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Sicherheit und Effizienz dank Schweisssimulation

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Am Beispiel einer gemeinsam mit der Firma Winterthur Gas & Diesel Ltd. durchgeführten Untersuchung für eine fünflagige einseitige V-Naht wird hier exemplarisch gezeigt, wie man eine genauere Lebensdauervorhersage mit Hilfe der Schweisssimulation und Bruchmechanik machen kann. Es handelt sich dabei um eine meterlange MAG-Schweissung aus dem Stahl S235JR, aus welcher dann mehrere Proben ausgeschnitten und zyklisch belastet wurden. Solche Art von Schweissung kommt bei den grossen Zwei-Takt-Schiffsdieselmotoren vor, wobei keine der Richtlinien ein Festigkeitslimit dafür liefert.

Zuerst wird der rechnerisch günstige thermische Teil der Simulation validiert mit dem Ziel, die Temperaturverläufe an den Messpunkten und die Schweissbadgeometrien in den Schliffbildern zu reproduzieren (Abb. 2). Bereits mit Hilfe der thermischen Rechnung lassen sich die Werkstoffeigenschaften nach dem Schweissen vorhersagen (Abb. 3). Um nun die Eigenspannungen an der Schweissnahtkerbe vorhersagen zu können, wird der mechanische Simulationsteil durchgeführt. Abbildung 4 zeigt einen Vergleich zwischen den gerechneten und mit Röntgenverfahren gemessenen Eigenspannungen.

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Schwellenwert des Spannungsintensitätsfaktors vorhersagen

Sollten die makroskopischen Grössen wie die Temperaturverläufe oder Eigenspannungen vorhanden sein und das Gefüge an der Nahtkerbe bekannt werden, können mit Hilfe der bruchmechanischen Ansätze die Dauerfestigkeitsgrenzen einer Schweissnaht vorhersagt werden. Da die Oberflächenqualität entlang der Schmelzgrenze oft niedrig ist, ist dort die Wahrscheinlichkeit eines Anfangsrisses bereits nach dem Schweissprozess hoch. So kann der Schwellenwert des Spannungsintensitätsfaktors für die Festigkeitsgrenze im Bereich der hohen Lastspielzahlen während des Risswachstums für die Lebensdauer bei niedrigeren Lastspielzahlen eingesetzt werden.

Moderne Methoden sind in der Lage, den Schwellenwert des Spannungsintensitätsfaktors sowie Risswachstum abhängig von der Rissgrösse, Materialhärte, der Asymmetrie der Belastung und Spannungsgradienten vorhersagen zu können [5][6]. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich beispielsweise die Festigkeitsgrenzen aus den IIW-Richtlinien reproduzieren (Abb. 5), allerdings mit einem entscheidenden Unterschied – hier kann der Benutzer die Lebensdauer speziell für seinen Werkstoff, Schweissprozess, Geometrie, Eigenspannungszustand und Lastfall abschätzen.

So liessen sich in der oben genannten Versuchsreihe die unterschiedlichen Versagensmechanismen, je nachdem ob die Proben nach dem Schweissen wärmebehandelt wurden oder nicht, quantitativ reproduzieren. Ein deutlicher Abbau der Eigenspannungen durch die nachträgliche Wärmebehandlung an der unteren linken Kerbe führte dazu, dass sich der Schwellenwert des Spannungsintensitätsfaktors dort vergrösserte und das Risswachstum von der Nachbarkerbe schlussendlich energetisch günstiger war.

Schweissverzugssimulation innerhalb einer Prozesskette

Sehr oft führt das Schweissen zu einer unerwünschten Geometrieveränderung der gesamten Struktur. Insbesondere bei grossflächigen Bauteilen kann das zu Schwierigkeiten beim Zusammenbau führen. Oft ist aber Schweissen nur eine von vielen Prozessstufen, die auf die Endgeometrie vom Bauteil sowie auf dessen Eigenschaften einen Einfluss hat. Dann ist die Optimierung des Schweissprozesses alleine nicht unbedingt der effizienteste Weg. In solchen Fällen kann die Simulation entlang der Prozesskette zu wesentlichen Verbesserungen führen. Am Beispiel der Komponente für ein Flugzeugtriebwerk [7] lässt sich die Simulation entlang der Fertigungsprozesskette gut darstellen (Abb. 6). Das Blech wird zuerst in den Umformwerkzeugen tiefgezogen, danach werden die Rückfederung und das Beschneiden berechnet. Später wird das Halbzeug in der Mitte getrennt. Am Ende folgt die Schweissprozesssimulation mit anschliessendem Abkühlen und Rückfedern. Um die erwünschte Geometrie am Ende zu erzielen, wurden mit Hilfe der Optimierungssoftware LS-OPT sämtliche Prozessparameter, inklusive Geometrie der Tiefziehwerkzeuge, in mehreren Simulationsschleifen optimiert. <<

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