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Tuesday, September 26, 2017, Saal M 2:30 PM Unterwassertechnik |
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Herausforderungen bei der numerischen Simulation des nassen Unterwasserschweißens |
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Philipp Schumacher* / Universität Rostock
Lehrstuhl für Werkstofftechnik, Deutschland Jan Klett / Leibniz Universität Hannover, Institut für Werkstoffkunde, Deutschland Michael Reich/ Universität Rostock, Lehrstuhl für Werkstofftechnik, Deutschland Thomas Hassel/ Leibniz Universität Hannover, Institut für Werkstoffkunde, Deutschland Olaf Keßler/ Universität Rostock, Lehrstuhl für Werkstofftechnik, Deutschland |
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Die Finite-Elemente-Methode (FEM) hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem effektiven Hilfsmittel entwickelt, um bereits vor der Ausführung einer Schweißarbeit die resultierende Nahtausbildung, die Gefügeausbildung, Schweißeigenspannungen und den Verzug abschätzen zu können. Da für Konstruktionen des Wasserbaus zunehmend hoch- und höherfeste Stähle zum Einsatz gebracht werden und Erfahrungen über die Eignung dieser Stahlgruppen zum nassen Unterwasserschweißen fehlen, bedarf es Lösungsstrategien zur numerischen Abschätzung und Verbesserung der Schweißnahtqualität. Durch den Wärmeübergang zum Wasser müssen insbesondere die hohen Abkühlgeschwindigkeiten der Fügestelle Berücksichtigung finden. Die rasche Abkühlung hat großen Einfluss auf die Gefügeausbildung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) und führt zu einem Anstieg des Martensitgehaltes. Dadurch kann es in Wechselwirkung mit Eigenspannungen zu Rissbildungen kommen. Als Grundlage für Schweißstruktursimulationen wurde ein werkstofftechnisch basiertes Modell erarbeitet, welches die Besonderheiten beim nassen Unterwasserschweißen hinsichtlich der thermischen Randbedingungen und des Phasenumwandlungsverhaltens bei rascher Abkühlung berücksichtigt. Zur Charakterisierung der Umwandlungskinetik wurden für zwei Spundwandstähle nach DIN EN 10248 Schweiß-Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme dilatometrisch erstellt, wobei prozessnahe Schweißzyklen mit charakteristischen Austenitisierungsbedingungen realisiert wurden. Darüber hinaus sind verschiedene Einflussgrößen (Umgebungsdruck, Schweißposition, Salinität) auf den Wärmeübergang vom Bauteil zum Wasser systematisch untersucht worden. Die Quantifizierung der temperaturabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten beim nassen Unterwasserschweißen erfolgte auf Basis gemessener Temperatur/Zeit-Verläufe in einer Innenüberdruckschweißkammer. Auf Grundlage des vorgestellten werkstofftechnisch basierten Materialmodells können zukünftig verschiedene Parametereinflüsse (z. B. Wärmeeinbringung, Schweißnahtreihenfolge, Wassertiefe) auf die Ausbildung von Verzug, Eigenspannungen und Werkstoffeigenschaften beim Schweißen von Spundwandstählen in nasser Umgebung simuliert werden. Durch genauere Simulationsergebnisse lassen sich geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Schweißnahtqualität identifizieren und letztlich bei der praktischen Ausführung der Schweißarbeit umsetzen. |