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Simulationsgestützte Einflussanalyse der Eigenspannungs- und Verzugsausbildung beim Schweißen mit artgleichen und nichtartgleichen Zusatzwerkstoffen
Neubert, Sebastian
Die Hauptanliegen dieser Arbeit bestehen darin, den Einsatz der Schweißstruktursimulation durch eine Reduzierung des werkstoffbezogenen Modellierungsaufwandes zu fördern und einen Beitrag zum Verständnis der Anwendung von hochfesten hochlegierten Zusatzwerkstoffen beim Verschweißen hochfester, niedriglegierter Feinkornbaustähle zu liefern. Im Fokus stehen dabei numerische Einflussanalysen zur Ausbildung von Schweißeigenspannungen (SE) und des Schweißverzugs (SV). Da aktuell ein noch mangelhaftes Verständnis bezüglich der Wirkungsmechanismen zur SE- und SV-Ausbildung beim Schweißen unter Einsatz von LTT-Legierungen besteht, orientiert sich diese Arbeit an dem recht einfachen Fall einer einlagigen latent schrumpfenden Stumpfstoßkonfiguration um bereits schon im Vorfeld zukünftiger Studien die wesentlichsten Einflussgrößen separieren zu können.
Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit bezieht sich auf den Aufbau konsistenter thermomechanischer Modelle, welche in der Lage sind, die SE, den SV und die Festphasenverteilung echter Schweißreferenzfälle experimentell abgesichert wiederzugeben. Die in den Datenbanken zu hinterlegenden Materialkennwerte werden dabei an den gleichen Stahlchargen der Referenzfälle ermittelt. Die Grundwerkstoffe bestehen aus hochfesten Feinkornbaustählen, deren Fügespalt unter Einsatz von artgleichen und nicht artgleichen Zusatzwerkstoffen mittels MAG-Verfahrens überbrückt wird. Da das MAG-Verfahren beim verschweißen hochfester Stähle häufig in der Praxis eingesetzt wird, können somit die hier gewonnenen Erkenntnisse ein breites und anwendernahes Publikum erreichen.
Zur Reduktion des experimentellen Aufwandes wird die Charakterisierung des thermome-tallurgischen /-mechanischen Werkstoffverhaltens unter Einsatz von nur einer Testanlage (Gleeble®3500) mit Hilfe einer einheitlichen und zugleich geometrisch einfachen Flachpro-bengeometrie vollzogen.
Die an den Referenzfällen validierten thermomechanischen Modelle werden für numerische Einflussanalysen werkstoffbezogener Kenngrößen genutzt, wobei die Änderungen der SE und des SV im Mittelpunkt stehen. Als Einflussgrößen werden die Genauigkeit und Anzahl der vorzugebenden Warmzugkurven, die umwandlungsplastischen Parameter und die martensitischen LTT-Umwandlungstemperaturen zu betrachtet.
Ein weiterer Analyseschwerpunkt liegt auf dem Phänomen der diskontinuierlichen Aufmischung, indem zum einen der Einsatz höher legierter LTT-Zusatzwerkstoffe simuliert und zum anderen der inhomogene Aufmischungsgrad variiert wird. Es gilt zu prüfen, in welchem Ausmaß die SE-Gradienten innerhalb des Schweißgutes durch die inhomogene Umwandlung auftreten können und inwieweit sich diese zwischen latent schrumpfenden und fest eingespannten Schweißverbindungen unterscheiden können.
The primary concerns of this work are aligned to promote the use of numerical weld simulation by reducing the material-related modeling efforts and to contribute to the understanding to the application of high-strength high-alloyed filler materials used for fusion welding of high-strength low-alloyed fine-grained steels. The focus will be on numerical analyses related to the formation of residual welding stresses (RS) and weld distortion (WD). Currently, there is a poor understanding with regard to the working mechanisms of RS- and WD-formation by fusion welding with LTT-filler materials. Therefore, in advance of future studies, this work orients itself on the relative simple case of a free shrinking single-pass butt weld to separate the most influencing factors.
A major goal of this work concerns the development of consistent thermomechanical modells, which are able to reproduce the RS, WD and solid phase distribution of real butt-welds used as references cases. The material database for the numerical weld simulation is build up by material properties, which are determined on the same heat of the material of the real butt-welds. Two sheets of the base material are given by high-strength low-alloyed fine-grained steels, where the fusion gap is bridged by MAG-welding using similar and dissimilar filler materials. Since the MAG-process is frequently used in practice for fusion welding of high-strength steels, the knowledge gained can reach a broad and costumer-centered audience.
In order to reduce the experimental efforts, the characterization of the thermometallurgical and thermomechanical material behaviour will be determined by use of a single testing facility called Gleeble®3500. Furthermore, a uniform and geometrically simple flat specimen is employed.
The thermomechanical modells, which are validated against the real reference weld cases, will be used for numerical analyses regarding to material related characteristic values, whereby the change of RS and WD is focused. The influencing parameters to be examined are the accuracy and the necessary amount of the predefined hot tensile curves implemented into the material database, the transformation induced plasticity parameters and the martensitic LTT-transformation temperatures.
A further analytical focus involves the phenomenon of the discontinuous dilution. Here, the use of even more highly alloyed LTT-filler materials will be simulated and the inhomogeneous degree of dilution will be varied. It needs to be examined to what extend RS-gradients can occur within the weld metal caused by inhomogeneous transformation and how far RS-gradients can differ between free shrinking and strongly fixed butt welds.
