numerische simulation und engineering software in der ... · engineering software in der...
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Dr.-Ing. Tobias Loose13.11.2012
Numerische Simulation
und Engineering Software in der Schweißtechnik
Herdweg 13, D-75045 Wössingen Lkr. KarlsruheCourriel: [email protected] Web: www.tl-ing.de, www.loose.at
Mobil: +49 (0) 176 6126 8671 Tel: +49 (0) 7203 329 023 Fax: +49 (0) 7203 329 025
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Über das Ingenieurbüro Tobias Loose
Numerische Simulationen fürSchweißen und Wärmebehandlung
Dienstleistung - Schulung - SupportVertrieb von Software für die Schweißsimulation
und Wärmebehandlungssimulation
Schweißsimulationen seit 2004Berechnung von Verzug und Eigenspannungenan großen Baugruppen
2. Vorsitzender FA I2 des DVS2. Vorsitzender FördervereinWärmebehandlung und Schweißen
unsere Partner
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SchweißtechnologischesBeratungssystem
WeldWare®
In WeldWare® steckt jahrzehntelange Erforschung vereint in einer Software:Wärmeführung beim Schweißen von Stahl - Gefügeumwandlungen und Eigenschaften in der Wärmeeinflußzone
Engineering Software in der SchweißtechnikWeldWare® - Materialdaten und einfache Berechnung
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SimWeld
In SimWeld steckt langjährige Forschung und Entwicklung in der annwendungsnahen Schweißprozeßsimulation vom
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen.
Engineering Software in der SchweißtechnikSimWeld - Schweißprozeßsimulation
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Technische 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 Berechnung
Engineering Software in der Schweißtechniksimufact.welding - Schweißstruktursimulation
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Sie wünschen Hilfe, Infos oder ein Angebot?
www.tl-ing.de - www.loose.atwww.simweld.info
Besuchen Sie uns im Internet:
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Wozu Simulieren?
Nach dem Schweißenist nicht vor dem Schweißen
Die Materialeigenschaft, die Form und der Spannungszustand sind verändert.
Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke BreisachSt 37 von 1962Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl
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WeldWareSchweißtechnologisches BeratungssystemStreckenenergie - Vorwärmtemperatur - Gefüge
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WeldWare dient…
• der Kalkulation der Wärmeführung vor Schweißbeginn an Stahl• der Berechnung von Gefüge und mechanischen Kennwerten in
der WEZ von Schweißnähten• der Ermittlung notwendiger Vorwärmtemperaturen an realen
Bauteilen
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WeldWare nutzt…
• Chargenübergreifende Regressionsgleichungen
• Gemessene Schweiß-ZTU-Schaubilder aus eigenem Hause, der SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH
• Zugehörige Materialdaten
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Materaialdaten auswählen
Vorauswahl nach Werkstoffgruppe
Suche nach Werkstoffname
Gesamtliste
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Materialdaten auswählen
DB-Auslese, überschreibbarDatenbank Vorgabe der Chemischen Zusammensetzung kann modifiziert werden
Chargenverwaltung
Kontrolle, ob die Daten innerhalb gültiger Regressionsgrenzen liegen
Datenexport Sysweld
mit Weld Ware fortfahren
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Chargenverwaltung
Eingabe weiterer Chargen unter definierter Chargennummer / Chargenname.
Beliebige Chargen können gespeichert und später auch wieder abgerufen werden.
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Gefügezusammensetzung berechnen
Vorausberechnung des Gefüges in der WEZaufgrund der Stahlzusammensetzung
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K30 Wert bestimmen
K30-Wert als erforderliches Kühlzeit-Minimum zur Vermeidung von Rissen infolge Martensit und Aufhärtung
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Anzeige des SZTU-Diagramms
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Abschätzung der zu erwartenden mechanischen Kennwerte in der WEZ ...
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… dient der Vermeidung technologischer Kerben im Vergleich zum ungeschweißten Grundwerkstoff
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Schweißdaten abschätzen
Schweißdaten,die den K30-Wert(7,1 s) sichern.
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Export der Materialdaten für die Schweißstruktursimulation
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WeldWareDemonstration der Software
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SimWeldSchweißprozeßsimulation
Berechnung des Schmelzbades
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Ein- und Ausgabegrößen der Prozeßsimulation
Eingabeparameter:• Drahtvorschub• Schutzgas• Schweißgeschwindigkeit• Stromstärke / Spannung• Anstellwinkel• Schweißposition und
Bauteilgeometrie
Ausgabeparameter:• Nahtgeometrie• Einbrand / Einbrandkerben• Schweißbarkeit• Temperaturverlauf und Tropfenablösung• Kontrollgrößen: Schweißstrom, Spannung zwischen Bauteil und Brenner
Berechnungszeit zwischen 0,5 und 2 Minuten
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Schweißprozeßsimulation - Simweld
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Schweißprozeßsimulation - Simweld
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Schweißprozeßsimulation - Simweld
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Schweißprozeßsimulation - Simweld
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Schweißprozeßsimulation - Simweld
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Schweißprozeßsimulation - Simweld
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Temperaturverlauf
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Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO 5817
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Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 1
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Kehlnaht - Lichtbogen und Tropfenablösung
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Kehlnaht - Ergebnis Variante 1
Bewertungsgruppe D:1 + 0,25b = 1 + 0,25 x 6,7 = 2,68 mm
Bewertungsgruppe C:1 + 0,15b = 1 + 0,15 x 6,7 = 2,01 mm
Bewertungsgruppe B:1 + 0,10b = 1 + 0,10 x 6,7 = 1,67 mm
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Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 2
Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit von 25 cm/min auf 50 cm/min
Erhöhung des Drahtvorschubes von 6 m/min auf 10 m/min
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Kehlnaht - Lichtbogen und Tropfenablösung
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Kehlnaht - Ergebnis Variante 2
Bewertungsgruppe D:1 + 0,25b = 1 + 0,25 x 6,7 = 2,68 mm
Bewertungsgruppe C:1 + 0,15b = 1 + 0,15 x 6,7 = 2,01 mm
Bewertungsgruppe B:1 + 0,10b = 1 + 0,10 x 6,7 = 1,67 mm
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Vergleich KehlnahtVariante 1 - Variante 2
Schweißgeschwindigkeit: 25 cm/min 50 cm/minDrahtvorschub: 6 m/min 10 m/min
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Stumpfnaht - Eingabeparameter Variante 1
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Stumpfnaht - Ergebnis Variante 1
Nicht durchgeschweißt!
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Stumpfnaht - Eingabeparameter Variante 2
Verringerung der Schweißgeschwindigkeit von 50 cm/min auf 30 cm/min
Erhöhung des Drahtvorschubes von 6 m/min auf 10 m/min
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Stumpfnaht - Ergebnis Variante 1
Bewertungsgruppe D:1 + 0,6b = 1 + 0,6 x 9,3 = 6,58 mm
Bewertungsgruppe C:1 + 0,3b = 1 + 0,3 x 9,3 = 3,79 mm
Bewertungsgruppe B:1 + 0,1b = 1 + 0,1 x 9,3 = 1,93 mm
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Vergleich StumpfnahtVariante 1 - Variante 2
Schweißgeschwindigkeit: 50 cm/min 30 cm/minDrahtvorschub: 6 m/min 10 m/min
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SimWeldDemonstration der Software
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Grundlagen derSchweißstruktursimulation
Verzug - Eigenspannungen - Gefüge
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Schweißstruktursimulation Modellierungsablauf
Geometriebeschreibungdes Bauteils - CAD
Methode der Finiten Elemente
FEM
Einteilung in Finte ElementeVernetzen
SchweißenDefinition der Ersatzwärmequelle
Werkstoff Materialeigenschaften
Prozeß und SetupMaterialzuweisung, Schweißfolge, Spannvorrichtung, äußere Lasten
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Eigenspannungen - Verzug
EigenspannungenVerzug
freies Ausdehnen und SchrumpfenWeiche StrukturNicht eingespannt
Ausdehnen und Schrumpfen behindertSteife StrukturVollständig eingespannt
. . Optimum . .
Großer VerzugGefahr für Schweißprozeß
Hohe plastische DehnungenRißgefahr
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Die Schweißstruktursimulation verwendet die Methode der Finiten Elemente
K · u = fTemperaturfeld
StrukturmechanikBegleiterscheinungen
=e pupthm
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49
StrukturmechanikStrukturmechanikDiffusion - Aufkohlung Diffusion - Aufkohlung
WasserstoffdiffusionWasserstoffdiffusionElektromagnetismusElektromagnetismus
Temperaturfeld
Korngröße
Gefügeumwandlung
Temperaturfeld
Korngröße
Gefügeumwandlung
Gekoppelte BerechnungenPhysik, die bei der Berechnung Berücksichtigung findet
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50
Spannungs-Dehnungs Beziehung
σ wahr
εwahr,plastisch
Re
σwahr, Verfestigung
εwahr
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51
Streckgrenze Re
Temperatur in °C
Str
eck
gren
ze R
e in
N/m
m²
Spannungs-Dehnungs Beziehung
Streckgrenzeals Funktionen des Gefüges in Abhängigkeit der Temperatur
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52
Temperature in °C
Th
erm
isch
e D
ehn
un
g in
%
γkfz
UmwandlungsdehnungThermische Dehnung
Thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung
αkrz
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53
Rücksetzen der plastischen Dehnungen
Beim Aufschmelzen oder bereits bei der Kornumwandlung verschwinden die zur Verfestigung führenden Dehnungen. Diese „Entfestigung“ wird durch ein Rücksetzen der plastischen Dehnungen berücksichtigt.
Ohne Rücksetzen
Mit Rücksetzen
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Rücksetzen der plastischen Dehnungen
Vergleich der Längseigenspannung mit und ohne Rücksetzen der plastischen Dehnungen. Berechnung ohne Gefügeumwandlung.
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55
Ergebnisse aus derSchweißstruktursimulation
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56
Gefügezustand nach dem Schweißen
S235 S355
Ferrit- Perlit
Bainit
Martensit
Ferrit- Perlit
Bainit
Martensit
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57
S235 S355
Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung
Streckgrenze nach dem Schweißen
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Eigenspannungen nach dem Schweißen
Längseigenspannungen
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Eigenspannungen während des Schweißens
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60
Verzug nach dem Schweißen
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61
Verzug während des Schweißens
The term „weld shrinkage“ conjures up a mental image of a molten bead solidifying and cooling, and pulling in the adjacent plate edges as it contracts.
Deeper consideration reveals that this is not the case.
(Leggatt 1980)
Der Begriff „Schweißnahtschrumpfung“ ist mit der Vorstellung von einem erstarrenden und abkühlenden Schmelzbad sowie Zugbeanspruchung an den angrenzenden Blechkanten während des Schrumpfens verbunden.
Die nähere Betrachtung zeigt, daß dies nicht der Fall ist.
(Leggatt 1980)
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Validierung der BerechnungSchweißstruktursimulation
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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. 91–101
Meßwerte: Banke et al.Berechnung: Dr. Loose
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64
• Platte mit den Abmessungen270 x 200 x 30 mm3 mit V/U-förmiger Nut
• Austenitischer Nichtrostender Stahl (316LNSPH, kf = 275 MPa)
• 2 Lagen, zuschweißen der Nut mit artgleichem Zusatzmaterial 316L
• TIG Schweißung mit U = 9 V, I = 155 A, v = 0,67 mm/s
IIW Round Robin Versuch
Prof. Dr.-Ing Helmut WohlfahrtDr.-Ing. Marcus Brand
Dipl.-Ing. Jens SakkiettibutraDr.-Ing. Tobias Loose
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Welding direction Welding direction
Längs- und Quereigenspannungennach dem Schweißen
longitudinal transversal
IIW Round Robin Versuch
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66
Hydrostatische Ausdehnung, wenn das Material nicht in Längs- und Querrichtung durch kältere Bereiche gehindert würde.
Mit steigender Temperatur ist ein Ansteigen der von Mieses Spannung zu erwarten,
aber begleitend zum Temperaturanstieg fällt die Streckgrenze ab.
IIW Round Robin Versuch
Eigenspannungen entstehenin der WEZ begleitend zum Ausdehnen während der Erwärmung und des Schrumpfens während der Abkühlung. Sie erreichen Magnituden, die aufgrund der Verfestigung größer als die Ausgangsstreckgrenze sein können.Eigenspannungen entstehenin der Schweißnaht aufgrund der behinderten Schrumpfung des Schmelzbades.
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67
IIW Round Robin Versuch
Vergleich Meßwerte und Berechnungsergebnis
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68
S355E = 5,83 kJ/cmv = 1,66 mm/s
Nitschke-Pagel Versuch
Messungen: Dr. Nitschke-Pagel, Berechnung: Dr. Loose
Messung: w = 0,34 mmBerechnung: w = 0,32 mm
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69
Nitschke-Pagel Versuch
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Schweißstruktursimulationan großen Bauteilen
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Dilemma
Schweißnaht - Feines NetzGesamtstruktur - Grobes Netz
Modellgröße ↔ Hardware
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Lösungen
• Leistungssteigerung der Rechnerkapazität– Transiente Methode: Berechnung auf mehreren CPU
• Ersatzmethoden oder vereinfachte Berechnungsannahmen– Metatransiente Methode
– Local - Global Methode
– Schrumpfkraftmethode
• Ziel der Ersatzmethoden ist es durch vereinfachte Annahmen– die Berechnung zu beschleunigen
– die Eingabe zu vereinfachen
– gröbere Netze verwenden zu können
– die Anzahl der Berechnungszeitschritte zu reduzieren, beispielsweise eine Naht in einem Berechnunsschritt
– dennoch die gleichen Aussagen zu erhalten, wie bei der transienten Methode
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Transiente Methode - DMP
• Die transiente Methode bildet die Wirklichkeit am realitätsnächsten ab• Die Einspannsituation wird genau abgebildet• Physikalische Vorgänge wie die Gefügeumwandlung und deren Effekte
und Einflüsse können berücksichtigt werden• Thermische Randbedingungen wie Vorwärmen oder lokales kühlen
und deren Einflüsse können berücksichtigt werden• Mechanische Randbedingungen
und deren Einflüsse können berücksichtigt werden
• Erfordert feine Vernetzung, große Berechnungszeit
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Metatransiente Methode - Thermal Cycle
• Berechnete Eigenspannungen und Gefüge sind fast identisch mit den Berechnungsergebnissen aus einer Transienten Berechnung
• Abweichungen treten bei den berechneten Verzügen auf• Diese Methode eignet sich insbesondere, um große Strukturen mit
mehrlagigen Nähten zu berechnen und den Einfluß beliebiger Lagenfüllungen zu berücksichtigen
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75
Vergleich Längsspannung - v. Mises Spannung
transient metatransient
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76
Simufact.weldingSchweißstruktursimulation
Verzug - Eigenspannungen - Gefüge
Demonstration der Software
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77
Welche Vorteile bringt Ihnen die Schweißsimulation?
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78
Das Verständnis ist die Grundlage für die Optimierung und Kosteneinsparung
• Sie sehen in Ihr Bauteil hinein und erhalten Aussagen über Zustandsgrößen an jeder beliebigen Stelle, also auch dort wo Sie nicht messen können.
• Sie können den Schweißprozeß und seine Auswirkungen visualisieren, damit verstehen und zielorientiert verbessern.
• Sie schaffen mit der Simulation Fakten und klare Aussagen,damit verkürzen Sie ewig dauernde innerbetriebliche Diskussionsrunden, und können den „Experten-Meinungen“ mit fundierten Daten entgegentreten
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79
Lehrgeld - muß nicht sein
In den letzten Jahren habe ich für verschiedene Kunden Schweißsimulationsberechnungen zu den unterschiedlichsten Fragestellungen
durchgeführt.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 ist
sondern industriell anwendbar.
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80
Mit Schweißsimulation sind Sie erfolgreicher ...… und erzielen Top Qualität!