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Numerische Untersuchungen zu Diffusionsvorgangenin einem ferritischen Stahl infolge eines
Schweißprozesses
Frank Scheiber M.Sc.
Bauhaus Universitat WeimarInstitut fur Konstruktiven Ingenieurbau
Professur Stahlbau
01. Dezember 2010
Bauhaus-Unive
rsität W
eimar
Vorbetrachtungen Temperaturfeldsimulation Diffusionssimulation Fazit
Diffusion
Diffusion...
... ist ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmaßigen Verteilungvon Teilchen und somit zur vollstandigen Durchmischung zweier Stoffefuhrt.
tritt im Stahl wahrend starker Werkstofferwarmung auf
betrifft unterschiedliche Stoffe
WasserstoffKohlenstoffStickstoff
meist negative Auswirkungen auf den Stahl
mit Hilfe der Simulation sollen vorausschauende Aussagengetroffen werden
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Vorbetrachtungen Temperaturfeldsimulation Diffusionssimulation Fazit
Grundlagen
Grundlagen Schweißsimulation
Simulation einer MAG-Schweißnaht als V-Naht
Modellierung des Warmeeintrags als Volumenwarmequelle
Volumenwarmequelle nach Goldak [1]
Bauteilabkuhlung durch Konvektion und Warmestrahlung
Materialbeschreibung mittels temperaturabhangiger Materialparameter
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Vorbetrachtungen Temperaturfeldsimulation Diffusionssimulation Fazit
Grundlagen
Simulation
Temperaturfeld nach 10 sec. Schweißzeit [◦C] Temperaturfeld nach 50 sec. Schweißzeit [◦C]
sichtbarer Warmeeintrag in halbellipsoider Form
stetige Warmeausbreitung im gesamten Bauteil
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Vorbetrachtungen Temperaturfeldsimulation Diffusionssimulation Fazit
Grundlagen Simulation Simulationsergebnisse
Grundlagen Diffusionssimmulation
Ubernahme von FE-Modell und Zeitschrittsteuerung aus derTemperaturfeldsimulation
allgemeine Differenzialgleichung der Diffusion:
∂c
∂t= Dx ∗
∂2c
∂x2+ Dy ∗
∂2c
∂y2+ Dz ∗
∂2c
∂z2(1)
Vereinfachung durch Annahme gleicher Diffusionskoeffizienten inallen Koordinatenachsen
∂c
∂t= D ∗ (
∂2c
∂x2+
∂2c
∂y2+
∂2c
∂z2) (2)
DGL der Diffusion (2) ist vom Ansatz her identisch mit DGL desTemperaturfeldes ⇒ Berechnung auf Grundlage der in Ansysvorhandenen, transienten Temperaturfeldsimulation
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Grundlagen Simulation Simulationsergebnisse
Materialparameter
Simulation der Diffusion mittels temperaturabhangigenDiffusionskoeffizienten
Wasserstoffdiffusionskoeffizienten fur den Grundwerkstoff [3]
Wasserstoffdiffusionskoeffizienten fur das Schmelzbad und die Warmeeinflusszone [3]
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Grundlagen Simulation Simulationsergebnisse
Ausgangssituation
Wasserstoffkonzentration vor der Diffusionssimulation [%]
(100 % ≡ 10 cm3
100gFEdiffusibler Wasserstoff)
Annahme nach SEW 088 [5]: 10 [ cm3
100gFE ] diffusibler Wasserstoff in derSchweißnaht, keine diffusible Wasserstoffkonzentration imGrundwerkstoff
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Grundlagen Simulation Simulationsergebnisse
Simulationsende
Wasserstoffkonzentration in der Schweißnaht nach vollstandiger Bauteilabkuhlung [%]
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Fazit
Kopplung von Temperaturfeld- und Diffusionssimulation
realitatsnahe Werkstoffbeschreibung mit Hilfetemperaturabhangiger Materialparameter
Simulation und Optimierung vonWarmenachbehandlungsprozessen ist moglich
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Literatur
[1] Goldak, J.; Chakravarit, A.; Bibby, M.: A New Finite ElementModel for Welding Heat Sources. In: Metallurgical and MaterialsTransaction (1984), Vol. 15B
[2] Seeger, D. M.: Wasserstoffaufnahme und -diffusion inSchweißnahtgefugen hochfester Stahle, Universitat der BundeswehrHamburg, Dissertation, 2004
[3] Viyanit, E.: Numerical Simulation of Hydrogen Assisted Cracking inSupermartensitic Stainless Steel Welds, Universitat der BundeswehrHamburg, Dissertation, 2005
[4] Wichers, M.: Schweißen unter einachsiger, zyklischerBeanspruchung. Experimentelle und numerische Untersuchungen,Technische Universitat Braunschweig, Dissertation, 2006
[5] SEW 088: Schweißgeeignete Feinkornbaustahle; Richtlinien fur dieVerarbeitung, besonders fur das Schmelzschweißen, 1993
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