Berechnung von Schweißeigenspannungen und ... - Tl-ing.de

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Berechnung von
Schweißeigenspannungen und Schweißverzug
mit der Schweißstruktursimulation
und deren Anwendung an großen Bauteilen
Dr.-Ing. Tobias Loose
24.10.2012
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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
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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
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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.
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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
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Sie wünschen Hilfe, Infos oder ein Angebot?
Besuchen Sie uns im Internet:
www.tl-ing.de - www.loose.at
www.simweld.info
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Grundlagen der
Eigenspannungs- und Verzugsberechnung
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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
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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
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Eigenspannungen - Verzug
Verzug
Eigenspannungen
Großer Verzug
Gefahr für Schweißprozeß
Hohe plastische Dehnungen
Rißgefahr
freies Ausdehnen und Schrumpfen
Weiche Struktur
Nicht eingespannt
. . Optimum . .
Ausdehnen und Schrumpfen behindert
Steife Struktur
Vollständig eingespannt
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Gekoppelte Berechnungen
Physik, die bei der Berechnung Berücksichtigung findet
Elektromagnetismus
Wasserstoffdiffusion
Temperaturfeld
Korngröße
Gefügeumwandlung
Diffusion - Aufkohlung
Mechanik
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Finite Element Methode - Schweißstruktursimulation
K · u = f
Temperaturfeld
Strukturmechanik
Begleiterscheinungen
˙= ˙ e
˙ p
˙ up
˙ thm
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Spannungs-Dehnungs Beziehung
σ wahr
R e
σ wahr, Verfestigung
ε wahr
ε wahr,plastisch
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Spannungs-Dehnungs Beziehung
Streckgrenze
als Funktionen
des Gefüges in
Abhängigkeit
der Temperatur
Streckgrenze R e
in N/mm²
Streckgrenze R e
Temperatur in °C
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Spannungs-Dehnungs Beziehung
Verfestigungsspannung
als
temperaturabhängige
Funktionsschar
für jedes Gefüge
wahre Verfestigungsspannung σ v
in N/mm²
Verfestigung Ferrit-Perlit S355
wahre plastische Dehnung ε pl
in m/m
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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
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Thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung
Thermische Dehnung in %
α
krz
γ
kfz
Umwandlungsdehnung
Thermische Dehnung
Temperature in °C
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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
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Rücksetzen der plastischen Dehnungen
Vergleich der
Längseigenspannung
mit und ohne
Rücksetzen der
plastischen
Dehnungen.
Berechnung ohne
Gefügeumwandlung.
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Gefügezustand nach dem Schweißen
S235 S355
Ferrit-
Perlit
Ferrit-
Perlit
Bainit
Bainit
Martensit
Martensit
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Streckgrenze nach dem Schweißen
S235 S355
Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung
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Eigenspannungen nach dem Schweißen
Längseigenspannungen
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Eigenspannungen während des Schweißens
23

Verzug nach dem Schweißen
24

Verzug während des Schweißens
25

Wie entstehen die Eigenspannungen?
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Entwicklung der Eigenspannungsentstehung
am Beispiel des IIW Round Robin Versuches
• Platte mit den Abmessungen
270 x 200 x 30 mm 3
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
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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.
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Entwicklung der Eigenspannungsentstehung am
Beispiel des IIW Round Robin Versuches
temperature [°C]
1500
1250
1000
750
500
Temperature (2. layer)
before welding (3000 s)
max. Temperature (3269 s)
at the beginning of the cooling
phase (3301 s)
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.
250
Yield strength (2. layer)
0
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100
distance to weld center [mm]
300,000
250,000
Begleitend zum Temperaturanstieg
fällt die Streckgrenze ab
yield strength [MPa]
200,000
150,000
100,000
50,000
3000 s (before welding)
3269 s (max. Temperature)
3301 s (at the beginning of
the cooling phase)
15000 s (after cooling)
0,000
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100
distance to weld center [mm]
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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)
Die von Mises Spannung ist begrenzt
auf die von Temperatur und
Verfestigung abhängende
Streckgrenze.
stresses [MPa]
500
400
300
200
100
before welding (3000 s)
max. Temperature (3269)
at the beginning of the
cooling phase (3301 s)
after cooling (15000 s)
Sie erreicht ein Maximum in der
verfestigten WEZ
0
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100
distance to weld center [mm]
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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.
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Validierung
S355
316L
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Große Bauteile
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Dilemma
Schweißnaht - Feines Netz
Gesamtstruktur - Grobes Netz
Modellgröße ↔ Hardware
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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
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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
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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
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Vergleich Längsspannung - v. Mises Spannung
transient
metatransient
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Welche Vorteile bringt Ihnen die
Schweißsimulation?
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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
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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.
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Mit Schweißsimulation sind Sie erfolgreicher ...
… und erzielen Top Qualität!
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