Eigenspannungen berechnen mithilfe der ... - Tl-ing.de

Herdweg 13, D-75045 Wössingen Lkr. KarlsruheCourriel: loose@tl-ing.de Web: www.tl-ing.de, www.loose.atMobil: +49 (0) 176 6126 8671 Tel: +49 (0) 7203 329 023 Fax: +49 (0) 7203 329 025Eigenspannungen berechnenmit Hilfe derSchweißsimulationDr.-Ing. Tobias Loose08.05.20131

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

Radaj - Dreieck Schweißsimulation•Festigkeiten in Abhängigkeit des Gefüges•Schmelzen und Erstarren•Gefügeumwandlung•Kristallbildung•KorngrößenwachstumWeldWareJmatProMicressMaterialSimulation•Schmelzbad•Tropfenablösung•Strom,•Spannung,•Drahtvorschub•Schutzgas•Temperaturfeld inSchmelzbadnäheSimWeldProzeßSimulationSchweiß-SimulationSYSWELDSimufact.weldingStrukturSimulation•Eigenspannungen•Verzug•globales Temperaturfeld4

Engineering Software in der SchweißtechnikWeldWare ® - Materialdaten und einfache BerechnungWeldWare ®SchweißtechnologischesBeratungssystemIn WeldWare ® steckt jahrzehntelangeErforschung vereint in einer Software:Wärmeführung beim Schweißen von Stahl -Gefügeumwandlungen und Eigenschaftenin der Wärmeeinflußzone5

Engineering Software in der SchweißtechnikSimWeld - SchweißprozeßsimulationSimWeldIn SimWeld steckt langjährige Forschung und Entwicklungin der anwendungsnahen Schweißprozeßsimulation vomInstitut für Schweißtechnik und Fügetechnikder RWTH Aachen.6

Engineering Software in der Schweißtechniksimufact.welding - SchweißstruktursimulationTechnische 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 Berechnung7

Wozu Simulieren?Nach dem Schweißenist nicht vor demSchweißenDie Materialeigenschaft,die Form und derSpannungszustand sindverändert.Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke BreisachSt 37 von 1962Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl8

WeldWareSchweißtechnologisches BeratungssystemStreckenenergie - Vorwärmtemperatur - Gefüge9

WeldWare dient…• der Kalkulation der Wärmeführung vor Schweißbeginn an Stahl• der Berechnung von Gefüge und mechanischen Kennwerten inder WEZ von Schweißnähten• der Ermittlung notwendiger Vorwärmtemperaturen an realenBauteilen

WeldWare nutzt…• Chargenübergreifende Regressionsgleichungen• Gemessene Schweiß-ZTU-Schaubilder aus eigenem Hause, derSLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH• Zugehörige Materialdaten

Materaialdaten auswählenVorauswahl nach WerkstoffgruppeSuche nach WerkstoffnameGesamtliste

ChargenverwaltungEingabe weiterer Chargen unter definierterChargennummer / Chargenname.Beliebige Chargen können gespeichert und späterauch wieder abgerufen werden.

Vorausberechnung desGefüges in der WEZaufgrund derStahlzusammensetzungGefügezusammensetzung berechnen

K30 Wert bestimmenK30-Wert alserforderliches Kühlzeit-Minimumzur Vermeidung vonRissen infolge Martensitund Aufhärtung

Anzeige des SZTU-Diagramms

Abschätzung der zu erwartenden mechanischenKennwerte in der WEZ ...

… dient der Vermeidung technologischer Kerbenim Vergleich zum ungeschweißten Grundwerkstoff

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

SimWeldSchweißprozeßsimulationBerechnung des Schmelzbades21

Ein- und Ausgabegrößen der ProzeßsimulationEingabeparameter:• Drahtvorschub• Schutzgas• Schweißgeschwindigkeit• Stromstärke / Spannung• Anstellwinkel• Schweißposition undBauteilgeometrieAusgabeparameter:• Nahtgeometrie• Einbrand / Einbrandkerben• Schweißbarkeit• Temperaturverlauf und Tropfenablösung• Kontrollgrößen: Schweißstrom, Spannung zwischen Bauteil und BrennerBerechnungszeit zwischen 0,5 und 2 Minuten22

Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO 581723

Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 124

Kehlnaht - Lichtbogen und Tropfenablösung25

Kehlnaht - Ergebnis Variante 1Bewertungsgruppe D:1 + 0,25b = 1 + 0,25 x 6,7 = 2,68 mmBewertungsgruppe C:1 + 0,15b = 1 + 0,15 x 6,7 = 2,01 mmBewertungsgruppe B:1 + 0,10b = 1 + 0,10 x 6,7 = 1,67 mm26

Temperaturverlauf27

Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 2Erhöhung der Schweißgeschwindigkeitvon 25 cm/min auf 50 cm/minErhöhung des Drahtvorschubesvon 6 m/min auf 10 m/min28

Kehlnaht - Ergebnis Variante 2Bewertungsgruppe D:1 + 0,25b = 1 + 0,25 x 6,7 = 2,68 mmBewertungsgruppe C:1 + 0,15b = 1 + 0,15 x 6,7 = 2,01 mmBewertungsgruppe B:1 + 0,10b = 1 + 0,10 x 6,7 = 1,67 mm29

Vergleich KehlnahtVariante 1 - Variante 2Schweißgeschwindigkeit: 25 cm/min 50 cm/minDrahtvorschub: 6 m/min 10 m/min30

Simufact.weldinganwenderfreundliche Software mit übersichtlicher BenutzeroberflächeDie vonJens Rohbrechtentwickelte GUI istanwenderfreundlichund speziellausgerichtet auf dieschweißtechnischenBelange32

Grundlagen derSchweißstruktursimulationVerzug - Eigenspannungen - Gefüge33

Eigenspannungen - VerzugVerzugEigenspannungenGroßer VerzugGefahr für SchweißprozeßHohe plastische DehnungenRißgefahrfreies Ausdehnen und SchrumpfenWeiche StrukturNicht eingespannt. . Optimum . .Ausdehnen und Schrumpfen behindertSteife StrukturVollständig eingespannt34

Die Schweißstruktursimulation verwendetdie Methode der Finiten ElementeK · u = fTemperaturfeldStrukturmechanikBegleiterscheinungen˙= ˙ e ˙ p ˙ up ˙ thm36

Gekoppelte BerechnungenPhysik, die bei der Berechnung Berücksichtigung findetElektromagnetismusWasserstoffdiffusionTemperaturfeldKorngrößeGefügeumwandlungDiffusion - AufkohlungStrukturmechanik37

Spannungs-Dehnungs Beziehungσ wahrR eσ wahr, Verfestigungε wahrε wahr,plastisch38

Spannungs-Dehnungs BeziehungStreckgrenzeals Funktionendes Gefüges inAbhängigkeitder TemperaturStreckgrenze R ein N/mm²Streckgrenze R eTemperatur in °C39

Thermische Dehnung und UmwandlungsdehnungThermische Dehnung in %krzkfzUmwandlungsdehnungThermische DehnungTemperature in °C40

Rücksetzen der plastischen DehnungenVergleich derLängseigenspannungmit und ohneRücksetzen derplastischenDehnungen.Berechnung ohneGefügeumwandlung.Beim Aufschmelzen oder bereits bei der Kornumwandlung verschwinden die zurVerfestigung führenden Dehnungen. Diese „Entfestigung“ wird durch einRücksetzen der plastischen Dehnungen berücksichtigt.41

Eigenspannungsentstehungam Beispiel des Round Robin Ringversuches42

IIW Round Robin Versuch• Platte mit den Abmessungen270 x 200 x 30 mm 3mit V/U-förmiger Nut• Austenitischer Nichtrostender Stahl(316LNSPH, kf = 275 MPa)• 2 Lagen, Zuschweißen der Nut mitartgleichem Zusatzmaterial 316L• TIG Schweißung mitU = 9 V, I = 155 A, v = 0,67 mm/sProf. Dr.-Ing Helmut WohlfahrtDr.-Ing. Marcus BrandDipl.-Ing. Jens SakkiettibutraDr.-Ing. Tobias Loose43

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.44

Entwicklung der Eigenspannungsentstehung amBeispiel des IIW Round Robin Versuchestemperature [°C]150012501000750500250Temperature (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 Mises Spannung zuerwarten.Yield 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]45

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]46

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.47

EigenspannungsentstehungModellbetrachtung zur Eigenspannungsentstehungunter Berücksichtigung der GefügeumwandlungQuelle: Th. Nitschke-Pagel, H.Wohlfahrt:Schweißeigenspannungen und schweißbedingter Verzug. Vortrag beimschweißtechnischen Seminar, DVS Bezirksverband Friedrichshafen-Ravensburg, 6.- 8.11. 2003.48

TU BraunschweigSchweißeigenspannungen, WerkstoffeinflussModellbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken vonSchrumpfungsbehinderung und behinderter VolumenausdehnungR eR e1. Langsame AbkühlungUmwandlung in derFerrit - Perlit - StufeSpannungen /Eigenspannungen200 400 600 800 T in o C

TU BraunschweigSchweißeigenspannungen, WerkstoffeinflussModellbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken vonSchrumpfungsbehinderung und behinderter VolumenausdehnungR eR e2. schnellere AbkühlungUmwandlung in derBainitstufeSpannungen /Eigenspannungen200 400 600 800 T in o C

TU BraunschweigSchweißeigenspannungen, WerkstoffeinflussModellbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken vonSchrumpfungsbehinderung und behinderter VolumenausdehnungR e3. kritische AbkühlungMartensitischeUmwandlungR eSpannungen /Eigenspannungen200 400 600 800 T in o C

Ergebnisse aus derSchweißstruktursimulation52

Gefügezustand nach dem SchweißenS235 S355Ferrit-PerlitFerrit-PerlitBainitBainitMartensitMartensit53

Streckgrenze nach dem SchweißenS235S355Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung54

Eigenspannungen nach dem SchweißenLängseigenspannungen55

Eigenspannungen während des Schweißens56

Eigenspannungen nach dem SchweißenQuereigenspannungen57

Eigenspannungen nach dem Schweißenvon Mises Spannungen58

Schweißstruktursimulationam Beispiel einer Dünnfolienschweißungmit Berücksichtigung vonAnfangsverfestigungen59

ModellAbmessung: 3 x 4,46 x 0,05 mm60

Wärmequellenparameter• obere Quelle:• untere Quelle:Streckenenergie beider Quellen: 1,5 J/cm61

Spitzentemperatur62

Spannungs-Dehnungs Beziehungσ wahr1.4301 - „Gießzustand“1.4301 - „Walzzustand Dünnfolie“ε wahr,plastischR eσ wahr, Verfestigungε wahrplastische Anfangsdehnung der Dünnfolie63

plastische Dehnungohne und mit plastischer Initialdehnung64

Längseigenspannungohne und mit plastischer Initialdehnung65

Quereigenspannungohne und mit plastischer Initialdehnung66

Validierung der BerechnungSchweißstruktursimulation67

IIW Round Robin VersuchVergleich Meßwerte und Berechnungsergebnis68

Nitschke-Pagel VersuchS355E = 5,83 kJ/cmv = 1,66 mm/sMessungen: Dr. Nitschke-Pagel, Berechnung: Dr. LooseMessung: w = 0,34 mmBerechnung: w = 0,32 mm69

Nitschke-Pagel Versuch70

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!71