Vortrag - Tl-ing.de
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Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten<strong>de</strong>r 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 Wöss<strong>ing</strong>en Lkr. KarlsruheE-Post: 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 025Numerische Simulationen fürSchweißen und WärmebehandlungDienstleistung - Schulung - SupportVertrieb von Software für die Schweißsimulationund Wärmebehandlungssimulationunsere PartnerSchweißsimulationen seit 2004Berechnung von Verzug und Eigenspannungenan großen Baugruppen2. Vorsitzen<strong>de</strong>r FA I2 <strong>de</strong>s DVS2. Vorsitzen<strong>de</strong>r För<strong>de</strong>rvereinWärmebehandlung und SchweißenInternet:DEeutsch: www.loose.atENglisch: www.tl-<strong>ing</strong>.euESpanol: www.loose.es2
Software für die Schweißsimulation3
MotivationDisziplinen <strong>de</strong>r Schweißsimulation4
Wozu Simulieren?Nach <strong>de</strong>m Schweißenist nicht vor <strong>de</strong>mSchweißenDie Materialeigenschaft,die Form und <strong>de</strong>rSpannungszustand sindverän<strong>de</strong>rt.Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke BreisachSt 37 von 1962Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl5
Disziplinen <strong>de</strong>r Schweißsimulationdas Radaj-Dreieck•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•Eigenspannungen•Verzug•globales Temperaturfeld6
WeldWareSchweißtechnologisches BeratungssystemStreckenenergie - Vorwärmtemperatur - Gefüge7
WeldWaredient…• <strong>de</strong>r Kalkulation <strong>de</strong>r Wärmeführung vor Schweißbeginn an Stahl• <strong>de</strong>r Berechnung von Gefüge und mechanischen Kennwertenin <strong>de</strong>r WEZ von Schweißnähten• <strong>de</strong>r Ermittlung notwendiger Vorwärmtemperaturen an realenBauteilennutzt…• Chargenübergreifen<strong>de</strong> Regressionsgleichungen• Gemessene Schweiß-ZTU-Schaubil<strong>de</strong>r aus eigenem Hause, <strong>de</strong>rSLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH• Zugehörige Materialdaten8
Materialdaten auswählenDatenbank Vorgabe <strong>de</strong>rchemischen DB-Auslese, überschreibbarZusammensetzung kannmodifiziert wer<strong>de</strong>nKontrolle, ob die Dateninnerhalb gültigerRegressionsgrenzen liegenChargenverwaltungDatenexport FEMmit Weld Ware fortfahren9
ChargenverwaltungE<strong>ing</strong>abe weiterer Chargen unter <strong>de</strong>finierterChargennummer / Chargenname.Beliebige Chargen können gespeichert und späterauch wie<strong>de</strong>r abgerufen wer<strong>de</strong>n.10
Gefügezusammensetzung berechnenVorausberechnung <strong>de</strong>sGefüges in <strong>de</strong>r WEZaufgrund <strong>de</strong>r Stahlsorteund <strong>de</strong>r chemischenZusammensetzung11
K30 Wert bestimmenSchweiß-ZTU anzeigen<strong>de</strong>r K30-Wert kennzeichnet diet 8,5/5Zeit bei <strong>de</strong>r 30 % Martensitentstehen und gilt als Min<strong>de</strong>stwert<strong>de</strong>r t 8,5/5Zeit (Abkühlzeit) zurVermeidung von Rissen infolgeMartensit und Aufhärtung12
Abschätzung <strong>de</strong>r zu erwarten<strong>de</strong>nmechanischen Kennwerte in <strong>de</strong>r WEZ ...• Härte• Dehngrenze• Zugfestigkeit• Bruch<strong>de</strong>hnung• Brucheinschnürung… dient <strong>de</strong>r Vermeidung technologischerKerben im Vergleich zumungeschweißten Grundwerkstoff13
Abkühlzeit abschätzenAbschätzung <strong>de</strong>r Abkühlzeit aus<strong>de</strong>n Schweißparametern zurÜberprüfung ob dieMin<strong>de</strong>sabkühlzeit (t 8,5/5Zeit)über <strong>de</strong>m 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• Bruch<strong>de</strong>hnung : 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• Bruch<strong>de</strong>hnung : 19,1 % bei t 8,5/5= 5,9 s• Härte: 281 HV30• Rp 0.2: 642 N/mm²15
SimWeldSchweißprozeßsimulationBerechnung <strong>de</strong>s Schmelzba<strong>de</strong>s16
Ein- und Ausgabegrößen <strong>de</strong>r 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 Minuten17
Qualitätssicherung: Tropfenablösung,Spannungs- und StromstärkenverlaufSpannungs- und Stromstärkenverlauf aus <strong>de</strong>r Simulation können zurProzeßüberwachung in <strong>de</strong>r Fertigung verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n18
Beispiel Nahtgüte einer Kehlnaht:Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO 581719
Kehlnaht - E<strong>ing</strong>abeparameter 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 - E<strong>ing</strong>abeparameter Variante 2Erhöhung <strong>de</strong>r Schweißgeschwindigkeitvon 25 cm/min auf 50 cm/minErhöhung <strong>de</strong>s 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.weld<strong>ing</strong>SchweißstruktursimulationVerzug - Eigenspannungen - Gefüge27
Simufact.weld<strong>ing</strong>anwen<strong>de</strong>rfreundliche übersichtliche BenutzeroberflächeDie vomsimufact Teamunter Leitung vonJens Rohbrechtentwickelte GUI istanwen<strong>de</strong>rfreundlichund speziellausgerichtet auf dieschweißtechnischenBelange28
Grundlagen <strong>de</strong>rSchweißstruktursimulationWesentliche Mo<strong>de</strong>llierungsaspekte29
SchweißstruktursimulationMo<strong>de</strong>llierungsablaufMetho<strong>de</strong> <strong>de</strong>rFiniten ElementeFEMGeometriebeschreibung<strong>de</strong>s Bauteils - CADEinteilung in Finte ElementeVernetzenWerkstoffMaterialeigenschaftenSchweißenDefinition <strong>de</strong>r ErsatzwärmequelleProzeß und SetupMaterialzuweisung, Schweißfolge,Spannvorrichtung, äußere Lasten30
Die wichtigsten Aspekte <strong>de</strong>rSchweißstruktursimulation• Geometrie• Material– Temperaturabhängigkeit– Verfestigung• Rücksetzen <strong>de</strong>r Verfestigung beim Aufschmelzen– Gefügeumwandlung• Umwandlungs<strong>de</strong>hnungen• gefügeabhängige Än<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Materialkennwerte• Wärmequelle– Geometrie und Wärmeeintragsfunktion– Bahn und Bahngeschwindigkeit• Mechanische Randbed<strong>ing</strong>ung– Spannvorrichtung– Kontakt31
Bestimmung <strong>de</strong>r ErsatzwärmequelleMetho<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Kalibrierung <strong>de</strong>s WärmeeintragesProzeßketteStreckenenergieSchnittstelle zur Prozeßsimulation (SimWeld)Übernahme <strong>de</strong>r Wärmeeintragsfunktion aus einervorgeschalteten ProzeßsimulationKalibrierung <strong>de</strong>rErsatzwärmequelleanhand vorhan<strong>de</strong>ner Schliffbil<strong>de</strong>rSchliffbildkalibrierungDefinition <strong>de</strong>r Ersatzwärmequelleanhand geschätzterSchmelzbadabmessung un<strong>de</strong><strong>ing</strong>ebrachter Streckenenergie(Stomstärke, Spannung, Wirkungsgrad)32
Kontakt• Berücksichtigung <strong>de</strong>s thermischen undmechanischen Kontaktes• Insbeson<strong>de</strong>re <strong>de</strong>r mechanische Kontaktmuß korrekt abgebil<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n umzutreffen<strong>de</strong> Ergebnisse für <strong>de</strong>n Verzug zuerhalten.• Reibkontakt muß bei Erreichen <strong>de</strong>rSchmelztemperatur in Festkontaktumgeschaltet wer<strong>de</strong>n (Verschweißen).5-fach überhöht33
Validierung <strong>de</strong>r 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 Zylin<strong>de</strong>rschalen. 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
Simulationsmo<strong>de</strong>ll• 2,8 m Bauteillänge• ca. 150 000 Elemente• 24 zu verschweißen<strong>de</strong> 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 <strong>de</strong>s Gesamtmo<strong>de</strong>lls mitDomain Decomposition Metho<strong>de</strong> (DDM)– bei Berechnung auf 9 Domains<strong>de</strong>rzeit ca. 25 Tage! bei 20000 Berechnungsschritten• geplante Maßnahmenzur Reduzierung <strong>de</strong>r Berechnungszeit:– Zeitschrittoptimierung undBerechnung mit 32 DomainsZielgröße: < 10 Tage Berechnungszeit– Anwendung <strong>de</strong>r metatransienten Metho<strong>de</strong>Zielgröße: < 5 Tage Berechnungszeit40
VernetzungsstrategieReduzierung <strong>de</strong>s Vernetzungsaufwan<strong>de</strong>sGrobes Netz für die Bauteile, nicht konforme Netze, automatische NetzverfeinerungDer Kontakt zwischen– Bauteilen– Zusatzmaterial– Spanner, AuflagerWird automatisch gefun<strong>de</strong>n undberücksichtigt.Automatische Vernetzung <strong>de</strong>sZusatzmaterials einlagigerKehlnähte mit <strong>de</strong>mFillet GeneratorMehrlagige Nähte wer<strong>de</strong>n <strong>de</strong>rzeitnoch manuell vernetzt,zukünftig wird es dafür aucheinen Fillet Generator geben.41
Der Prozeßplan• Der Prozessplan ist ein simulationsgerecht abgewan<strong>de</strong>lter Arbeitsplan, mitSchwerpunkt auf <strong>de</strong>n Schweißprozessparametern wie Lage, Strom, Spannung,Vorschubgeschwindigkeit.• Die benötigten schweißtechnischen Informationen gehen über das übliche nichthinaus und entsprechen etwa <strong>de</strong>n im Merkblatt [DVS 1610] empfohlenen Angaben.• Der Prozeßplan ist <strong>de</strong>r „E<strong>ing</strong>abeplan“ für <strong>de</strong>n Aufbau <strong>de</strong>s Simulationsmo<strong>de</strong>lls.42
Roboter-Dialog und Schweißmonitor• Entsprechend <strong>de</strong>n Angaben aus <strong>de</strong>m Prozeßplan erfolgt dieE<strong>ing</strong>abe <strong>de</strong>r Schweißprozesse über <strong>de</strong>n Roboter-Dialog.• Die Bestimmung <strong>de</strong>r Ersatzwärmequelle erfolgt mit <strong>de</strong>rStreckenenergie-Metho<strong>de</strong>. Damit soll gezeigt wer<strong>de</strong>n,daß auch eine „Vorausberechnung“ anhand <strong>de</strong>r Angaben in <strong>de</strong>nSchweißanweisungen (WPS) zutreffen<strong>de</strong> Ergebnisse liefert.Der Schweißmonitor zeigt die Spitzentemperaturim Nahtqueschnitt, also dieSchmelzbadausbildung in <strong>de</strong>r Simulation(Hinweis zur Grafik: Im ersten Rechenlauf wur<strong>de</strong>die Netzverfeinerung <strong>de</strong>r Bauteile unterdrückt.)43
Spitzentemperatur nach 9350 s44
Vergleichsspannung (von Mises) nach 9350 s45
Skalar <strong>de</strong>s Verzugsvektors nach 9350 s46
<strong>de</strong>r Film ...47
Zusammenfassung48
Zusammenfassung• Die numerische Simulation ist ein mo<strong>de</strong>rnes Hilfsmittel, das in vielenBereichen zur Auslegung von Bauteilen und zur Auslegung vonFertigungsprozessen genutzt wird.• Im Bereich <strong>de</strong>s Schweißens steht die industrielle Nutzung noch amAnbeginn.• Mittlerweile ist die Schweißsimulation technologisch soweit gereift, daß sieindustriell anwendbar ist.• Bauteile in <strong>de</strong>n Dimensionen <strong>de</strong>s Schienenfahrzeugbau können <strong>de</strong>rzeit schonberechnet wer<strong>de</strong>n.• Die Schweißsimulation eröffnet ein neues Kapitel in <strong>de</strong>r Qualitätssicherungund -überwachung:– direkt als Überwachungsinstrument o<strong>de</strong>r– indirekt in <strong>de</strong>m die Schweißsimulation eine präzise Beschreibung <strong>de</strong>sFügeprozesses verlangt.49
Mit <strong>de</strong>r SchweißsimulationZusammenfassung• erhalten Sie Ergebnisse bevor Sie beginnen zu fertigen und Sie können somit <strong>de</strong>nFertigungsprozeß kostensparen<strong>de</strong>r und qualitativ hochwertiger planen undausführen,• sehen Sie in Ihr Bauteil hinein und erhalten Aussagen über Zustandsgrößen anje<strong>de</strong>r beliebigen Stelle, also auch dort wo Sie nicht messen können,• können Sie <strong>de</strong>n Schweißprozeß und seine Auswirkungen visualisieren, damitverstehen und zielorientiert verbessern,• schaffen Sie mit <strong>de</strong>r Simulation Fakten und klare Aussagen,damit verkürzen langwierige Diskussionsrun<strong>de</strong>n,und können <strong>de</strong>n „Experten-Meinungen“ mitfundierten Daten entgegentreten.• schulen Sie Schweißaufsichtspersonenund Schweißer und verbessern das Prozeßverständnis50
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!51