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Dr.-Ing. Tobias Loose27.11.2014

Grundlagen der

SchweisimulationAnwendungsmglichkeit und Benefits

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Numerische Simulationen frSchweien und Wrmebehandlung seit 2004

Dienstleistung - Schulung - SupportVertrieb von Software fr die Schweisimulation

und Wrmebehandlungssimulation

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Was leistet die Schweisimulation

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was leistet Schweisimulation

Mit der Schweisimulation wird die Zustandsnderung eines Bauteils whrend des thermischen Fgens berechnet.

Die Schweisimulation gliedert sich in: Werkstoffsimulation

Gefge mechanische Kennwerte

Prozesimulation Schmelzbadausbildung Wrmeeintrag lokales Temperaturfeld

Struktursimulation Verzug Eigenspannung globales Temperaturfeld

WerkstoffSimulation

Proze Simulation

Struktur Simulation

Simulation Schweien und

Wrmebe-handlung

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was leistet Schweisimulation

Die Schweisimulation gliedert sich in die Prozekettensimulation ein:

Umformen - Wrmebehandeln - Fgenund dient damit der

Auslegung der FertigungSie gliedert sich andererseits in die Festigkeitsberechnung ein

und dient damit derAuslegung des Bauteils oder der Konstruktion

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Benefits

Verzugskontrolle treten whrend der Fertigung bezglich Zusammenbau kritische Verformungen auf?

Verzugskompensation Auslegung des Fertigungsprozesses, so da nach Fertigung die Zielgeometrie erreicht wird. Einsparung von Richtkosten und Ausschuproduktion

Prozeauslegung Erzielung eines stabilen Fgeprozesses Erzielung gewnschter Schmelzbadgeometrie Vermeidung von Nahtfehlern (Einbrandkerben, ungengende Durchschweiung) Vermeidung schdigender berhitzung

Qualittssicherung Einstellung gewnschter mechanischer Eigenschaften im Nahtbereich berwachung von Prozeparametern oder des Prozesse.

Festigkeitsauslegung Bestimmung der Grenztragfhigkeit oder des Tragverhaltens unter Gebrauchslast

Beantwortung einer Vielzahl von individuellen Fragestellungen

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SchweinahteigenschaftenGefge - mechanische Kennwerte Eigenspannungen

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WeldWare

dient der Kalkulation der Wrmefhrung vor Schweibeginn an Stahl der Berechnung von Gefge und mechanischen Kennwerten

in der WEZ von Schweinhten der Ermittlung notwendiger Vorwrmtemperaturen an realen Bauteilen

nutzt Chargenbergreifende Regressionsgleichungen Gemessene Schwei-ZTU-Schaubilder von

der SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH Zugehrige Materialdaten

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Gefgezusammensetzung berechnen

Vorausberechnung des Gefges in der WEZaufgrund der Stahlsorte und der chemischen Zusammensetzung

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K30 Wert bestimmen und Schwei-ZTU anzeigen

der K30-Wert kennzeichnet diet8,5/5 Zeit bei der 30 % Martensit entstehen und gilt als Mindestwert der t8,5/5 Zeit (Abkhlzeit) zur Vermeidung von Rissen infolge Martensit und Aufhrtung

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Abschtzung der zu erwartenden mechanischen Kennwerte in der WEZ ...

Hrte Dehngrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung Brucheinschnrung

dient der Vermeidung technologischer Kerben im Vergleich zum

ungeschweiten Grundwerkstoff

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Vergleich S355J2+N (1.0577) und S355MC (1.0976)am Beispiel einer Schweiaufgabe mit einer t

8,5/5 Zeit von 5,9 s

S355J2+N (1.0577) 0,2 % Kohlenstoff, 0,8 % Mangan

K 30 = 9,1 s > t8,5/5 Zeit von 5,9 s Bruchdehnung : 10,2 % bei t8,5/5 = 5,9 s Hrte: 318 HV30 Rp0.2: 629 N/mm

S355MC (1.0976) 0,12 % Kohlenstoff, 0,8 % Mangan

K 30 = 4,4 s < t8,5/5 Zeit von 5,9 s Bruchdehnung : 19,1 % bei t8,5/5 = 5,9 s Hrte: 281 HV30 Rp0.2: 642 N/mm

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Simulation auf MikroebeneErstarrung, Kornwachstum, Gefgeumwandlung

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SchmelzbadberechnungSchweiparameterfindung (MSG)Berechnung der eingebrachten Energie

www.simweld.info

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Ein- und Ausgabegren der Prozesimulation

Eingabeparameter: Drahtvorschub Schutzgas Schweigeschwindigkeit Stromstrke / Spannung Anstellwinkel Schweiposition und

Bauteilgeometrie

Ausgabeparameter: Nahtgeometrie Einbrand / Einbrandkerben Schweibarkeit Temperaturverlauf und Tropfenablsung Kontrollgren: Schweistrom, Spannung zwischen Bauteil und Brenner

Berechnungszeit zwischen 0,5 und 2 Minuten

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Lichtbogen, Tropfenablsung, Leistung

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Kehlnaht

Schweigeschwindigkeit: 25 cm/min 50 cm/minDrahtvorschub: 6 m/min 10 m/min

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Stumpfnaht

Schweigeschwindigkeit: 50 cm/min 30 cm/minDrahtvorschub: 6 m/min 10 m/min

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Kopplung Prozesimulation StruktursimulationTransfer des berechneten Wrmeeintrages

SimWeld LS-DYNA Funktion der quivalenten

Ersatzwrmequelle

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SchweistruktursimulationEigenspannungen - Verzug - Temperatur im gesamten Bauteil

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Schweistruktursimulation mit der Methode der Finiten Elemente

Geometriebeschreibungdes Bauteils - CAD

Methode der Finiten Elemente

FEMEinteilung in Finte Elemente

Vernetzen

SchweienDefinition der Ersatzwrmequelle

Werkstoff Materialeigenschaften

FertigungsprozeMaterialzuweisung, Schweifolge, Spannvorrichtung, uere Lasten

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Die wichtigsten Aspekte der Schweistruktursimulation

Geometrie Material

Temperaturabhngigkeit Verfestigung

Rcksetzen der Verfestigung beim Aufschmelzen Gefgeumwandlung

Umwandlungsdehnungen gefgeabhngige nderung der Materialkennwerte

Wrmequelle Geometrie und Wrmeeintragsfunktion Bahn und Bahngeschwindigkeit

Mechanische Randbedingung Spannvorrichtung Kontakt

Ergebnisgren Verformung Eigenspannung und Dehnung Gefgezusammensetzung und Hrte

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Gefgeumwandlung und Umwandlungseffekte

ferritisches Gefge krz austinitisches Gefge kfzVolumennderung bei der Gefgeumwandlung

rechts: Animation thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung beim Erwrmen und Abkhlen bei unterschiedlichen Abkhlraten (S355)unten rechts:Umwandlung Dilatation (1.4317)unten links: ATU-Diagramm S500 Abgleich Quelldaten und Simulation

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Platte mit den Abmessungen270 x 200 x 30 mm3 mit V/U-frmiger Nut

Austenitischer Nichtrostender Stahl (316LNSPH, kf = 275 MPa)

2 Lagen, Zuschweien der Nut mit artgleichem Zusatzmaterial 316L

TIG Schweiung mit U = 9 V, I = 155 A, v = 0,67 mm/s

ValidierungIIW Round Robin Versuch

Vergleich Mewerte und Berechnungsergebnis

Loose, T. ; Sakkiettibutra, J. ; Wohlfahrt, H. : New 3D-Calculations of residual stresses consistent with measured results of the

IIW Round Robin Programme. In: Cherjak, H. (Ed.) ; Enzinger, N. (Ed.) :

Mathematical Modelling of Weld Phenomena Bd. 9, Verlag der Technischen Universitt Graz, 2010

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Welding direction

ValidierungIIW Round Robin Versuch

SYSWELD

LS-DYNA

Quereigenspannung Lngseigenspannung

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Temperatur VergleichspannungQuereigenspannung- Lngseigenspannung

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Validierung Nitschke-Pagel Versuch

Verzug w:Messung: 0,34 mmSysweld: 0,32 mmLS-DYNA: 0,34 mm

Loose, T.: Einflu des transienten Schweivorganges auf Verzug, Eigenspannungen und Stabiltitsverhalten axial gedrckter Kreiszylinderschalenaus Stahl, Diss, Karlsruhe, 2008

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Prozestabilittam Beispiel Laserschweien dnner Folien

Ergebnisse aus dem ZIM Verbundvorhaben CroNi-VIP. Finanziert vom BMWi

mit Unterttzung der AIF e.V. Frderkennzeichen VP3018201AG2

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Versuchsanordnung und FEM-Modell

50 mm

24 mm

8 mm Spanner- abstand

5 mm Nut

Nahtbereich

Versuch: Andreas Patschger, Ernst-Abbe-Fachhohschule Jena

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Laser mit unterschiedlicher Streckenenergie

75 m

160 m

190 m

Ersatzwrmequelle (Geometrie)

Ersatzwrmequelle (Geometrie)

Faserlaser Scheibenlaser

PRENOVATEC NovaDisc-P5JENOPTIKSystem - Scheibenlaser FaserlaserFolienstrke m 2 x 50 2 x 50Leistung (Bearbeitungsebene) W 16,9 300Vorschubgeschwindigkeit mm/s 7,5 1300Nominelle Streckenenergie J/mm 2,25 0,23

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Temperaturfeld

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Verzug beim Schweien

Versuch: Andreas Patschger, Ernst-Abbe-Fachhohschule Jena

Stabiler Fgeproze

Labiler Fgeproze

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Temperaturprofil

Pclet-Zahl: 0,32 19,3Gesamt-Temperatur-Integral in Kmm 3025 214Schmelzbad-Temperatur-Integral in Kmm 276 129thermischer Wirkungsgrad 0,091 0,606

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Dnnfolienschweien

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Verzugsberechnung

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Verzug whrend des Schweiens

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Verzug whrend des Schweiens

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Verzug normal zur Blechebene

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Die wichtigsten Mechanismen

Erwrmung Ausdehnen Abkhlen Zusammenziehen Whrend eines Schweizyklus treten immer gegenlufige

Bewegungen auf (oben unten, innen-auen) Weiche Bereiche werden von den Bewegungen der angrenzenden

Bereiche gedehnt oder gestaucht, da