Vortrag - Tl-ing.de

Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeitender Schweißsimulation im Schienenfahrzeugbau10. FachtagungFügen und Konstruieren imSchienenfahrzeugbau14.-15.05.2013 in HalleDr.-Ing. Tobias Loose, Ingenieurbüro Tobias LooseDr.-Ing. Ben Boese, ALSTOM Transport Deutschland GmbH

Herdweg 13, D-75045 Wössingen Lkr. KarlsruheE-Post: 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 025Numerische Simulationen fürSchweißen und WärmebehandlungDienstleistung - Schulung - SupportVertrieb von Software für die Schweißsimulationund Wärmebehandlungssimulationunsere PartnerSchweißsimulationen seit 2004Berechnung von Verzug und Eigenspannungenan großen Baugruppen2. Vorsitzender FA I2 des DVS2. Vorsitzender FördervereinWärmebehandlung und SchweißenInternet:DEeutsch: www.loose.atENglisch: www.tl-ing.euESpanol: www.loose.es2

Software für die Schweißsimulation3

MotivationDisziplinen der Schweißsimulation4

Wozu Simulieren?Nach dem Schweißenist nicht vor demSchweißenDie Materialeigenschaft,die Form und derSpannungszustand sindverändert.Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke BreisachSt 37 von 1962Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl5

Disziplinen der Schweißsimulationdas Radaj-Dreieck•Festigkeiten in Abhängigkeit des Gefüges•Schmelzen und Erstarren•Gefügeumwandlung•Kristallbildung•KorngrößenwachstumWeldWareJmatProMicressMaterialSimulation•Schmelzbad•Tropfenablösung•Strom,•Spannung,•Drahtvorschub•Schutzgas•Temperaturfeld inSchmelzbadnäheSimWeldProzeßSimulationSchweiß-SimulationSYSWELDSimufact.weldingStrukturSimulation•Eigenspannungen•Verzug•globales Temperaturfeld6

WeldWareSchweißtechnologisches BeratungssystemStreckenenergie - Vorwärmtemperatur - Gefüge7

WeldWaredient…• der Kalkulation der Wärmeführung vor Schweißbeginn an Stahl• der Berechnung von Gefüge und mechanischen Kennwertenin der WEZ von Schweißnähten• der Ermittlung notwendiger Vorwärmtemperaturen an realenBauteilennutzt…• Chargenübergreifende Regressionsgleichungen• Gemessene Schweiß-ZTU-Schaubilder aus eigenem Hause, derSLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH• Zugehörige Materialdaten8

Materialdaten auswählenDatenbank Vorgabe derchemischen DB-Auslese, überschreibbarZusammensetzung kannmodifiziert werdenKontrolle, ob die Dateninnerhalb gültigerRegressionsgrenzen liegenChargenverwaltungDatenexport FEMmit Weld Ware fortfahren9

ChargenverwaltungEingabe weiterer Chargen unter definierterChargennummer / Chargenname.Beliebige Chargen können gespeichert und späterauch wieder abgerufen werden.10

Gefügezusammensetzung berechnenVorausberechnung desGefüges in der WEZaufgrund der Stahlsorteund der chemischenZusammensetzung11

K30 Wert bestimmenSchweiß-ZTU anzeigender K30-Wert kennzeichnet diet 8,5/5Zeit bei der 30 % Martensitentstehen und gilt als Mindestwertder t 8,5/5Zeit (Abkühlzeit) zurVermeidung von Rissen infolgeMartensit und Aufhärtung12

Abschätzung der zu erwartendenmechanischen Kennwerte in der WEZ ...• Härte• Dehngrenze• Zugfestigkeit• Bruchdehnung• Brucheinschnürung… dient der Vermeidung technologischerKerben im Vergleich zumungeschweißten Grundwerkstoff13

Abkühlzeit abschätzenAbschätzung der Abkühlzeit ausden Schweißparametern zurÜberprüfung ob dieMindesabkühlzeit (t 8,5/5Zeit)über dem K30-Wert liegt.t 8,5/5Zeit = 5,9 s14

Vergleich S355J2+N (1.0577) und S355MC (1.0976)• S355J2+N (1.0577)– 0,2 % Kohlenstoff, 0,8 % Mangan• S355MC (1.0976)– 0,12 % Kohlenstoff, 0,8 % Mangan• K 30 = 9,1 s > t 8,5/5Zeit von 5,9 s• Bruchdehnung : 10,2 % bei t 8,5/5= 5,9 s• Härte: 318 HV30• Rp 0.2: 629 N/mm²• K 30 = 4,4 s < t 8,5/5Zeit von 5,9 s• Bruchdehnung : 19,1 % bei t 8,5/5= 5,9 s• Härte: 281 HV30• Rp 0.2: 642 N/mm²15

SimWeldSchweißprozeßsimulationBerechnung des Schmelzbades16

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 Minuten17

Qualitätssicherung: Tropfenablösung,Spannungs- und StromstärkenverlaufSpannungs- und Stromstärkenverlauf aus der Simulation können zurProzeßüberwachung in der Fertigung verwendet werden18

Beispiel Nahtgüte einer Kehlnaht:Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO 581719

Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 120

Kehlnaht - Lichtbogen und Tropfenablösung21

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 mm22

Temperaturverlauf23

Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 2Erhöhung der Schweißgeschwindigkeitvon 25 cm/min auf 50 cm/minErhöhung des Drahtvorschubesvon 6 m/min auf 10 m/min24

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 mm25

Vergleich KehlnahtVariante 1 - Variante 2Schweißgeschwindigkeit: 25 cm/min 50 cm/minDrahtvorschub: 6 m/min 10 m/min26

Simufact.weldingSchweißstruktursimulationVerzug - Eigenspannungen - Gefüge27

Simufact.weldinganwenderfreundliche übersichtliche BenutzeroberflächeDie vomsimufact Teamunter Leitung vonJens Rohbrechtentwickelte GUI istanwenderfreundlichund speziellausgerichtet auf dieschweißtechnischenBelange28

Grundlagen derSchweißstruktursimulationWesentliche Modellierungsaspekte29

SchweißstruktursimulationModellierungsablaufMethode derFiniten ElementeFEMGeometriebeschreibungdes Bauteils - CADEinteilung in Finte ElementeVernetzenWerkstoffMaterialeigenschaftenSchweißenDefinition der ErsatzwärmequelleProzeß und SetupMaterialzuweisung, Schweißfolge,Spannvorrichtung, äußere Lasten30

Die wichtigsten Aspekte derSchweißstruktursimulation• Geometrie• Material– Temperaturabhängigkeit– Verfestigung• Rücksetzen der Verfestigung beim Aufschmelzen– Gefügeumwandlung• Umwandlungsdehnungen• gefügeabhängige Änderung der Materialkennwerte• Wärmequelle– Geometrie und Wärmeeintragsfunktion– Bahn und Bahngeschwindigkeit• Mechanische Randbedingung– Spannvorrichtung– Kontakt31

Bestimmung der ErsatzwärmequelleMethoden der Kalibrierung des WärmeeintragesProzeßketteStreckenenergieSchnittstelle zur Prozeßsimulation (SimWeld)Übernahme der Wärmeeintragsfunktion aus einervorgeschalteten ProzeßsimulationKalibrierung derErsatzwärmequelleanhand vorhandener SchliffbilderSchliffbildkalibrierungDefinition der Ersatzwärmequelleanhand geschätzterSchmelzbadabmessung undeingebrachter Streckenenergie(Stomstärke, Spannung, Wirkungsgrad)32

Kontakt• Berücksichtigung des thermischen undmechanischen Kontaktes• Insbesondere der mechanische Kontaktmuß korrekt abgebildet werden umzutreffende Ergebnisse für den Verzug zuerhalten.• Reibkontakt muß bei Erreichen derSchmelztemperatur in Festkontaktumgeschaltet werden (Verschweißen).5-fach überhöht33

Validierung der BerechnungSchweißstruktursimulation34

Validierung Schweißverzug(Banke et al. 2003)Versuch und Meßdaten aus:BANKE, F. ; SCHMIED, J. ; SCHULZ, U.: Der Einfluß vonSchweißeigenspannung und Schweißverformungen auf das Beulverhaltenvon axialgedr¨uckten Zylinderschalen. In: Stahlbau 72(2003), Nr. 2, S. 91–101Meßwerte: Banke et al.Berechnung: Dr. Loose35

IIW Round Robin VersuchVergleich Meßwerte und Berechnungsergebnis36

Nitschke-Pagel Versuch37

Schweißverzugsimulationeines Drehgestellangträgers38

Simulationsmodell• 2,8 m Bauteillänge• ca. 150 000 Elemente• 24 zu verschweißende Bauteile mit einlagigen bis 4-lagigen Nähten• 69 Heftnähte• 118 Schweißnähte• 223 Einzelschweißraupen• 9138 s Schweißzeit• → ca. 20.000 Berechnungszeitschritte• 30 000 s Gesamtprozeßzeit39

Berechnungszeit• Transiente Berechnung des Gesamtmodells mitDomain Decomposition Methode (DDM)– bei Berechnung auf 9 Domainsderzeit ca. 25 Tage! bei 20000 Berechnungsschritten• geplante Maßnahmenzur Reduzierung der Berechnungszeit:– Zeitschrittoptimierung undBerechnung mit 32 DomainsZielgröße: < 10 Tage Berechnungszeit– Anwendung der metatransienten MethodeZielgröße: < 5 Tage Berechnungszeit40

VernetzungsstrategieReduzierung des VernetzungsaufwandesGrobes Netz für die Bauteile, nicht konforme Netze, automatische NetzverfeinerungDer Kontakt zwischen– Bauteilen– Zusatzmaterial– Spanner, AuflagerWird automatisch gefunden undberücksichtigt.Automatische Vernetzung desZusatzmaterials einlagigerKehlnähte mit demFillet GeneratorMehrlagige Nähte werden derzeitnoch manuell vernetzt,zukünftig wird es dafür aucheinen Fillet Generator geben.41

Der Prozeßplan• Der Prozessplan ist ein simulationsgerecht abgewandelter Arbeitsplan, mitSchwerpunkt auf den Schweißprozessparametern wie Lage, Strom, Spannung,Vorschubgeschwindigkeit.• Die benötigten schweißtechnischen Informationen gehen über das übliche nichthinaus und entsprechen etwa den im Merkblatt [DVS 1610] empfohlenen Angaben.• Der Prozeßplan ist der „Eingabeplan“ für den Aufbau des Simulationsmodells.42

Roboter-Dialog und Schweißmonitor• Entsprechend den Angaben aus dem Prozeßplan erfolgt dieEingabe der Schweißprozesse über den Roboter-Dialog.• Die Bestimmung der Ersatzwärmequelle erfolgt mit derStreckenenergie-Methode. Damit soll gezeigt werden,daß auch eine „Vorausberechnung“ anhand der Angaben in denSchweißanweisungen (WPS) zutreffende Ergebnisse liefert.Der Schweißmonitor zeigt die Spitzentemperaturim Nahtqueschnitt, also dieSchmelzbadausbildung in der Simulation(Hinweis zur Grafik: Im ersten Rechenlauf wurdedie Netzverfeinerung der Bauteile unterdrückt.)43

Spitzentemperatur nach 9350 s44

Vergleichsspannung (von Mises) nach 9350 s45

Skalar des Verzugsvektors nach 9350 s46

der Film ...47

Zusammenfassung48

Zusammenfassung• Die numerische Simulation ist ein modernes Hilfsmittel, das in vielenBereichen zur Auslegung von Bauteilen und zur Auslegung vonFertigungsprozessen genutzt wird.• Im Bereich des Schweißens steht die industrielle Nutzung noch amAnbeginn.• Mittlerweile ist die Schweißsimulation technologisch soweit gereift, daß sieindustriell anwendbar ist.• Bauteile in den Dimensionen des Schienenfahrzeugbau können derzeit schonberechnet werden.• Die Schweißsimulation eröffnet ein neues Kapitel in der Qualitätssicherungund -überwachung:– direkt als Überwachungsinstrument oder– indirekt in dem die Schweißsimulation eine präzise Beschreibung desFügeprozesses verlangt.49

Mit der SchweißsimulationZusammenfassung• erhalten Sie Ergebnisse bevor Sie beginnen zu fertigen und Sie können somit denFertigungsprozeß kostensparender und qualitativ hochwertiger planen undausführen,• sehen Sie in Ihr Bauteil hinein und erhalten Aussagen über Zustandsgrößen anjeder beliebigen Stelle, also auch dort wo Sie nicht messen können,• können Sie den Schweißprozeß und seine Auswirkungen visualisieren, damitverstehen und zielorientiert verbessern,• schaffen Sie mit der Simulation Fakten und klare Aussagen,damit verkürzen langwierige Diskussionsrunden,und können den „Experten-Meinungen“ mitfundierten Daten entgegentreten.• schulen Sie Schweißaufsichtspersonenund Schweißer und verbessern das Prozeßverständnis50

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!51