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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.
The present investigations cover different relevant influences on the numerical calculation of welding-induced distortion. Therefore, a single-layer pulsed gas metal arc (GMA) weld of structural Steel S355J2+N with a thickness Öf5 mm is experimentally and numerically investigated. The influences of mesh density, tack-welds, and continuous cooling transformation (CCT) diagrams on welding-induced distortion are studied. The quality and quantity of These effects are clarified based on the used experimental and numerical set up. The occurring differences between the investigated cases achieve significant values. Consequently, prediction of welding-induced distortion can be improved considering the present investigations.
For differentiating the applicability of various numerical welding Simulation methods as well as unifying the prerequisites and the Steps to be taken in Simulation, normative codes are required for the user. Since any standard-like documents are currently still lacking in this field, DIN German Institute for Standardization has set up the Standards Committee NA 092-00-29-AA "Welding Simulation" dealing with the preparation of respective documents. This committee was initiated in partnership with the joint committee FA 12 "Weld Simulation on Application" of the Research Association of DVS German Welding Society.
The objective of this Standardization work in the field of numerical welding Simulation is to prepare a DIN SPEC with a view to standardizing the approaches to the Simulation of various welding phenomena and processes over the long run. In a draft version of DIN SPEC 32534 that has already been prepared by the above mentioned Committee, the structure of the primary document was stated. The primary document specifies the application fields and the key terms of welding Simulation. In addition, the generally valid Simulation structure has been established which is intended to serve as a recommendation for customers and suppliers in formulating and handling a Service order as well as for persons who Start doing welding Simulation for the first time.
This article focuses on the presentation of the new DIN SPEC 32534-1 explaining the major Simulation Steps. It additionally addresses the Classification of the secondary documents depending on the welding process and on the desired Simulation result. Finally, it gives an overview of the other subject areas dealt with in the Standards Committee NA 092-00-29-AA "Welding Simulation" as well as of the international activities in this field.
The usage of continuous cooling transformation (CCT) diagrams in numerical welding simulations is state of the art. Nevertheless, specifications provide limits in chemical composition of materials which result in different CCT behavior and CCT diagrams, respectively. Therefore, it is necessary to analyze the influence of variations in CCT diagrams on the developing residual stresses. In the present paper, four CCT diagrams and their effect on numerical calculation of residual stresses are investigated for the widely used structural steel S355J2 + N welded by the gas metal arc welding (GMAW) process. Rather than performing an arbitrary adjustment of CCT behavior, four justifiable data sets were used as input to the numerical calculation: data available in the Sysweld database, experimental data acquired through Gleeble dilatometry tests, and TTT/CCT predictions calculated from the JMatPro and Edison Welding Institute (EWI) Virtual Joining Portal software. The performed numerical analyses resulted in noticeable deviations in residual stresses considering the different CCT diagrams. Furthermore, possibilities to improve the prediction of distortions and residual stress based on CCT behavior are discussed.
Fusion welding is widely used in the automotive industry to join metal structures. It is well-known that distortions and residual stresses occur during and after the welding process. Many procedures exist to decrease these negative heat effects of welding, but are often coupled with highly cost intensive experiments. The implementation of a welding Simulation tool to reduce this very expensive experimental procedures is therefore of high interest. Despite the fact that the automotive industry is a key sector for Simulation procedures, welding Simulation Software is nevertheless not yet widely implemented. This is mainly due to the complexity of the Simulation tools requiring expert users and the resulting high time to Solution.
In this study, a new fast thermo-mechanical Simulation of a complex and large laser beam welded automotive sheet metal assembly with several non linear welds is simulated. Assumptions and simplifications of the complex physical welding phenomenon, which are made to keep the computational cost and the complexity of the Simulation in an industrial frame, are discussed. The calibration time of the phenomenological heat source model has been optimized with a very fast analytical thermal model and the resulting simulated temperature fields match perfectly with the measured ones. Additionally, the user experience and the time-to-solution are kept within a reasonable time frame for arr industrial environment. All Simulation results are validated with experimental results.
This article studies the three dimensional transient weld pool dynamics and the influence of joint preparation angle on welding of low carbon structural steel plates using the ForceArc® process. ForceArc is a new gas metal arc welding technology which allows adequate fusion and penetration with a smaller V groove angle. This enhances welding efficiency significantly because of reduction of layers and low material consumption.
The deformation of the weld bead is calculated with an accurate coupling of the heat transfer with fluid flow through continuity, momentum and the energy equations combined with the effect of droplet impingement, gravity, electromagnetic force, buoyancy, drag forces and surface tension force (Marangoni effect). Four different angles of V groove are employed with the same welding parameters and their influence on the weld pool behavior and weld bead geometry is calculated and analyzed, to allow subsequent calculations of residual stress and distortion of the workpiece.
Such a simulation is an effective way to study welding processes because the influence of all the welding parameters can be analyzed separately with respect to thermal cycle, weld bead formation, and the microstructure of the weld. Good agreement is shown between the predicted and experimentally determined weld bead dimensions. It was found that with a larger groove angle, the penetration depth increases. Furthermore, a higher wire feeding rate is needed to fill the larger groove. The model presented can be used for further analyses of GMAW processes as well as input data for the numerical calculation of welding induced residual stresses and distortions using Computational Weld Mechanics CWM.
The paper presents bounded volume heat sources and the corresponding functional-analytical expressions for the temperature field. The power density distributions considered here are normal, exponential and parabolic. The sources model real heat sources like the welding arc, laser beam, electron beam, etc., the convection in the weld pool as well as the latent heat due to fusion and solidification. The parameters of the heat source models are unknown a priori and have to be evaluated by solving an inverse heat conduction problem. The functional-analytical technique for calculating 3D temperature fields in butt welding is developed. The proposed technique makes it possible to reduce considerably the total time for data input and solution. It is demonstrated with an example of laser beam welding of steel plates.
This paper presents volume heat sources and the corresponding functional analytical Solutions for the transient temperature field. The considered energy distributions are normal, exponential and parabolic. The method follows the common approach in Computational Welding Mechanics (CWM) to account for the physics of the welding process and the resulting temperature field by phenomenological models for heat conduction. Therefore, the used heat source models are apparent heat sources that incorporate the real heat input as well as the fluid flow in the weld pool and the latent heat connected with phase transformations. The heat source models provide welding characteristics like thermal cycle and Fusion line in the cross section within short computational time. Consequently, inverse techniques on basis of optimisation algorithms enable the adaptation of the models to the experimental data efficiently. Furthermore, the direct evaluation of the energy distribution for the experimental fusion line in the cross section is demonstrated which enhances the numerical optimisation by reducing the number of unknown model Parameters and providing a reasonable initial guess within the model parameter space. The proposed temperature field models are validated with real laser beam welding experiments.
Die Schweißsimulation dickwandiger Bauteile stellt aufgrund der erhöhten Komplexität der thermophysikalischen und thermomechanischen Vorgänge beim Mehrlagenschweißen hohe Anforderungen an kommerziell verfügbare Schweißsimulationssoftware. Das umfasst die während des Fügeprozesses induzierten Verzüge und Eigenspannungen in das gefertigte Bauteil, welche zur Beurteilung der Fertigungsqualität von großer Bedeutung sind. Gerade in dickwandigen Bauteilen ist der Spannungszustand sowohl bedingt durch die konstruktive Steifigkeit der einzelnen Bauteile sowie der gesamten Baugruppe als auch aufgrund zusätzlicher externer Einspannvorrichtungen bei der Fertigung überaus komplex. Hinzu kommen bei Werkstoffen mit Phasenumwandlung noch die metallurgisch verursachten Spannungszustände und bei mehrlagig ausgeführten Schweißverbindungen die wiederholte thermische und umwandlungsbedingte Spannungsausbildung, so dass eine überschlägige Abschätzung des gesamten Verformungs- und Spannungszustandes auch für Experten in der Regel nicht mehr möglich ist. Die vorherrschenden Verformungen und Spannungen bestimmen jedoch maßgeblich die Eigenbeanspruchung der Schweißkonstruktion und damit deren Belastbarkeit im Betrieb. Eine genaue Kenntnis dieser Daten würde wertvolle Informationen zur Qualitätsoptimierung des Endproduktes liefern.
Mit Ausgabedatum März 2011 ist die Spezifikation DIN SPEC 32534-1 erschienen. Die Spezifikation wurde im DIN/DVS-Gemeinschaftsausschuss NA 092-00-29 AA „Schweißsimulation (DVS AG I 2.1)" des Normenausschusses Schweißtechnik (NAS) im DIN in Zusammenarbeit mit dem Ausschuss für Technik (AfT) im DVS - Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. nach dem Vornormverfahren erarbeitet.
In contrast to other simulation fields like forming simulation, welding simulation is still not widely used in industrial environments. A high user expertise, a high time-to-solution and the result accuracy are the most important problems that hinder its extensively application. Different modeling approaches influence these aspects and an analysis of their implementation is of interest especially for the automotive industry as a key user for production Simulation.