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

Herdweg 13, D-75045 Wössingen Lkr. KarlsruheCourriel: loose@tl-ing.de Web: www.tl-ing.deMobil: +49 (0) 176 6126 8671 Tel: +49 (0) 7203 329 023 Fax: +49 (0) 7203 329 025Berechnung von Schweißeigenspannungenund VerzugWelche Vorteile kann man daraus gewinnen?Dr.-Ing. Tobias Loose5.6.20121

Über das Ingenieurbüro Tobias LooseNumerische Simulationen fürSchweißen und WärmebehandlungDienstleistung - Schulung - SupportVertrieb von Software für die Schweißsimulationund WärmebehandlungssimulationSchweißsimulationen seit 2004Berechnung von Verzug und Eigenspannungenan großen Baugruppenunsere Partner2. Vorsitzender FA I2 des DVS2. Vorsitzender FördervereinWärmebehandlung und Schweißen2

Software für die Schweißsimulation30 Jahre Entwicklungund Erfahrung in derSchweißsimulationValidiertSYSWELDSolveroptimiert fürSchweißen und Wärmebehandlung3

Software für die SchweißsimulationSimWeldIn SimWeld steckt langjährige Forschung und Entwicklungin der annwendungsnahen Schweißprozeßsimulation vomInstitut für Schweißtechnik und Fügetechnikder RWTH Aachen.4

Software für die SchweißsimulationWeldWare ®SchweißtechnologischesBeratungssystemIn WeldWare ® steckt jahrzehntelangeErforschung der Wärmeführung Gefügeumwandlungund Materialfestigkeit rundum das Schweißen von Stahl.5

Sie brauchen Hilfe oder wünschen ein Angebot?www.tl-ing.dewww.loose.atwww.sysweld.comwww.simweld.info6

Wozu Simulieren?Nach dem Schweißenverhält sich dasMaterial nicht mehrso wievor dem Schweißen.Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke BreisachSt 37 von 1962Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl7

Bausteine der SchweißsimulationGeometrieSchweißbrennerSchweißbrennerWärmeeintragWerkstoffMaterialeigenschaft,UmwandlungsverhaltenProzeßNahtfolge, Wärmebehandlung,Spannvorrichtung8

Leistungsmerkmale des Sysweld Solvers• Kopplung von Elektrokinetik - Temperatur - Gefügeumwandlungund Strukturmechanik• Gefügeumwandlung isotherm und bei kontinuierlicherTemperaturänderung, Austhenitisierung, Korngrößenwachstum,• Diffusionsberechnung: Aufkohlung, Wasserstoffdiffusion• Automatische Wärmequellenkalibrierung• Freie, netzunabhängige, Bahnbeschreibung der Schweißwärmequelle• Berücksichtigung der Gefügeumwandlung und deren Einflüsse beider strukturmechanischen Berechnung• Wärmebehandlung, Spannungsarmglühen• Bewertung der Ermüdungsfestigkeit mit Dang Van Kriterium9

Schweißverfahren• Lichtbogenschweißverfahren• Strahlschweißverfahren• Punktschweißen• Widerstandschweißen10

ValidierungS355316L11

SchweißstruktursimulationModellierungsablaufMethode derFiniten ElementeFEMGeometriebeschreibungdes Bauteils - CADEinteilung in Finte ElementeVernetzenWerkstoffMaterialeigenschaftenSchweißenDefinition der ErsatzwärmequelleProzeß und SetupMaterialzuweisung, Schweißfolge,Spannvorrichtung, äußere Lasten12

Grundlagen der Eigenspannungs-und Verzugsberechnung13

Eigenspannungen - VerzugVerzugEigenspannungenGroßer VerzugGefahr für SchweißprozeßHohe plastische DehnungenRißgefahrfreies Ausdehnen und SchrumpfenWeiche StrukturNicht eingespannt. . Optimum . .Ausdehnen und Schrumpfen behindertSteife StrukturVollständig eingespannt14

Gekoppelte BerechnungenPhysik, die bei der Berechnung Berücksichtigung findetElektromagnetismusWasserstoffdiffusionTemperaturfeldKorngrößeGefügeumwandlungDiffusion - AufkohlungMechanik15

Finite Element Methode - SchweißstruktursimulationK · u = fTemperaturfeldStrukturmechanikBegleiterscheinungen˙= ˙ e ˙ p ˙ up ˙ thm16

Spannungs-Dehnungs Beziehungσ wahrR eσ wahr, Verfestigungε wahrε wahr,plastisch17

Spannungs-Dehnungs BeziehungStreckgrenzeals Funktionendes Gefüges inAbhängigkeitder TemperaturStreckgrenze R ein N/mm²Streckgrenze R eTemperatur in °C18

Spannungs-Dehnungs BeziehungVerfestigungsspannungalstemperaturabhängigeFunktionsscharfür jedes Gefügewahre Verfestigungsspannung σ vin N/mm²Verfestigung Ferrit-Perlit S355wahre plastische Dehnung ε plin m/m19

Spannungs-Dehnungs BeziehungModelle zur Beschreibung der Spannungs-Dehnungs Beziehung:ideal elastisch (ungeeignet)ideal elastisch ideal plastisch (ungeeignet)isotrope Verfestigungkinematische Verfestigunggemischt isotrop-kinematische Verfestigungviscoplastisches ModellZur Beschreibung bei Zyklischer oder Wechselbeanspruchung:Frederic-Amstrong Modell20

Thermische Dehnung und UmwandlungsdehnungThermische Dehnung in %αkrzγkfzUmwandlungsdehnungThermische DehnungTemperature in °C21

Rücksetzen der plastischen DehnungenBeim Aufschmelzenoder bereits bei derKornumwandlungverschwinden diezur VerfestigungführendenDehnungen. Diese„Entfestigung“ wirddurch einRücksetzen derplastischenDehnungenberücksichtigt.Ohne RücksetzenMit Rücksetzen22

Rücksetzen der plastischen DehnungenVergleich derLängseigenspannungmit und ohneRücksetzen derplastischenDehnungen.Berechnung ohneGefügeumwandlung.23

Gefügezustand nach dem SchweißenS235 S355Ferrit-PerlitFerrit-PerlitBainitBainitMartensitMartensit24

Streckgrenze nach dem SchweißenS235 S355Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung25

Eigenspannungen nach dem SchweißenLängseigenspannungen26

Verzug nach dem Schweißen27

Verzug während des Schweißens28

Entwicklung der Eigenspannungsentstehungam Beispiel des IIW Round Robin Versuches• Platte mit den Abmessungen270 x 200 x 30 mm 3mit V/U-förmiger Nut• Austenitischer NichtrostenderStahl (316LNSPH, kf = 275 MPa)• 2 Lagen, zuschweißen der Nut mitartgleichem Zusatzmaterial 316L• TIG Schweißung mitU = 9 V, I = 155 A, v = 0,67 mm/sGemeinschaftsprojekt mit Prof. Dr.-Ing Helmut Wohlfahrt, Dr.-Ing. Marcus Brand, Dipl.-Ing. Jens Sakkiettibutra29

Entwicklung der Eigenspannungsentstehung amBeispiel des IIW Round Robin VersucheslongitudinaltransversalWelding directionWelding directionLängs- und Quereigenspannungennach dem Schweißen●Die Eigenspannungsentstehung hängt von der Geometrie ab●Anhand der von Mises Spannung werden die teilsgegenläufigen Mechanismen verdeutlicht.30

Entwicklung der Eigenspannungsentstehung amBeispiel des IIW Round Robin Versuchestemperature [°C]150012501000750500Temperature (2. layer)before welding (3000 s)max. Temperature (3269 s)at the beginning of the coolingphase (3301 s)Hydrostatische Ausdehnung, wenn dasMaterial nicht in Längs- undQuerrichtung durch kältere Bereichegehindert würde.Mit steigender Temperatur ist einAnsteigen der von Mieses Spannung zuerwarten.250Yield strength (2. layer)0-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100distance to weld center [mm]300,000250,000Begleitend zum Temperaturanstiegfällt die Streckgrenze abyield strength [MPa]200,000150,000100,00050,0003000 s (before welding)3269 s (max. Temperature)3301 s (at the beginning ofthe cooling phase)15000 s (after cooling)0,000-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100distance to weld center [mm]31

Entwicklung der Eigenspannungsentstehung amBeispiel des IIW Round Robin VersuchesWährend des Aufheizens verfestigt dasMaterial als Folge plastischer Verformungan der Stelle, wo die höchsten Spannungenmit der geringsten Werten derStreckgrenze zusammenfallen, das ist inder WEZVon Mises stresses (2. layer)Die von Mises Spannung ist begrenztauf die von Temperatur undVerfestigung abhängendeStreckgrenze.stresses [MPa]500400300200100before welding (3000 s)max. Temperature (3269)at the beginning of thecooling phase (3301 s)after cooling (15000 s)Sie erreicht ein Maximum in derverfestigten WEZ0-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100distance to weld center [mm]32

Entwicklung der Eigenspannungsentstehung amBeispiel des IIW Round Robin VersuchesLängseigenspannungen entstehen• in der WEZ begleitend zum Ausdehnenwährend der Erwärmung und des Schrumpfenswährend der Abkühlung. Sie erreichenMagnituden, die aufgrund der Verfestigunggrößer als die Ausgangsstreckgrenze sein können• in der Schweißnaht aufgrund der behindertenSchrumpfung des Schmelzbades.Quereigenspannungen entstehen• aufgrund gleicher ursachen wie dieLängseigenspannungen• aber sie haben geringere Magnituden, dader Einspanngrad geringer ist.33

Berechnungsbeispiel BlindnahtS355E = 5,83 kJ/cmv = 1,66 mm/sMessungen: Dr. Nitschke-Pagel, Berechnung: Dr. LooseMessung: w = 0,34 mmBerechnung: w = 0,32 mm34

Berechnungsbeispiel Blindnaht35

Längs- und QuereigenspannungenLängseigenspannungenQuereigenspannungen36

Längs- und Quereigenspannungen - AnimationLängseigenspannungenQuereigenspannungen37

Welche Vorteilekann man daraus gewinnen?38

Bewertung der Eigenspannungen• Sie erkennen gefährdeteBereiche IhrerSchweißkonstruktion• Sie können Ihre Konstruktionhinsichtlich Eigenspannungenbewerten und eine daraufoptimierte Konstruktionwählen39

Bewertung des Temperatureinflusses• Sind im Bauteil temperaturempfindlicheKomponenten? Sie können uberprüfen ob diesegefährdet sind.• Sind im Bauteil wärmebehandelte Komponenten? Siekönnen überprüfen ob das Schweißen einenschädigenden Einfluß hat.• Verwenden Sie höherfeste Stähle? Sie könnenüberprüfen ob Schweißnaht und WEZ dieerforderliche Festigkeit erreicht.• Verwenden Sie Aluminium? Ebenso.• Sie erhalten eine Ausage über dieGefügezusammensetzung und können diese bewerten.• Sie erhalten eine Aussage über die Nahtfestigkeit undkönnen mit dieser Information weitereFestigkeitsnachweise führen.40

Heißriß - Kaltriß - Ermüdung• Sie können die Heißrißgefährdung durch Bewertung derNahtflankendrift abschätzen.• Sie können die Kaltrißgefährdung abschätzen, indem Sie dieelastische Reserve, die Differenz zwischen Streckgrenze undVergleichsspannung, bewerten.• Sie können die berechneten Eigenspannungen zur Bewertung derErmüdungsfestigkeit verwenden.• Ihre Vorteile:Sie haben eine Qualitätsaussage fürIhre Schweißverbindung.Sie können Schadensfälle vorausahnenund vermeiden41

Verzug• Die Maßhaltigkeit der Bauteile ist ein wichtigesKriterium bei steigenden Anforderungen.• Sie können abschätzen ob der Verzug in dengewünschten Grenzen bleibt.• Sie können erkennen ob Ihre Konstruktionbaubar ist oder ob der Schweißverzug einenZusammenbau erschwert.• Sie können erkennen ob eineKonstruktionsänderung auch tatsächlichVorteile bringt oder ob sich in der FertigungProbleme ergeben, die zu größerenProduktionskosten führen.42

Das Verständnis - die Diskussion• Sie sehen in Ihr Bauteil hinein und erhalten Aussagen überZustandsgrößen an jeder beliebiegen Stelle, also auch dort wo Sienicht messen können.• Sie können den Schweißprozeß und seine Auswirkungenvisualisieren, damit verstehen und zielorientiert verbesern.• Sie schaffen mit der Simulation Fakten und klare Aussagen,damit verkürzen Sie ewig dauernde innerbetrieblicheDiskussionsrunden, und können den „Experten-Meinungen“ mitfundierten Daten entgegentreten43

Lehrgeld - muß nicht seinIn den letzen Jahren habe ich für verschiedene KundenSchweißsimulationsberechnungen zu den unterschiedlichsten Fragestellungendurchgeführt.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 istsondern industriell anwendbar.44