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Schweißsimulation dickwandiger Bauteile aus Stahl

"Optimierung von Verzug und Eigenspannungen beim Schweißen dickwandiger Bauteile" ist der Titel des Forschungsvorhabens, das seit Mitte des Jahres 2008 bearbeitet wurde. Ziel war die Untersuchung, Bewertung und Vorhersage schweißbedingter Verzüge und Eigenspannungen bei Mehrlagenschweißungen am unlegierten Baustahl S355J2+N. Unter der Leitung von Professor Dr.-Ing. Michael Rethmeier (links im Bild) arbeiteten die Mitarbeiter der Fachgruppe V.5 "Sicherheit gefügter Bauteile" der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin, an dem Projekt und brachten es Ende des Jahres 2010 zu einem erfolgreichen Abschluss. Das teilt die Forschungsvereinigung Stahlanwendung (Fosta) nun mit.

Aufgrund der Komplexität der thermophysikalischen und thermomechanischen Vorgänge beim Mehrlagenschweißen stellt die Schweißsimulation dickwandiger Bauteile hohe Anforderungen an kommerziell verfügbare Schweißsimulationssoftware, erklärt die Forschungsvereinigung. Das umfasse die während des Fügeprozesses induzierten Verzüge und Eigenspannungen in das gefertigte Bauteil, die zur Beurteilung der Fertigungsqualität von Bedeutung seien. Gerade in dickwandigen Bauteilen ist der Spannungszustand bedingt durch die konstruktive Steifigkeit der einzelnen Bauteile beziehungsweise der gesamten Baugruppe sowie aufgrund zusätzlicher externer Einspannvorrichtungen bei der Fertigung sehr komplex. Hinzu kommen bei Werkstoffen mit Phasenumwandlung die metallurgisch verursachten Spannungszustände, bei mehrlagig ausgeführten Schweißverbindungen die wiederholte thermische und umwandlungsbedingte Spannungsausbildung. Eine überschlägige Abschätzung des gesamten Verformungs- und Spannungszustandes ist auch für Experten in der Regel nicht mehr möglich, so die Vereinigung. Die vorherrschenden Verformungen und Spannungen bestimmen jedoch die Eigenbeanspruchung der Schweißkonstruktion und damit deren Belastbarkeit im Betrieb. Eine genaue Kenntnis dieser Daten würde wertvolle Informationen zur Qualitätsoptimierung des Endproduktes liefern, heißt es.

Dementsprechend was Ziel des Vorhabens schweißbedingte Verzüge und Eigenspannungen bei Mehrlagenschweißungen am unlegierten Baustahl S355J2+N zu untersuchen, bewerten und vorherzusagen. Dabei stellen die Aspekte Phasenumwandlung und Anlassverhalten einen Kernpunkt der numerischen Untersuchungen dar. Die Ergebnisse der Analysen sollten für die Optimierung von Verzug und Eigenspannungen beim Schweißen dickwandiger Bauteile genutzt werden, erklärt Fosta. Weiterhin hätten Praktikabilität und Anwendbarkeit der verwendeten Finite-Element-Software hinsichtlich realitätsnaher Abbildung der ablaufenden Prozesse, Rechenzeit und Nutzeranforderungen im Fokus des Vorhabens gestanden.

Die Komplexität der Untersuchungen, von der einlagigen Schweißprobe bis hin zum vierlagig geschweißten Versuchsblech mit hoher Bauteilanalogie, gewährleistete die Analyse von geometrischen Einflüssen (Blechlänge, Heftstellen, An- und Auslaufblechen) und Phasenumwandlungen auf die numerische Berechnung von schweißbedingten Eigenspannungen und Verzügen. Potenziale zur Optimierung der Berechnung von Eigenspannungen und Verzügen im Zusammenhang mit dem Umwandlungsverhalten ließen sich aufzeigen, erklärt die Forschungsvereinigung. Zusätzlich seien mithilfe eines Mehrlagenmodells die Möglichkeiten der Schweißsimulation zur Vorhersage von Eigenspannungen und Verzug sowie zur Sensitivitätsanalyse von relevanten Prozessgrößen, beispielsweise Vorwärm- oder Zwischenlagentemperatur, dargestellt worden.

Das industrielle Gemeinschaftsforschungsvorhaben "Optimierung von Verzug und Eigenspannungen beim Schweißen dickwandiger Bauteile" der Fosta wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministeriums Wirtschaft und Technlogie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Fosta-Mitglieder sind Stahlhersteller, stahlverarbeitende Unternehmen und Forschungsinstitute.
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