Simulationsgestützte Einflussanalyse der Festphasenumwandlung auf die Schweißeigenspannungen bei Verwendung martensitischer Zusatzwerkstoffe
Final Report Abstract
Hauptmerkmal des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die Entwicklung eines numerischen Simulationsmodells, welches die Eigenspannungen hochfester einlagiger Schweißverbindungsreferenzfälle nachbildet. Die per MAG-Schweißprozess zusammengeführten Grund- und Zusatzwerkstoffe differieren signiflkant in ihren Festigkeitsklassen. Hierbei unterscheiden sich insbesondere die Zusatzwerksoffe unter Einbeziehung eines mit Chrom und Nickel hochlegierten Materials in ihrem Festphasenumwandlungsverhalten. Das Simulationsmodell wurde mit Hinblick auf die Nachbildung des transienten Temperaturverlaufs, der Festphasenverteilung und der Schweißeigenspannungen experimentell validiert. Dabei dienen Röntgen- und Neutronenbeugungsexperimente als Validierungsgrundlage für die verbleibenden Schweißeigenspannungen. Basierend darauf sind erste Einflussanalysen der Umwandlungsplastizität und der Festphasenumwandlung auf den Schweißeigenspannungszustand geschehen. Für die Schweißstruktursimulation unter Beachtung der beteiligten Festphasenumwandlung kam die FE-Software SysWeld als Simulationswerkszeug zum Einsatz. Die zur FE-Simulation notwendigen Materialkennwerte der betrachteten Werkstoffe (S355J2+N, S960QL, CN 13/4-IG) wurden durch physikalische Werkstoffsimulation an dem thermomechanischen Simulator Gleeble3500 generiert. Versuchsplanung und Methodikenentwicklung geschah im Rahmen von Voruntersuchungen, wobei Erkenntnisgewinne aus ersten FE-Simulationsergebnissen einflossen und daraus eine geeignete Flachprobengeometrie für alle Versuche hervorging. Innerhalb der Gleeble3500-Versuchsreihe kam es unter Einhaltung einer konstanten Dehnratengrößenordnung zu einfachen Warmzug- und zyklischen Warmzug-/stauch-Experimenten. Um viskose Hochtemperatureffekte zu berücksichtigen, erfolgte eine zweite Versuchsreihe mit temperaturveränderlichen Dehnraten. Zusätzlich zur Klassiflzierung des Festphasenumwandlungsverhaltens geschah eine Charakterisierung der Umandlungsplastizität mittels einer vereinfachten Versuchs- und Auswertemethodik. Während der Entwicklung des Simulationsmodells führten Netzkonvergenzstudien zu einer rechenzeitoptimierten FE-Netzstruktur, wobei gleichzeitig eine ausreichende Ergebnisgenauigkeit gewahrt wurde. Grundlegend für die Nachbildung des transienten Temperaurverlaufs und den Schweißeigenspannungen gingen umfangreiche Berücksichtigungen der thermischen und mechanischen Randbedingungen der Referenzfälle in das Modell ein. Es zeigte sich eine Nichteignung der Grundeinstellungen des SysWeld-SoWers, den visuell erfassten Schweißverzug und die gemessenen Schweißeigenspannungen der 6 mm starken Bleche abzubilden. Darauf wurde eine ausgiebige Studie hinsichtlich der verwendeten numerischen Modelle in Bezug auf die Eigenspannungs- und qualitative Endverzugsausbildung durchgeführt. Der Einsatz komplexerer numerischer Modelle führte zu signifikant verbesserten Ergebnissen. Als Resultat der vorhergehenden Methodik konnte ein thermisch und mechanisch experimentell validiertes Simulationsmodell der artgleichen S3SSJ2+N-Schweißverbindung erstellt werden, welches die Schweißeigenspannungen erfolgreich nachbildet. Hinsichtlich Umwandlungsplastizität und Umwandlungskinetik der Grund- und Zusatzwerkstoffe erfolgten numerische Variationsrechnungen und deren Auswertung bezüglich des Einflusses auf die Schweißeigenspannungen. Anschließend an dieses Vorhaben erfolgen Auswertung und Implementierung der mittels Gleeble3500-Messungen gewonnen Materialkennwerte in die SysWeld-Software. Mit Hilfe dieser Daten kann die Validierung der verbleibenden Schweißverbindungsreferenzfälle erfolgen. Daraufhin kommt es unter Variation der thermomechanischen und thermophysikalischen Materialparameter zu Einflussanalysen bezüglich der Schweißeigenspannungsausbildung. Um die Schweißeigenspannungsgradienten im Volumen der hochfesten S960QL-Schweißverbindungen im Bereich der Schweißnaht zu validieren, werden die derzeit noch ausstehenden, aber bereits genehmigten Neutronenbeugungsexperimente als Validierungsmittel genutzt. Das entwickelte Simulationsmodell stellt somit die Grundlage für die numerische Abbildung von 2-Lagen-Schweißverbindungen dar.
