Schweißsimulation dickwandiger Bauteile aus Stahl

Science

Das Forschungsvorhaben ›Optimierung von Verzug und Eigenspannungen beim Schweißen dickwandiger Bauteile‹ (mit Beteiligung der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.) wurde Ende 2010 erfolgreich abgeschlossen.

15. Februar 2011

Die Schweißsimulation dickwandiger Bauteile stellt aufgrund der erhöhten Komplexität der thermophysikalischen und thermomechanischen Vorgänge beim Mehrlagenschweißen hohe Anforderungen an Schweißsimulationssoftware. Das umfasst die während des Prozesses induzierten Verzüge und Eigenspannungen, die zur Beurteilung der Fertigungsqualität von großer Bedeutung sind. Gerade in dickwandigen Bauteilen ist der Spannungszustand sowohl wegen der konstruktiven Steifigkeit der Einzelteile sowie der gesamten Baugruppe als auch aufgrund zusätzlicher externer Einspannvorrichtungen überaus komplex. Hinzu kommen bei Werkstoffen mit Phasenumwandlung die metallurgisch verursachten Spannungszustände und bei mehrlagig ausgeführten Schweißverbindungen die wiederholte thermische und umwandlungsbedingte Spannungsausbildung, sodass eine selbst überschlägige Abschätzung des gesamten Verformungs- und Spannungszustandes in der Regel nicht mehr möglich ist. Die dominierenden Verformungen und Spannungen bestimmen jedoch maßgeblich die Eigenbeanspruchung der Konstruktion und damit deren Belastbarkeit im Betrieb. Eine genaue Kenntnis dieser Daten würde wertvolle Informationen zur Qualitätsoptimierung des Endproduktes liefern.

Ziel waren die Untersuchung, Bewertung und Vorhersage schweißbedingter Verzüge und Eigenspannungen bei Mehrlagenschweißungen am unlegierten Baustahl S355J2+N. Die Phasenumwandlung und das Anlassverhalten stellten einen Kernpunkt der numerischen Untersuchungen dar.

Die Ergebnisse sollen für die Optimierung von Verzug und Eigenspannungen beim Schweißen dickwandiger Bauteile genutzt werden. Ferner stand die Praktikabilität der FEM-Software hinsichtlich realitätsnaher Abbildung der ablaufenden Prozesse, Rechenzeit und Nutzeranforderungen im Fokus.

Die steigende Komplexität der Untersuchungen, von der einlagigen Schweißprobe bis zum vierlagig geschweißten Versuchsblech mit hoher Bauteilanalogie, gewährleistete die Analyse geometrischer Einflüsse (Blechlänge, Heftstellen, An- und Auslaufbleche) und Phasenumwandlungen auf die numerische Berechnung schweißbedingter Eigenspannungen und Verzüge. Potenziale zur Optimierung der Berechnung von Eigenspannungen und Verzügen im Zusammenhang mit dem Umwandlungsverhalten wurden gezeigt. Zusätzlich werden mittels eines Mehrlagenmodells die Möglichkeiten der Simulation zur Vorhersage von Eigenspannungen und Verzug sowie zur Sensitivitätsanalyse relevanter Prozessgrößen, etwa Vorwärm- oder Zwischenlagentemperatur, dargestellt.

ISBN 3-937567-98-4

Erschienen in Ausgabe: 01/2011