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Dr.-Ing. Tobias Loose13.11.2012

Numerische Simulation

und Engineering Software in der Schweißtechnik

Herdweg 13, D-75045 Wössingen Lkr. KarlsruheCourriel: loose@tl-ing.de Web: www.tl-ing.de, www.loose.at

Mobil: +49 (0) 176 6126 8671 Tel: +49 (0) 7203 329 023 Fax: +49 (0) 7203 329 025

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Über das Ingenieurbüro Tobias Loose

Numerische Simulationen fürSchweißen und Wärmebehandlung

Dienstleistung - Schulung - SupportVertrieb von Software für die Schweißsimulation

und Wärmebehandlungssimulation

Schweißsimulationen seit 2004Berechnung von Verzug und Eigenspannungenan großen Baugruppen

2. Vorsitzender FA I2 des DVS2. Vorsitzender FördervereinWärmebehandlung und Schweißen

unsere Partner

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SchweißtechnologischesBeratungssystem

WeldWare®

In WeldWare® steckt jahrzehntelange Erforschung vereint in einer Software:Wärmeführung beim Schweißen von Stahl - Gefügeumwandlungen und Eigenschaften in der Wärmeeinflußzone

Engineering Software in der SchweißtechnikWeldWare® - Materialdaten und einfache Berechnung

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SimWeld

In SimWeld steckt langjährige Forschung und Entwicklung in der annwendungsnahen Schweißprozeßsimulation vom

Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen.

Engineering Software in der SchweißtechnikSimWeld - Schweißprozeßsimulation

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Technische Merkmale von Simufact.welding:• einfache und schnelle Bedienung• Erfassung schweißtechnischer Randbedingungen• zügige Definition der Spannvorrichtung• geeignet für alle gängigen Schweißverfahren• erfaßt alle Nahtvorbereitungen• umfassende Materialdatensammlung• zuverlässige Berechnung

Engineering Software in der Schweißtechniksimufact.welding - Schweißstruktursimulation

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Sie wünschen Hilfe, Infos oder ein Angebot?

www.tl-ing.de - www.loose.atwww.simweld.info

Besuchen Sie uns im Internet:

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Wozu Simulieren?

Nach dem Schweißenist nicht vor dem Schweißen

Die Materialeigenschaft, die Form und der Spannungszustand sind verändert.

Schweißbarkeitsprobe Rheinbrücke BreisachSt 37 von 1962Schweißpunktbiegeversuch nach Steidl

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WeldWareSchweißtechnologisches BeratungssystemStreckenenergie - Vorwärmtemperatur - Gefüge

WeldWare dient…

• der Kalkulation der Wärmeführung vor Schweißbeginn an Stahl• der Berechnung von Gefüge und mechanischen Kennwerten in

der WEZ von Schweißnähten• der Ermittlung notwendiger Vorwärmtemperaturen an realen

Bauteilen

WeldWare nutzt…

• Chargenübergreifende Regressionsgleichungen

• Gemessene Schweiß-ZTU-Schaubilder aus eigenem Hause, der SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH

• Zugehörige Materialdaten

Materaialdaten auswählen

Vorauswahl nach Werkstoffgruppe

Suche nach Werkstoffname

Gesamtliste

Materialdaten auswählen

DB-Auslese, überschreibbarDatenbank Vorgabe der Chemischen Zusammensetzung kann modifiziert werden

Chargenverwaltung

Kontrolle, ob die Daten innerhalb gültiger Regressionsgrenzen liegen

Datenexport Sysweld

mit Weld Ware fortfahren

Chargenverwaltung

Eingabe weiterer Chargen unter definierter Chargennummer / Chargenname.

Beliebige Chargen können gespeichert und später auch wieder abgerufen werden.

Gefügezusammensetzung berechnen

Vorausberechnung des Gefüges in der WEZaufgrund der Stahlzusammensetzung

K30 Wert bestimmen

K30-Wert als erforderliches Kühlzeit-Minimum zur Vermeidung von Rissen infolge Martensit und Aufhärtung

Anzeige des SZTU-Diagramms

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

… dient der Vermeidung technologischer Kerben im Vergleich zum ungeschweißten Grundwerkstoff

Schweißdaten abschätzen

Schweißdaten,die den K30-Wert(7,1 s) sichern.

Export der Materialdaten für die Schweißstruktursimulation

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WeldWareDemonstration der Software

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SimWeldSchweißprozeßsimulation

Berechnung des Schmelzbades

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Ein- und Ausgabegrößen der Prozeßsimulation

Eingabeparameter:• Drahtvorschub• Schutzgas• Schweißgeschwindigkeit• Stromstärke / Spannung• Anstellwinkel• Schweißposition und

Bauteilgeometrie

Ausgabeparameter:• Nahtgeometrie• Einbrand / Einbrandkerben• Schweißbarkeit• Temperaturverlauf und Tropfenablösung• Kontrollgrößen: Schweißstrom, Spannung zwischen Bauteil und Brenner

Berechnungszeit zwischen 0,5 und 2 Minuten

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Schweißprozeßsimulation - Simweld

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Schweißprozeßsimulation - Simweld

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Schweißprozeßsimulation - Simweld

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Schweißprozeßsimulation - Simweld

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Schweißprozeßsimulation - Simweld

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Schweißprozeßsimulation - Simweld

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Temperaturverlauf

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Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO 5817

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Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 1

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Kehlnaht - Lichtbogen und Tropfenablösung

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Kehlnaht - Ergebnis Variante 1

Bewertungsgruppe D:1 + 0,25b = 1 + 0,25 x 6,7 = 2,68 mm

Bewertungsgruppe C:1 + 0,15b = 1 + 0,15 x 6,7 = 2,01 mm

Bewertungsgruppe B:1 + 0,10b = 1 + 0,10 x 6,7 = 1,67 mm

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Kehlnaht - Eingabeparameter Variante 2

Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit von 25 cm/min auf 50 cm/min

Erhöhung des Drahtvorschubes von 6 m/min auf 10 m/min

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Kehlnaht - Lichtbogen und Tropfenablösung

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Kehlnaht - Ergebnis Variante 2

Bewertungsgruppe D:1 + 0,25b = 1 + 0,25 x 6,7 = 2,68 mm

Bewertungsgruppe C:1 + 0,15b = 1 + 0,15 x 6,7 = 2,01 mm

Bewertungsgruppe B:1 + 0,10b = 1 + 0,10 x 6,7 = 1,67 mm

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Vergleich KehlnahtVariante 1 - Variante 2

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

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Stumpfnaht - Eingabeparameter Variante 1

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Stumpfnaht - Ergebnis Variante 1

Nicht durchgeschweißt!

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Stumpfnaht - Eingabeparameter Variante 2

Verringerung der Schweißgeschwindigkeit von 50 cm/min auf 30 cm/min

Erhöhung des Drahtvorschubes von 6 m/min auf 10 m/min

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Stumpfnaht - Ergebnis Variante 1

Bewertungsgruppe D:1 + 0,6b = 1 + 0,6 x 9,3 = 6,58 mm

Bewertungsgruppe C:1 + 0,3b = 1 + 0,3 x 9,3 = 3,79 mm

Bewertungsgruppe B:1 + 0,1b = 1 + 0,1 x 9,3 = 1,93 mm

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Vergleich StumpfnahtVariante 1 - Variante 2

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

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SimWeldDemonstration der Software

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Grundlagen derSchweißstruktursimulation

Verzug - Eigenspannungen - Gefüge

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Schweißstruktursimulation Modellierungsablauf

Geometriebeschreibungdes Bauteils - CAD

Methode der Finiten Elemente

FEM

Einteilung in Finte ElementeVernetzen

SchweißenDefinition der Ersatzwärmequelle

Werkstoff Materialeigenschaften

Prozeß und SetupMaterialzuweisung, Schweißfolge, Spannvorrichtung, äußere Lasten

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Eigenspannungen - Verzug

EigenspannungenVerzug

freies Ausdehnen und SchrumpfenWeiche StrukturNicht eingespannt

Ausdehnen und Schrumpfen behindertSteife StrukturVollständig eingespannt

. . Optimum . .

Großer VerzugGefahr für Schweißprozeß

Hohe plastische DehnungenRißgefahr

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Die Schweißstruktursimulation verwendet die Methode der Finiten Elemente

K · u = fTemperaturfeld

StrukturmechanikBegleiterscheinungen

=e pupthm

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StrukturmechanikStrukturmechanikDiffusion - Aufkohlung Diffusion - Aufkohlung

WasserstoffdiffusionWasserstoffdiffusionElektromagnetismusElektromagnetismus

Temperaturfeld

Korngröße

Gefügeumwandlung

Temperaturfeld

Korngröße

Gefügeumwandlung

Gekoppelte BerechnungenPhysik, die bei der Berechnung Berücksichtigung findet

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Spannungs-Dehnungs Beziehung

σ wahr

εwahr,plastisch

Re

σwahr, Verfestigung

εwahr

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Streckgrenze Re

Temperatur in °C

Str

eck

gren

ze R

e in

N/m

m²

Spannungs-Dehnungs Beziehung

Streckgrenzeals Funktionen des Gefüges in Abhängigkeit der Temperatur

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Temperature in °C

Th

erm

isch

e D

ehn

un

g in

%

γkfz

UmwandlungsdehnungThermische Dehnung

Thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung

αkrz

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Rücksetzen der plastischen Dehnungen

Beim Aufschmelzen oder bereits bei der Kornumwandlung verschwinden die zur Verfestigung führenden Dehnungen. Diese „Entfestigung“ wird durch ein Rücksetzen der plastischen Dehnungen berücksichtigt.

Ohne Rücksetzen

Mit Rücksetzen

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Rücksetzen der plastischen Dehnungen

Vergleich der Längseigenspannung mit und ohne Rücksetzen der plastischen Dehnungen. Berechnung ohne Gefügeumwandlung.

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Ergebnisse aus derSchweißstruktursimulation

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Gefügezustand nach dem Schweißen

S235 S355

Ferrit- Perlit

Bainit

Martensit

Ferrit- Perlit

Bainit

Martensit

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S235 S355

Abhängig von Gefüge und von der Verfestigung

Streckgrenze nach dem Schweißen

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Eigenspannungen nach dem Schweißen

Längseigenspannungen

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Eigenspannungen während des Schweißens

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Verzug nach dem Schweißen

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Verzug während des Schweißens

The term „weld shrinkage“ conjures up a mental image of a molten bead solidifying and cooling, and pulling in the adjacent plate edges as it contracts.

Deeper consideration reveals that this is not the case.

(Leggatt 1980)

Der Begriff „Schweißnahtschrumpfung“ ist mit der Vorstellung von einem erstarrenden und abkühlenden Schmelzbad sowie Zugbeanspruchung an den angrenzenden Blechkanten während des Schrumpfens verbunden.

Die nähere Betrachtung zeigt, daß dies nicht der Fall ist.

(Leggatt 1980)

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Validierung der BerechnungSchweißstruktursimulation

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Validierung Schweißverzug

(Banke et al. 2003)

Versuch und Meßdaten aus:BANKE, F. ; SCHMIED, J. ; SCHULZ, U.: Der Einfluß vonSchweißeigenspannung und Schweißverformungen auf das Beulverhaltenvon axialgedr¨uckten Zylinderschalen. In: Stahlbau 72(2003), Nr. 2, S. 91–101

Meßwerte: Banke et al.Berechnung: Dr. Loose

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

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

• 2 Lagen, zuschweißen der Nut mit artgleichem Zusatzmaterial 316L

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

IIW Round Robin Versuch

Prof. Dr.-Ing Helmut WohlfahrtDr.-Ing. Marcus Brand

Dipl.-Ing. Jens SakkiettibutraDr.-Ing. Tobias Loose

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Welding direction Welding direction

Längs- und Quereigenspannungennach dem Schweißen

longitudinal transversal

IIW Round Robin Versuch

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Hydrostatische Ausdehnung, wenn das Material nicht in Längs- und Querrichtung durch kältere Bereiche gehindert würde.

Mit steigender Temperatur ist ein Ansteigen der von Mieses Spannung zu erwarten,

aber begleitend zum Temperaturanstieg fällt die Streckgrenze ab.

IIW Round Robin Versuch

Eigenspannungen entstehenin der WEZ begleitend zum Ausdehnen während der Erwärmung und des Schrumpfens während der Abkühlung. Sie erreichen Magnituden, die aufgrund der Verfestigung größer als die Ausgangsstreckgrenze sein können.Eigenspannungen entstehenin der Schweißnaht aufgrund der behinderten Schrumpfung des Schmelzbades.

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IIW Round Robin Versuch

Vergleich Meßwerte und Berechnungsergebnis

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S355E = 5,83 kJ/cmv = 1,66 mm/s

Nitschke-Pagel Versuch

Messungen: Dr. Nitschke-Pagel, Berechnung: Dr. Loose

Messung: w = 0,34 mmBerechnung: w = 0,32 mm

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Nitschke-Pagel Versuch

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Schweißstruktursimulationan großen Bauteilen

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Dilemma

Schweißnaht - Feines NetzGesamtstruktur - Grobes Netz

Modellgröße ↔ Hardware

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Lösungen

• Leistungssteigerung der Rechnerkapazität– Transiente Methode: Berechnung auf mehreren CPU

• Ersatzmethoden oder vereinfachte Berechnungsannahmen– Metatransiente Methode

– Local - Global Methode

– Schrumpfkraftmethode

• Ziel der Ersatzmethoden ist es durch vereinfachte Annahmen– die Berechnung zu beschleunigen

– die Eingabe zu vereinfachen

– gröbere Netze verwenden zu können

– die Anzahl der Berechnungszeitschritte zu reduzieren, beispielsweise eine Naht in einem Berechnunsschritt

– dennoch die gleichen Aussagen zu erhalten, wie bei der transienten Methode

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Transiente Methode - DMP

• Die transiente Methode bildet die Wirklichkeit am realitätsnächsten ab• Die Einspannsituation wird genau abgebildet• Physikalische Vorgänge wie die Gefügeumwandlung und deren Effekte

und Einflüsse können berücksichtigt werden• Thermische Randbedingungen wie Vorwärmen oder lokales kühlen

und deren Einflüsse können berücksichtigt werden• Mechanische Randbedingungen

und deren Einflüsse können berücksichtigt werden

• Erfordert feine Vernetzung, große Berechnungszeit

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Metatransiente Methode - Thermal Cycle

• Berechnete Eigenspannungen und Gefüge sind fast identisch mit den Berechnungsergebnissen aus einer Transienten Berechnung

• Abweichungen treten bei den berechneten Verzügen auf• Diese Methode eignet sich insbesondere, um große Strukturen mit

mehrlagigen Nähten zu berechnen und den Einfluß beliebiger Lagenfüllungen zu berücksichtigen

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Vergleich Längsspannung - v. Mises Spannung

transient metatransient

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Simufact.weldingSchweißstruktursimulation

Verzug - Eigenspannungen - Gefüge

Demonstration der Software

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Welche Vorteile bringt Ihnen die Schweißsimulation?

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Das Verständnis ist die Grundlage für die Optimierung und Kosteneinsparung

• Sie sehen in Ihr Bauteil hinein und erhalten Aussagen über Zustandsgrößen an jeder beliebigen Stelle, also auch dort wo Sie nicht messen können.

• Sie können den Schweißprozeß und seine Auswirkungen visualisieren, damit verstehen und zielorientiert verbessern.

• Sie schaffen mit der Simulation Fakten und klare Aussagen,damit verkürzen Sie ewig dauernde innerbetriebliche Diskussionsrunden, und können den „Experten-Meinungen“ mit fundierten Daten entgegentreten

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Lehrgeld - muß nicht sein

In den letzten Jahren habe ich für verschiedene Kunden Schweißsimulationsberechnungen zu den unterschiedlichsten Fragestellungen

durchgeführt.Oft erst nachdem Probleme oder Schadensfälle aufgetreten sind.

Dabei kam die Erkenntnis zu tage:hätten wir vorher simuliert hätten wir das Problem auch vorher erkannt,

Kosten und Aufwand gespart.

Mittlerweile ist die Schweißsimulation technologisch soweit gereift, daß sie nicht mehr ein rein akademisches Tätigkeitsfeld ist

sondern industriell anwendbar.

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Mit Schweißsimulation sind Sie erfolgreicher ...… und erzielen Top Qualität!