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Experimentelle und numerische Analyse des Geometrieeinflusses auf den Schweißeigenspannungszustand
(2009)
Die vorliegende Arbeit stellt Untersuchungen im Rahmen eines Forschungsprojektes mit Schwerpunkt in der experimentellen und numerischen Analyse schweißbedingter Eigenspannungen und Verzüge beim Mehrlagenschweißen dar. Das Auftreten von kritischen Eigenspannungszuständen und untolerierbaren Verzügen während des Fertigungsprozesses verursacht durch erforderliche Nacharbeiten, wie z.B. Richten oder Wärmenachbehandlungen, zusätzliche Kosten. Diese Nacharbeiten können vermieden werden, wenn die numerische Schweißsimulation auf der Grundlage von zuverlässigen Berechnungsergebnissen zur Optimierung angewandt wird.
Die Analyse des Eigenspannungszustandes erfolgt an 5 mm dicken Blechen des unlegierten Baustahls S355J2, wobei Stumpfnaht-Verbindungen mittels Metall-Aktiv-Gas-(MAG)-Schweißen ausgeführt worden sind. Im Zusammenhang mit den Experimenten werden sowohl Temperaturzyklen und Eigenspannungen gemessen als auch Schmelzbadgeometrie und Mikrostruktur ermittelt.
Auf der Basis eines experimentell validierten Temperaturfeldes und umfangreichen röntgenografischen Eigenspannungsuntersuchungen erfolgen numerische Strukturberechnungen. Die auftretenden Phasenumwandlungen werden in der Simulation berücksichtigt.
Die Betrachtung verschiedener Blechkonfigurationen gibt den Einfluss der Blechlänge auf das Niveau der entstehenden Eigenspannungen wieder. Es stellt sich heraus, dass sich die Quereigenspannungen in den nahtnahen Bereich mit zunehmender Blechlänge in den Druckbereich verschieben. Dieses Verhalten kann durch die experimentell validierte Struktursimulation des vorliegenden Prozesses numerisch abgebildet werden und schafft somit den Ausgangspunkt für die spätere Berechnung von mehrlagigen Schweißnähten.
Für die Abgrenzung der Anwendbarkeit verschiedener Methoden der numerischen Schweißsimulation sowie für die Vereinheitlichung der Voraussetzungen und der durchzuführenden Schritte bei der Simulation sind normative Regelwerke für den Anwender erforderlich. Da es derzeit noch keine normähnlichen Dokumente auf diesem Gebiet gibt, wurde vom DIN der Arbeitsausschuss NA 092-00-29-A "Schweißsimulation" gegründet, welcher sich mit der Erarbeitung der entsprechenden Dokumente befasst. Dieses Gremium wurde gemeinsam mit dem Gemeinschaftsausschuss FA 12 "Anwendungsnahe Schweißsimulation" der Forschungsvereinigung des DVS initiiert.
Das Ziel der Normungsarbeit im Bereich der numerischen Schweißsimulation besteht in der Erarbeitung einer DIN SPEC, die die Vorgehensweisen bei der Simulation verschiedener Schweißphänomene und -verfahren langfristig standardisieren soll. In einem durch den genannten Arbeitsausschuss bereits vorbereiteten Entwurf der DIN SPEC 32534-1 wurde die Struktur des Hauptdokuments festgelegt. Im Hauptdokument sind die Anwendungsbereiche und die wesentlichen Begriffe der Schweißsimulation spezifiziert. Des Weiteren wurde die allgemein gültige Simulationsstruktur erarbeitet, welche als Empfehlung für den Auftraggeber und den Auftragnehmer bei der Formulierung und Abwicklung eines Dienstleistungsauftrages sowie für den Neueinstieg in die Schweißsimulation dienen soll.
Den Schwerpunkt stellt die Vorstellung der neuen DIN SPEC mit der Erläuterung der wesentlichen Simulationsschritte dar. Im Weiteren wird auf die Klassifizierung der Unterdokumente in Abhängigkeit des Schweißverfahrens und des angestrebten Simulationsergebnisses eingegangen. Schließlich wird ein Ausblick auf die weiteren Themenfelder des Arbeitsausschusses NA 092-00-29-A "Schweißsimulation" sowie auf die internationalen Aktivitäten auf diesem Gebiet gegeben.
Die Kornfeinung beim Schweißen ist mit einem Übergang von groben, stängeligen Körnern zu kleineren, globulitischen Körnern im Schweißgut verbunden. Die Feinung der Korngröße und Form führt sowohl zu einer wesentlichen Verbesserung der Schweißeignung als auch zu verbesserten mechanischen Eigenschaften. Heute gebräuchliche Schweißzusatzwerkstoffe enthalten zum Teil bereits geringe Mengen kornfeinender Zusätze, deren Wirksamkeit jedoch von einer Reihe weiterer Randbedingungen abhängt. Durch Zugabe definierter Mengen an Keimbildnern (AlTi5B1) in das Schmelzbad wurde die Abhängigkeit der Korn-größe und –form vom Titan/Bor-Gehalt untersucht. Weiterhin wurde der zur vollständigen Kornfeinung notwendige Mindestgehalt an Keimbildner für unterschiedliche Legierungen und unter unterschiedlichen Schweißbedingungen, sowohl beim WIG-Schweißen als auch beim Laserstrahlschweißen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Korngröße im Schweißgut bis auf ein Minimum von ca. 20µm verringern lässt und zugleich der Anteil der globulitischen Körner zunimmt. Der Mindestgehalt an Keimbildner für vollständige Korn-feinung hängt stark von Schweißgeschwindigkeit und Legierungszusammensetzung ab. Der Einfluss der Kornfeinung auf die Festigkeit, Duktilität sowie die Heißrissempfindlichkeit der Schweißverbindungen wird an ausgewählten Bespielen aufgezeigt.