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Literatur : [ Aluminium | Schweiß-/Fügetechnik | Berechnung/Simulation ]

Untersuchung von Schweißeigenspannungen an Aluminiumkonstruktionen

Veröffentlicht von: INSTAL Engineering GmbH, 09.11.2014


In dieserArbeit wird die Ausbildung der Schweißeigenspannungen unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen wie Einspanngrad, Blechdicke, Geometrie, Legierungstyp und Schwingfestigkeit mittels Simulationsberechnungen untersucht.

Kurzfassung

Grundlage dieser Berechnungen sind als Eingangsdaten Temperaturverläufe während des Schweißprozesses und temperaturabhängige Materialkennwerte. Für die Kalibrierung des Temperaturfeldes wurden die Temperaturzyklen zahlreicher Schweißversu-che mittels Thermoelemente aufgezeichnet. Als Materialkennwerte dienten sowohl eigene Messungen als auch Daten aus der Literatur. Auf Grundlage dieser Eingangsda-ten wurde eine erfolgreiche Validierung der errechneten Spannungsverläufe mit Messergebnissen aus der Literatur vorgenommen. Anschließend konnten mit dem kommerziellen Programm Sysweld Variantenrechnungen durchgeführt werden, die auch Erklärungen und Hinweise für die Entwicklung der Eigenspannungen während und nach dem Schweißen von Aluminiumkonstruktionen liefern (Bewertung von Eigenspannungen).


Abstract

In this work the influence of various situations as constraints, plate thickness, geometry, alloy and welding speed on residual stress is investigated by means of simulation. Essential for the calculation are the temperature curves during the welding process and the temperature-dependent material data. For the calibration of the temperature field temperature cycles of many welding tests are measured. For this purpose both biblio-grafical data and data of the own measurement are used. On the base of this input data a successful validation of the residual stress curves could be done. The different vari-ants could then be calculated with the commercial simulation program Sysweld, which also gives explanations and indications for the development of the residual stress dur-ing and after the welding of aluminium constructions.


Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde ein Beitrag zur Problematik der Eigenspannungen an Alumini-umschweißkonstruktionen vorgestellt. Das Hauptwerkzeug für diese Untersuchungen ist die Simulation, mit deren Hilfe viele Fragestellungen und auch Verständnisprobleme gelöst bzw. auch hinterfragt werden konnten. Bevor man sich dieses Werkzeuges bedienen kann, müssen jedoch einige Grundvoraussetzungen geschaffen werden:

• Kalibrierung der Wärmequelle und der Temperaturfelder
• Ermittlung der Werkstoffkennwerte
• Modellierung der Konstruktion

Gerade der zweite Punkt bereitet große Schwierigkeiten. Grund ist, dass meistens keine Daten vorliegen und deren Beschaffung sehr zeit- und auch geldintensiv ist. Daher wurden in dieser Arbeit einige dieser Daten aus verschiedenen Literaturstellen und auch aus eigenen Untersuchungen zusammengefasst.
Als weitere Hilfestellung sollen auch die in Diagrammen zusammengestellten Abkühl-zeiten dienen. Somit hat der Anwender Richtwerte für seine Wärmequellen- und Temperaturfeldkalibrierungen, ohne selbst Messungen durchführen zu müssen. Es ist jedoch anzumerken, dass die Abkühlzeiten sehr stark von den lokalen Gegebenheiten (Unterlage, Geometrie, Schweißgeschwindigkeit, etc...) abhängen und die Simulation lediglich einen gleichmäßigen, und somit nicht realen Temperaturverlauf darstellen. Diese Unterschiede können sich erheblich auf die Ergebnisse auswirken. Überrascht hat die Erkenntnis, dass die Abkühlzeiten aus analytischer Berechnung und Simulati-on sehr gut übereinstimmen. Auch die Abweichungen zu den Messergebnissen liegen in der selben Größenordnung.
Der nächste wichtige Schritt ist die Modellgenerierung. Wie kann man ein Realproblem auf dem Rechner darstellen, ohne zu große Vereinfachungen zu treffen, aber auch den Rechner mit zu komplexen Vorgängen nicht zu überfrachten. All diese Überle-gungen laufen auf einen Kompromiss hinaus, der gewisse Fehler beinhalten, aber das Ergebnis nicht allzu stark beeinflussen darf. Sehr stark wirkt sich dabei die Wahl der Randbedingungen auf die Ergebnisse aus. So sind auf jeden Fall den starren Lage-rungen elastische Bedingungen vorzuziehen.
Sind diese Voraussetzungen und Überlegungen gemacht, kann anschließend die eigentliche Aufgabenstellung – die Eigenspannungsberechnung – gestartet werden. Die ersten Ergebnisse haben gezeigt, dass sich die Ergebnisse und Ergebnisverläufe sehr realitätsnah und plausibel darstellen. Dies ist hauptsächlich auf die im Programm implementierten Materialgesetze zurückzuführen, die die realen metallurgischen Vor-gänge sehr gut abbilden. Untersucht man den Eigenspannungsverlauf während des Schweißprozesses, so erkennt man teilweise in dem an die WEZ grenzenden Grund-werkstoffbereich sehr hohe Druckspannungen. Bei näherer Betrachtung stellt sich heraus, dass diese Spannungen insbesondere bei dünneren Blechen zu einer Stabili-tätsgefährdung führen können. Dieser Stabilitätsproblematik wird durch Berechnun-gen nach Theorie II. Ordnung begegnet. Es wird der Einfluss speziell auf die Verfor-mungen deutlich.
Mittels dieser Erkenntnisse werden Spannungsberechnungen unter Berücksichtigung unterschiedlichster Randbedingungen durchgeführt. Auffallend bei allen Untersuchungen ist, dass die Spannungsmaxima am Rande der WEZ auftreten, während deutlich geringere Werte am Nahtübergang, der eigentlich maßgebenden Stelle für Ermüdungsprobleme, zu verzeichnen sind.
In vorhergehendem Kapitel wurden Zahlenwerte für die unterschiedlichsten Randbe-dingungen an den Nahtübergangsstellen angegeben. Diese Werte sind allerdings nur als Richtwerte anzusehen, die die Größenordnung für die zu erwartenden Eigenspannungen verdeutlichen sollen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass nach obigen Ergebnissen die Eigen-spannungen an den ermüdungsrelevanten Stellen Werte von 100 – 120 N/mm² ergeben – unabhängig von der Legierung. Somit ist zu überlegen, ob das Bonuskonzept nicht modifiziert werden muss, da sicherlich eine 70%-ige oder 100%-ige Ausnutzung der Fließgrenze unterschiedliche Einflüsse auf die Ermüdung haben wird. Auch die Lagerungs-Historie beeinflusst die Ausbildung der Eigenspannungen erheblich. Aus diesem Grunde sollte evtl. noch der Montage- bzw. Herstellprozess der Konstruktion für eine Bewertung von Eigenspannungen mit berücksichtigt werden.

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