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Monday, September 14, 2009, GST: Messe Forum 10:10 AM Forschung 1 |
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Abschätzung von Verzügen und Eigenspannungen an Bauteilen mit Hilfe der Schweißsimulation |
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Markus Urner / Institut für Füge- und Schweißtechnik, TU Braunschweig, Deutschland Michael Workowski* / Institut für Füge- und Schweißtechnik, TU Braunschweig, Deutschland Martin Vogt/ Institut für Füge- und Schweißtechnik, TU Braunschweig, Deutschland Klaus Dilger/ Institut für Füge- und Schweißtechnik, TU Braunschweig, Deutschland |
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Die durch das Schweißen entstandenen Eigenspannungen und Verzüge gelten oftmals als qualitativer Mangel, da sie zum einen die Fertigung behindern und zum anderen die Betriebsfestigkeit der Strukturen negativ beeinflussen können. Eigenspannungen und Verzüge lassen sich heutzutage sowohl messtechnisch als auch rechnerisch ermitteln. Der Vorteil der numerischen Schweißsimulation ist dabei, bereits im Entwurfsstadium Aussagen über die zu erwartenden Eigenspannungen und den Verzug bzw. die Verformungen des Bauteils nach dem Schweißen treffen zu können. Die numerische Schweißsimulation ist zusammengesetzt aus drei über Ein und Ausgangsgrößen miteinander gekoppelten Einzelsimulationen der Bereiche Prozess, Werkstoff und Struktursimulation. Jede der Einzeldisziplinen verfolgt andere Berechnungsziele, die sich untereinander beeinflussen. Im Rahmen der Prozesssimulation wird der eigentliche Schweißprozess mit dem Ziel der Ermittlung der Schmelzzonengeometrie, des Prozesswirkungsgrades und der Prozessstabilität in Abhängigkeit des Prozesses und seiner Parameter untersucht. Dies kann mit Hilfe von zwei sich grundlegend unterscheidenden Herangehensweisen erfolgen. Den so genannten Prozessmodellen stehen vereinfachte Wärmeleitmodelle gegenüber. Während bei den Prozessmodellen eine Vielzahl miteinander gekoppelter physikalische Phänomene wie bspw. Strömungen im Schmelzbad mit in die Betrachtungen einbezogen werden, nutzen die vereinfachten Wärmeleitmodelle Ersatzwärmequellen zur Energieeinbringung in das Bauteil. Diese Ersatzwärmequellen, meist in zylindrischer (Gauß Quelle) oder doppelellipsoider Form (Goldak Quelle), werden so angepasst, dass die Berechnung einen experimentell an verschiedenen Stellen des Bauteils ermittelten Temperatur Zeit Verlauf abbildet. Phänomene wie Massen und Wärmetransportvorgänge in der Schmelze werden in den Wärmeleitmodellen nicht näher betrachtet. Im Anschluss an die Prozesssimulation erfolgt eine elastisch plastische Strukturberechnung. Ausgehend von den mit Hilfe der Prozesssimulation ermittelten transienten Temperaturfeldern und den relevanten mechanischen Werkstoffkennwerten, einschließlich der Umwandlungsdehnung aus einer eventuellen Werkstoffsimulation, können so die auftretenden Eigenspannungen sowie der schweißbedingte Bauteilverzug berechnet werden. Sowohl die Steifigkeit als auch die Festigkeit zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit. Die Ergebnisse der Berechnung werden somit wesentlich von den genutzten Werkstoffeigenschaften beeinflusst. Das Wissen um die temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften des eingesetzten Werkstoffs ist somit unerlässlich für die Struktursimulation. |