Vollständigkeitscheck
22

Visual Weld
Material: Gruppen für Grundwerkstoff oder Schweißzusatz werden
automatisch gefunden, schnelle Zuweisung der Materialdaten aus
vorbereiteter Materialdatenbank.
23

Visual Weld
Schweißnaht:
schnelle Zuweisung der
Nahtparameter
automatische Kalibrierung
für alle gängigen
Schweißverfahren
Für ein- und Material: mehrlagige Nähte
oder
Verwendung einer
auskalibrierten
Wärmequellenfunktion
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Visual Weld
Spannvorrichtung
zeitabhängig
definierbar
Änderung der
Einspannsituation
während
und nach dem
Schweißen
möglich
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Visual Weld
Lasten und
eingeprägte
Verformungen:
Eingabe von
Belastungen
vor, während,
nach dem
Schweißen
mit Zeit- und
ortsabhängigen
Funktionen
kombinierbar
26

Visual Weld
Model check
Computation Manager:
Solverstart für
Mono CPU oder DMP Solver
27

Beispiele
28

Wurzelriß an mehrlagiger Naht
C o u r t e s y E P R I
29

Clad - Wärmebehandlung - Mehrlagennaht
508: niedrieglegierter Baustahl
309: austenitischer Stahl
Inconel 690: austenitischer Stahl
Bar
Inconel 690
Annealed
309 Cladding
Welds
508 Base
Material
Panel
Inconel 690
Filler
30

Process Overview
Cladding
Welding
Heat
Treatment
Activation
of the bar
Cooling
31

Stresses in Weld Direction (y) After
Cladding
Tensile
Stresses in the
Clad Layer
32

Stresses in Weld Direction at the End of Heat
Treatment, still at Heat TreatmentTemperature
33

Stresses in Weld Direction at the End of Heat Treatment,
still at Heat Treatment Temperature – Other Scaling
Other Scaling,
from -80 to 120
N/mm2
34

Stresses in Weld Direction at the End
of Tempering, after Cooling
Before Heat
Treatment,
Same
Scaling
35

Martensite Formation under The Clad Layer
Due to Conductive Cooling after Weld 1
36

Weld 2: Still MS Formation but Less,
and Tempering of Previous Weld
37

After Weld 3: Enough Preheating
and Additional Tempering of MS – No more MS

Stresses in Weld Direction at the End of
Welding

Stresses in Weld Direction at the End of
Welding

Große Modelle
41

DMP - Parallelisierung
S e v e r a l e x e c u t i o n s ( p r o c e s s ) o f
S Y S W E L D c a n b e l a u n c h e d o n
d i f f e r e n t p r o c e s s o r s a n d o n
d i f f e r e n t m a c h i n e s .
A d v a n t a g e s
A u t o m a t i c p a r t i t i o n i n g i n X s u b d o m a i n s
w i t h t h e m e t h o d « M E T I S »
M e m o r y i s s h a r e d b e t w e e n t h e d i f f e r e n t
p r o c e s s o r s
S p e e d u p i s i n c r e a s e d a c c o r d i n g t o t h e
n u m b e r o f p r o c e s s o r s u s e d
P a r t i t i o n i n g i n 4
d o m a i n s
42

DMP Speed up
1 0
8
S p e e d U p
6
4
C P U S Y S W E L D
E L A P S E S Y S W E L D
2
0
0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6
N b r P r o c e s s o r s
Signifikante Reduktion der Berechnungszeit
Modell mit 300.000 Knoten < 1 Woche möglich
43

Ersatzmethoden
M e t h o d s
E n g i n e e r i n g D o m a i n
P r o d u c t s
S
h r i n k a g e
L o c a l - G
l o b a l
F u l l P h y s i c s o n t h e
G l o b a l M o d e l
D i s t o r t i o n
E n g i n e e r i n g
D i s t o r t i o n
E n g i n e e r i n g
W e l d Q u a l i t y ( l o c a l )
W e l d Q u a l i t y &
R e s i d u a l S t r e s s e s
D i s t o r t i o n E n g .
W e l d P l a n n e r
P r o f e s s i o n a l
P a c k a g e
P A M A s s e m b l y
P a c k a g e
W e l d i n g P a c k a g e
44

Lokal-Global Methode
Speichern in
Datenbank für
lokale Modelle
Globales
Modell
Ergebnisübertrag
aus lokalem Modell
Definition
Schweißfolge
und
Festhaltung
Ergebnis
extrahieren
Berechnung
lokales Modell
Arbeitsablauf
Definition
lokales Modell
Berechnung
globales Modell
Entgültiger
Schweißverzug
Geo, Process, Fixture,…
CAD
45

Lokal-Global Methode
Datenbank für lokale Modelle
46

Lokal-Global Methode
•Weld Plan zur Prozeßdefinition
•Berücksichtigung von Mehrlagennähten
•Berücksichtigung teilgefüllter Mehrlagennähte
47

Lokal-Global Methode
Validierung Schweißversuch
Original position
Measured distortion
Predicted distortion
Too
l
bar
s
Output
Console
Verzogene Struktur SYSWELD Vorausberechung Validation Plot
PAM-Assembley
Beispiel aus dem Schiffbau (Courtesy CTC)
48

Lokal-Global Methode
7
Validierung Rippenplatte
6
2
4
3
2
5
4
7
5
1
3 ,0 0 0
3
9
3 ,0 0 0
8
1
3 ,0 0 0
8
9
3 ,0 0 0
6
Max deflexion
23.4 mm
Max deflexion
22.2 mm
Experiment :
23.8 mm
Sequence 1 Sequence 2
49

Schrumpfkraft Methode
50

Schrumpfkraft Methode
51

Schrumpfkraft Methode
Geheftete und
geschweißte Platte
1000 x 1000 mm
Einfluß der
Schweißrichtung?
Berechnung
in wenigen
Minuten
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Schrumpfkraft Methode
Der Querträgersteg einer ortotropen Platte (Brückendeck) wird mit dem
Untergurt, dem Fahrbahnblech und dem Gehwegblech verschweißt.
Welche
Schweißfolge
liefert den
geringste
n Verzug?
Schweißnaht
Steg - Geheweg
Schweißnaht
Steg - Untergurt
Schweißnaht
Steg - Fahrbahn
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1. Folge: UG - Gehweg - Fahrbahn
max u z
= 10,4 mm
54

2. Folge: Gehweg -UG - Fahrbahn
max u z
= 8,6 mm
55

3. Folge: Gehweg - Fahrbahn - UG
max u z
= 5,2 mm
Optimale Schweißfolge !
Aufwand: ca. 15 min
bei vorhandenem Finite-Element Modell
56

Vielen Dank!
57