Eigenspannungen berechnen mithilfe der ... - Tl-ing.de
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Herdweg 13, D-75045 Wöss<strong>ing</strong>en Lkr. KarlsruheCourriel: loose@tl-<strong>ing</strong>.<strong>de</strong> Web: www.tl-<strong>ing</strong>.<strong>de</strong>, www.loose.atMobil: +49 (0) 176 6126 8671 Tel: +49 (0) 7203 329 023 Fax: +49 (0) 7203 329 025<strong>Eigenspannungen</strong> <strong>berechnen</strong>mit Hilfe <strong><strong>de</strong>r</strong>SchweißsimulationDr.-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 <strong>Eigenspannungen</strong>an großen Baugruppenunsere Partner2. Vorsitzen<strong><strong>de</strong>r</strong> FA I2 <strong>de</strong>s DVS2. Vorsitzen<strong><strong>de</strong>r</strong> För<strong><strong>de</strong>r</strong>vereinWärmebehandlung und Schweißen2
Radaj - Dreieck Schweißsimulation•Festigkeiten in Abhängigkeit <strong>de</strong>s Gefüges•Schmelzen und Erstarren•Gefügeumwandlung•Kristallbildung•KorngrößenwachstumWeldWareJmatProMicressMaterialSimulation•Schmelzbad•Tropfenablösung•Strom,•Spannung,•Drahtvorschub•Schutzgas•Temperaturfeld inSchmelzbadnäheSimWeldProzeßSimulationSchweiß-SimulationSYSWELDSimufact.weld<strong>ing</strong>StrukturSimulation•<strong>Eigenspannungen</strong>•Verzug•globales Temperaturfeld4
Engineer<strong>ing</strong> Software in <strong><strong>de</strong>r</strong> SchweißtechnikWeldWare ® - Materialdaten und einfache BerechnungWeldWare ®SchweißtechnologischesBeratungssystemIn WeldWare ® steckt jahrzehntelangeErforschung vereint in einer Software:Wärmeführung beim Schweißen von Stahl -Gefügeumwandlungen und Eigenschaftenin <strong><strong>de</strong>r</strong> Wärmeeinflußzone5
Engineer<strong>ing</strong> Software in <strong><strong>de</strong>r</strong> SchweißtechnikSimWeld - SchweißprozeßsimulationSimWeldIn SimWeld steckt langjährige Forschung und Entwicklungin <strong><strong>de</strong>r</strong> anwendungsnahen Schweißprozeßsimulation vomInstitut für Schweißtechnik und Fügetechnik<strong><strong>de</strong>r</strong> RWTH Aachen.6
Engineer<strong>ing</strong> Software in <strong><strong>de</strong>r</strong> Schweißtechniksimufact.weld<strong>ing</strong> - SchweißstruktursimulationTechnische Merkmale von Simufact.weld<strong>ing</strong>:• einfache und schnelle Bedienung• Erfassung schweißtechnischer Randbed<strong>ing</strong>ungen• zügige Definition <strong><strong>de</strong>r</strong> Spannvorrichtung• geeignet für alle gängigen Schweißverfahren• erfaßt alle Nahtvorbereitungen• umfassen<strong>de</strong> Materialdatensammlung• zuverlässige Berechnung7
Wozu Simulieren?Nach <strong>de</strong>m Schweißenist nicht vor <strong>de</strong>mSchweißenDie Materialeigenschaft,die Form und <strong><strong>de</strong>r</strong>Spannungszustand sindverän<strong><strong>de</strong>r</strong>t.Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke BreisachSt 37 von 1962Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl8
WeldWareSchweißtechnologisches BeratungssystemStreckenenergie - Vorwärmtemperatur - Gefüge9
WeldWare dient…• <strong><strong>de</strong>r</strong> Kalkulation <strong><strong>de</strong>r</strong> Wärmeführung vor Schweißbeginn an Stahl• <strong><strong>de</strong>r</strong> Berechnung von Gefüge und mechanischen Kennwerten in<strong><strong>de</strong>r</strong> WEZ von Schweißnähten• <strong><strong>de</strong>r</strong> Ermittlung notwendiger Vorwärmtemperaturen an realenBauteilen
WeldWare nutzt…• Chargenübergreifen<strong>de</strong> Regressionsgleichungen• Gemessene Schweiß-ZTU-Schaubil<strong><strong>de</strong>r</strong> aus eigenem Hause, <strong><strong>de</strong>r</strong>SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH• Zugehörige Materialdaten
Materaialdaten auswählenVorauswahl nach WerkstoffgruppeSuche nach WerkstoffnameGesamtliste
ChargenverwaltungE<strong>ing</strong>abe weiterer Chargen unter <strong>de</strong>finierterChargennummer / Chargenname.Beliebige Chargen können gespeichert und späterauch wie<strong><strong>de</strong>r</strong> abgerufen wer<strong>de</strong>n.
Vorausberechnung <strong>de</strong>sGefüges in <strong><strong>de</strong>r</strong> WEZaufgrund <strong><strong>de</strong>r</strong>StahlzusammensetzungGefügezusammensetzung <strong>berechnen</strong>
K30 Wert bestimmenK30-Wert alserfor<strong><strong>de</strong>r</strong>liches Kühlzeit-Minimumzur Vermeidung vonRissen infolge Martensitund Aufhärtung
Anzeige <strong>de</strong>s SZTU-Diagramms
Abschätzung <strong><strong>de</strong>r</strong> zu erwarten<strong>de</strong>n mechanischenKennwerte in <strong><strong>de</strong>r</strong> WEZ ...
… dient <strong><strong>de</strong>r</strong> Vermeidung technologischer Kerbenim Vergleich zum ungeschweißten Grundwerkstoff
Schweißdaten,die <strong>de</strong>n K30-Wert(7,1 s) sichern.Schweißdaten abschätzen
SimWeldSchweißprozeßsimulationBerechnung <strong>de</strong>s Schmelzba<strong>de</strong>s21
Ein- und Ausgabegrößen <strong><strong>de</strong>r</strong> ProzeßsimulationE<strong>ing</strong>abeparameter:• 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 - E<strong>ing</strong>abeparameter 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 - E<strong>ing</strong>abeparameter Variante 2Erhöhung <strong><strong>de</strong>r</strong> Schweißgeschwindigkeitvon 25 cm/min auf 50 cm/minErhöhung <strong>de</strong>s 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.weld<strong>ing</strong>anwen<strong><strong>de</strong>r</strong>freundliche Software mit übersichtlicher BenutzeroberflächeDie vonJens Rohbrechtentwickelte GUI istanwen<strong><strong>de</strong>r</strong>freundlichund speziellausgerichtet auf dieschweißtechnischenBelange32
Grundlagen <strong><strong>de</strong>r</strong>SchweißstruktursimulationVerzug - <strong>Eigenspannungen</strong> - Gefüge33
<strong>Eigenspannungen</strong> - VerzugVerzug<strong>Eigenspannungen</strong>Großer VerzugGefahr für SchweißprozeßHohe plastische DehnungenRißgefahrfreies Aus<strong>de</strong>hnen und SchrumpfenWeiche StrukturNicht e<strong>ing</strong>espannt. . Optimum . .Aus<strong>de</strong>hnen und Schrumpfen behin<strong><strong>de</strong>r</strong>tSteife StrukturVollständig e<strong>ing</strong>espannt34
Die Schweißstruktursimulation verwen<strong>de</strong>tdie Metho<strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> Finiten ElementeK · u = fTemperaturfeldStrukturmechanikBegleiterscheinungen˙= ˙ e ˙ p ˙ up ˙ thm36
Gekoppelte BerechnungenPhysik, die bei <strong><strong>de</strong>r</strong> Berechnung Berücksichtigung fin<strong>de</strong>tElektromagnetismusWasserstoffdiffusionTemperaturfeldKorngrößeGefügeumwandlungDiffusion - AufkohlungStrukturmechanik37
Spannungs-Dehnungs Beziehungσ wahrR eσ wahr, Verfestigungε wahrε wahr,plastisch38
Spannungs-Dehnungs BeziehungStreckgrenzeals Funktionen<strong>de</strong>s Gefüges inAbhängigkeit<strong><strong>de</strong>r</strong> TemperaturStreckgrenze R ein N/mm²Streckgrenze R eTemperatur in °C39
Thermische Dehnung und Umwandlungs<strong>de</strong>hnungThermische Dehnung in %krzkfzUmwandlungs<strong>de</strong>hnungThermische DehnungTemperature in °C40
Rücksetzen <strong><strong>de</strong>r</strong> plastischen DehnungenVergleich <strong><strong>de</strong>r</strong>Längseigenspannungmit und ohneRücksetzen <strong><strong>de</strong>r</strong>plastischenDehnungen.Berechnung ohneGefügeumwandlung.Beim Aufschmelzen o<strong><strong>de</strong>r</strong> bereits bei <strong><strong>de</strong>r</strong> Kornumwandlung verschwin<strong>de</strong>n die zurVerfestigung führen<strong>de</strong>n Dehnungen. Diese „Entfestigung“ wird durch einRücksetzen <strong><strong>de</strong>r</strong> plastischen Dehnungen berücksichtigt.41
Eigenspannungsentstehungam Beispiel <strong>de</strong>s Round Robin R<strong>ing</strong>versuches42
IIW Round Robin Versuch• Platte mit <strong>de</strong>n Abmessungen270 x 200 x 30 mm 3mit V/U-förmiger Nut• Austenitischer Nichtrosten<strong><strong>de</strong>r</strong> Stahl(316LNSPH, kf = 275 MPa)• 2 Lagen, Zuschweißen <strong><strong>de</strong>r</strong> 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 <strong><strong>de</strong>r</strong> Eigenspannungsentstehung amBeispiel <strong>de</strong>s IIW Round Robin VersucheslongitudinaltransversalWeld<strong>ing</strong> directionWeld<strong>ing</strong> directionLängs- und Quereigenspannungennach <strong>de</strong>m Schweißen●Die Eigenspannungsentstehung hängt von <strong><strong>de</strong>r</strong> Geometrie ab●Anhand <strong><strong>de</strong>r</strong> von Mises Spannung wer<strong>de</strong>n die teilsgegenläufigen Mechanismen ver<strong>de</strong>utlicht.44
Entwicklung <strong><strong>de</strong>r</strong> Eigenspannungsentstehung amBeispiel <strong>de</strong>s IIW Round Robin Versuchestemperature [°C]150012501000750500250Temperature (2. layer)before weld<strong>ing</strong> (3000 s)max. Temperature (3269 s)at the beginn<strong>ing</strong> of the cool<strong>ing</strong>phase (3301 s)Hydrostatische Aus<strong>de</strong>hnung, wenn dasMaterial nicht in Längs- undQuerrichtung durch kältere Bereichegehin<strong><strong>de</strong>r</strong>t wür<strong>de</strong>.Mit steigen<strong><strong>de</strong>r</strong> Temperatur ist einAnsteigen <strong><strong>de</strong>r</strong> 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 weld<strong>ing</strong>)3269 s (max. Temperature)3301 s (at the beginn<strong>ing</strong> ofthe cool<strong>ing</strong> phase)15000 s (after cool<strong>ing</strong>)0,000-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100distance to weld center [mm]45
Entwicklung <strong><strong>de</strong>r</strong> Eigenspannungsentstehung amBeispiel <strong>de</strong>s IIW Round Robin VersuchesWährend <strong>de</strong>s Aufheizens verfestigt dasMaterial als Folge plastischer Verformungan <strong><strong>de</strong>r</strong> Stelle, wo die höchsten Spannungenmit <strong><strong>de</strong>r</strong> ger<strong>ing</strong>sten Werten <strong><strong>de</strong>r</strong>Streckgrenze zusammenfallen, das ist in<strong><strong>de</strong>r</strong> WEZVon Mises stresses (2. layer)Die von Mises Spannung ist begrenztauf die von Temperatur undVerfestigung abhängen<strong>de</strong>Streckgrenze.stresses [MPa]500400300200100before weld<strong>ing</strong> (3000 s)max. Temperature (3269)at the beginn<strong>ing</strong> of thecool<strong>ing</strong> phase (3301 s)after cool<strong>ing</strong> (15000 s)Sie erreicht ein Maximum in <strong><strong>de</strong>r</strong>verfestigten WEZ0-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100distance to weld center [mm]46
Entwicklung <strong><strong>de</strong>r</strong> Eigenspannungsentstehung amBeispiel <strong>de</strong>s IIW Round Robin VersuchesLängseigenspannungen entstehen• in <strong><strong>de</strong>r</strong> WEZ begleitend zum Aus<strong>de</strong>hnenwährend <strong><strong>de</strong>r</strong> Erwärmung und <strong>de</strong>s Schrumpfenswährend <strong><strong>de</strong>r</strong> Abkühlung. Sie erreichenMagnitu<strong>de</strong>n, die aufgrund <strong><strong>de</strong>r</strong> Verfestigunggrößer als die Ausgangsstreckgrenze sein können• in <strong><strong>de</strong>r</strong> Schweißnaht aufgrund <strong><strong>de</strong>r</strong> behin<strong><strong>de</strong>r</strong>tenSchrumpfung <strong>de</strong>s Schmelzba<strong>de</strong>s.Quereigenspannungen entstehen• aufgrund gleicher Ursachen wie dieLängseigenspannungen• aber sie haben ger<strong>ing</strong>ere Magnitu<strong>de</strong>n, da<strong><strong>de</strong>r</strong> Einspanngrad ger<strong>ing</strong>er ist.47
EigenspannungsentstehungMo<strong>de</strong>llbetrachtung zur Eigenspannungsentstehungunter Berücksichtigung <strong><strong>de</strong>r</strong> GefügeumwandlungQuelle: Th. Nitschke-Pagel, H.Wohlfahrt:Schweißeigenspannungen und schweißbed<strong>ing</strong>ter Verzug. Vortrag beimschweißtechnischen Seminar, DVS Bezirksverband Friedrichshafen-Ravensburg, 6.- 8.11. 2003.48
TU BraunschweigSchweißeigenspannungen, WerkstoffeinflussMo<strong>de</strong>llbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken vonSchrumpfungsbehin<strong><strong>de</strong>r</strong>ung und behin<strong><strong>de</strong>r</strong>ter Volumenaus<strong>de</strong>hnungR eR e1. Langsame AbkühlungUmwandlung in <strong><strong>de</strong>r</strong>Ferrit - Perlit - StufeSpannungen /<strong>Eigenspannungen</strong>200 400 600 800 T in o C
TU BraunschweigSchweißeigenspannungen, WerkstoffeinflussMo<strong>de</strong>llbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken vonSchrumpfungsbehin<strong><strong>de</strong>r</strong>ung und behin<strong><strong>de</strong>r</strong>ter Volumenaus<strong>de</strong>hnungR eR e2. schnellere AbkühlungUmwandlung in <strong><strong>de</strong>r</strong>BainitstufeSpannungen /<strong>Eigenspannungen</strong>200 400 600 800 T in o C
TU BraunschweigSchweißeigenspannungen, WerkstoffeinflussMo<strong>de</strong>llbetrachtung zur Eigenspannungsentstehung durch Zusammenwirken vonSchrumpfungsbehin<strong><strong>de</strong>r</strong>ung und behin<strong><strong>de</strong>r</strong>ter Volumenaus<strong>de</strong>hnungR e3. kritische AbkühlungMartensitischeUmwandlungR eSpannungen /<strong>Eigenspannungen</strong>200 400 600 800 T in o C
Ergebnisse aus <strong><strong>de</strong>r</strong>Schweißstruktursimulation52
Gefügezustand nach <strong>de</strong>m SchweißenS235 S355Ferrit-PerlitFerrit-PerlitBainitBainitMartensitMartensit53
Streckgrenze nach <strong>de</strong>m SchweißenS235S355Abhängig von Gefüge und von <strong><strong>de</strong>r</strong> Verfestigung54
<strong>Eigenspannungen</strong> nach <strong>de</strong>m SchweißenLängseigenspannungen55
<strong>Eigenspannungen</strong> während <strong>de</strong>s Schweißens56
<strong>Eigenspannungen</strong> nach <strong>de</strong>m SchweißenQuereigenspannungen57
<strong>Eigenspannungen</strong> nach <strong>de</strong>m Schweißenvon Mises Spannungen58
Schweißstruktursimulationam Beispiel einer Dünnfolienschweißungmit Berücksichtigung vonAnfangsverfestigungen59
Mo<strong>de</strong>llAbmessung: 3 x 4,46 x 0,05 mm60
Wärmequellenparameter• obere Quelle:• untere Quelle:Streckenenergie bei<strong><strong>de</strong>r</strong> Quellen: 1,5 J/cm61
Spitzentemperatur62
Spannungs-Dehnungs Beziehungσ wahr1.4301 - „Gießzustand“1.4301 - „Walzzustand Dünnfolie“ε wahr,plastischR eσ wahr, Verfestigungε wahrplastische Anfangs<strong>de</strong>hnung <strong><strong>de</strong>r</strong> Dünnfolie63
plastische Dehnungohne und mit plastischer Initial<strong>de</strong>hnung64
Längseigenspannungohne und mit plastischer Initial<strong>de</strong>hnung65
Quereigenspannungohne und mit plastischer Initial<strong>de</strong>hnung66
Validierung <strong><strong>de</strong>r</strong> 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