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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