Eigenspannungs- und Verzugssimulation von sich thermisch gegenseitig beeinflussenden UP-Schweißnähten unter Berücksichtigung der Gefügeumwandlungen

Projektträger: GFaI, AiF / IGF-Vorhaben-Nr. 16392 BR

Laufzeit: 01.04.2010 - 31.12.2012

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. G. Genchev

Komplexe Konstruktionen werden vielfach mit mehreren Schweißnähten und in Abhängigkeit der Wandstärke auch mit mehreren Schweißlagen gefügt. Liegen einzelne Schweißnähte räumlich nah beieinander, wie bei Mehrlagen- und Auftragsschweißungen, erfolgt stets eine gegenseitige thermische und metallurgische Beeinflussung durch die vorherigen und nachfolgenden Schweißlagen bzw. -raupen. Die mehrmalige Temperaturbelastung beeinflusst in komplexer Weise die Gefügeumwandlungen und die damit verbundenen lokalen Volumenänderungen sowie die thermomechanischen Eigenschaften der Schweißnaht. Diese Gefügeinhomogenitäten korrespondieren wiederum mit den Eigenspannungen und mit dem sich ausbildenden Verzug. Eine gesicherte rechnergestützte Vorhersage der Eigenspannungen und des Verzugs kann nur erfolgen, wenn die gegenseitige thermische Beeinflussung von Schweißnähten mit entsprechenden Gefügeumwandlungsmodellen berücksichtigt wird. Die derzeit verfügbaren Modelle in den kommerziellen FE-Programmen beschränken sich jedoch auf die Beschreibung von Umwandlungsvorgängen bei einmaliger Temperaturbelastung und können daher nur mit ungesicherten Annahmen für die zu untersuchende Schweißkonstruktion verwendet werden.

Forschungsziel

Ziel des Vorhabens ist es, ein Werkstoffmodell zur Beschreibung der Gefügeumwandlungen bei mehrmaligen Temperaturbelastungen zu konzipieren, zu entwickeln und programmtechnisch umzusetzen. Im Vordergrund steht die quantitative Bewertung der relevanten Einflussfaktoren auf die Gefügeumwandlungen und thermomechanischen Eigenschaften bei mehrfacher Temperaturbelastung. Gegenstand der Untersuchungen sind unter anderem die Maximaltemperatur, die Aufheizraten und die Abkühl- und Austenitisierungszeit. Gesicherte Aussagen lassen sich in diesem Zusammenhang durch experimentelle Untersuchungen von physikalisch schweißsimulierten Gefügen treffen.

Methodischer Ansatz

Der methodische Ansatz beruht auf einer dreistufigen Vorgehensweise. In instrumentierten Schweißversuche werden Temperaturmessungen mit Thermoelementen für jede Schweißlage vorgenommen. Anschließend werden FE–Temperaturfeldsimulationen der Mehrlagenschweißung durchgeführt und mit den Temperaturmessungen validiert. Mit dieser Zusammenstellung von charakteristischen Temperaturverläufen werden im weiteren Arbeitsschritt die in der WEZ vorliegenden Gefügen physikalisch an kleinen Proben simuliert und die thermomechanischen Werkstoffkennwerte (Wärmedehnung und Dehngrenze) ermittelt. Durch zusätzliche metallographische Untersuchungen und Härtemessungen wird der Einfluss des vorgelagerten Temperaturzyklus auf das Endgefüge bewertet.

Durchgeführte arbeiten und erzielte Ergebnisse

In der ersten Stufe wurden Schweißversuche für eine Auftragsschweißung und eine 3-Lagen-Schweißung durchgeführt. Gefügt wurden 20 mm dicken Platten aus dem Feinkornbaustahl S355J2+N. Zum Einsatz kamen das Unterpulver-Schweißen (UP) für die Auftragsschweißung sowie eine Kombination von UP- und MAG-Schweißverfahren für die Mehrlagenschweißung. Versuchsbegleitend wurden Temperaturmessungen und metallographische Untersuchungen vorgenommen.

In der zweiten Stufe wurden FE–Temperaturfeldsimulationen der beiden Schweißungen durchgeführt. Es wurden Simulationsuntersuchungen zur korrekten Abbildung der Geometrien der Schmelzbadfläche und der angrenzenden Wärmeeinflusszonen sowie zur Berücksichtigung der Schweißreihenfolge bzw. Geometrieänderung und des Schweißpulvereinflusses im FE-Modell durchgeführt. Anschließend wurde das Simulationsmodell durch Vergleich der berechneten Schmelzbadabmessungen mit Schliffbildern kalibriert.
Die Temperaturfeldberechnungen wurden durch Vergleich mit den gemessenen Temperaturverläufen aus den Experimenten validiert. Aus den validierten FE-Simulationen werden die lokalen Maximaltemperaturen (T_Max), Austenitisierungs- (t_A) und Abkühlzeiten (t_8/5) in der WEZ der Auftrags- bzw. Mehrlagenschweißungen ermittelt.
Die Charakterisierung des Gefüges bei mehrmaliger Temperaturbelastung erfolgt durch die experimentelle Bestimmung der thermomechanischen Kennwerte Wärmedehnung und Dehngrenze R_p0,2. Aus den charakteristischen Temperaturverläufen wurden unterschiedliche Kombinationen von Maximaltemperaturen und Abkühlzeiten sowie eine mittlere Erwärmungsgeschwindigkeit bestimmt. Ausgehend von diesen Kombinationen wurden mit dem Simulations- und Prüfzentrum Gleeble 3500 Dilatometerkurven für einmalige und zweimalige Erwärmung aufgenommen und metallografische Untersuchungen sowie Härtemessungen der resultierenden Gefügen durchgeführt. Anhand der Ergebnisse wurde der Einfluss des vorgelagerten Zyklus ermittelt und bewertet. Es konnten Kombinationen von Temperaturzyklen identifiziert werden, die sich nicht signifikant auf das resultierende Gefüge auswirken. Für weitere Kombinationen von Temperaturzyklen konnten signifikante Einflüsse auf das Umwandlungsverhalten festgestellt werden. Mit den letzten Kombinationen von Temperaturzyklen wurden die in der WEZ vorliegenden Gefügen physikalisch simuliert und das Spannungs-Dehnungs-Verhalten in Zugversuchen bei Raumtemperatur sowie während der erstmaligen und wiederholten Erwärmung ermittelt.

Industriepartner:

VATTENFALL Europe Mining AG
Robert Bosch GmbH
Wärtsilä Schweiz AG
TAKRAF GmbH Lauchhammer
CADFEM GmbH
ESI Group GmbH

Das IGF-Vorhaben-Nr. 16392 BR der Forschungsvereinigung "Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. (GFaI)" wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.