Berechnungssoftware Sicherheit und Effizienz dank Schweisssimulation

Redakteur: Luca Meister

Ob Vorhersage der Betriebsfestigkeit, schweissinduzierte Verformungen, Eigenspannungen oder Mikrostruktur – eine Schweisssimulation liefert bei vielen Fragestellungen entscheidende Erkenntnisse. Die Simulation kann sowohl zur Verbesserung der Produkteigenschaften als auch zur Erhöhung der Prozesssicherheit und -robustheit bedeutend beitragen.

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Abb. 6: Virtuelle Fertigungsprozesskette, bei der die Schweisssimulation eine Prozessstufe präsentiert.
Abb. 6: Virtuelle Fertigungsprozesskette, bei der die Schweisssimulation eine Prozessstufe präsentiert.
(Bild: Dynamore)

In welcher Reihenfolge soll ich schweissen, um einen möglichst geringen Bauteilverzug zu erzielen? Welche Parameter wähle ich für meinen Schweissprozess, um das optimale Gefüge zu erreichen? Wie gross sind die Eigenspannungen nach dem Schweissen und wie hoch ist die Lebensdauererwartung meiner Schweissnähte im Betrieb? Diese und viele anderen Fragen stellen sich täglich viele Ingenieure. Nach wie vor ist die praktische Erfahrung unverzichtbar und bildet die wichtigste Grundlage bei der Entscheidungsfindung. Dennoch ist Erfahrung alleine in vielen Fällen, etwa bei komplexen Geometrien oder neuen Werkstoffen, nicht mehr ausreichend. Eine Alternative zu dem oft teuren «Trial and Error» bietet eine numerische Abbildung eines Schweissprozesses. Zudem ermöglicht sie Einblicke in bei einem Versuch verborgene Stellen und sorgt damit für mehr Verständnis im Prozess und bei den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Prozessparametern.

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Multidisziplinäre Komplexität

Mit modernsten Simulationsverfahren bietet das Finite-Elemente-(FE-)Programm «LS-DYNA» seit Jahrzehnten eine weltweit von vielen Ingenieuren geschätzte Beihilfe bei der Auslegung von Bauteilen und Optimierung von Fertigungsprozessen. Die aus Kalifornien stammende Software, die ursprünglich für die Simulation von hoch nichtlinearen dynamischen Prozessen entwickelt wurde, hat schnell ihren Platz in der Industrie und der angewandten Forschung gefunden. Die Firma Dynamore, welche das Programm in der Schweiz vertreibt und auch mitentwickelt, bietet ihren Kunden nun auch umfangreiche Möglichkeiten zu einer Simulation von Schweissprozessen.

Die gesamte multidisziplinäre Komplexität eines typischen Schweissprozesses [1] wird in einer solchen FE-Simulation auf eine thermo-mechanische Problemstellung mit Hilfe einer Ersatzwärmequelle vereinfacht (Abb.1). Grossen Einfluss auf das Endergebnis hat dabei die Werkstoffbeschreibung – sowohl thermophysikalische als auch mechanische Materialeigenschaften hängen stark von der Temperatur ab. Spezielle Materialmodelle in LS-DYNA ermöglichen es, das mechanische Verhalten mit Berücksichtigung komplexer Vorgänge wie die Umwandlungskinetik und Transformationsplastizität realitätsnah zu beschreiben.

All das gestattet einen nutzbringenden Einsatz der Schweisssimulation in der Industrie bereits heute. Dank einem sehr robusten impliziten Solver ist die Schweisssimulation in LS-DYNA, zumindest aus numerischer Sicht, leicht gemacht [2]. Folgend sind zwei Anwendungsgebiete aus der Industrie dargestellt, wo die Schweisssimulation als Entwicklungswerkzeug sehr wertvolle Erkenntnisse gebracht hat.

Lebensdauervorhersage

Es ist bekannt, dass Schweissverbindungen generell eine strukturelle Schwachstelle darstellen. Neben der rein geometrischen Schwächung, wobei die Schweissnahtkerben als Spannungskonzentratoren wirken, unterliegt das Material zusätzlich starken mikrostrukturellen Transformationen und es können sehr hohe Eigenspannungen entstehen. Diese Faktoren haben einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer einer Schweissverbindung und können mit Hilfe der Simulation vorhergesagt werden. Damit kann die klassische und sehr konservative Vorgehensweise, den Festigkeitsnachweis mit Hilfe der Richtlinien [3][4] zu machen, durch eine genauere ersetzt bzw. ergänzt werden. Dies kann beispielsweise im Leichtbau zu deutlichen Materialersparnissen führen und bei der Betrachtung von speziellen Schweissnahtgeometrien oder Materialien die fehlende Information liefern.

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.

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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