TY - THES

T1 - Bewertung der Betriebsfestigkeit von Unterpulverschweißnähten basierend auf einer Schweißstruktursimulation

AU - Ottersböck, Markus

N1 - gesperrt bis 11-10-2018

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Durch den stetig vorangetriebenen Leichtbaugedanken ist eine möglichst genaue Abschätzung der Betriebsfestigkeit geschweißter Verbindungen unerlässlich. Die lokale Nahtübergangstopographie, Eigenspannungen und unterschiedliche Gefügezonen, welche durch den Schweißprozess ausgebildet werden, beeinflussen hierbei die Lebensdauer maßgeblich. Aufgrund der limitierten Anwendung von analytischen Methoden bei komplexen Strukturen werden zunehmend lokale Konzepte eingesetzt, welche auf numerisch ermittelten Beanspruchungen basieren. Bisher noch nicht durchgehend eingesetzt wird dabei die transiente Schweißstruktursimulation zur numerischen Berücksichtigung der Schweißung auf die Struktur. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, die anhand einer Schweißstruktursimulation ermittelten Schweißeigenspannungen in die numerische Betriebsfestigkeitsbewertung zu implementieren. Zusätzlich werden die unterschiedlichen lokalen Eigenschaften von charakteristischen, durch den Schweißprozess entstandenen, Gefügezonen im Hinblick auf die Lebensdauer berücksichtigt. Die gesamte Simulationskette wird in Anlehnung an eine zweilagige Unterpulverschweißnaht aufgebaut. Im Zuge der Arbeit werden auch die maßgeblichen technologischen Herstellungsprozesse, wie die mechanische Bearbeitung des geschweißten Bleches zur finalen Probengeometrie und dem Recken zur Eigenspannungshomogenisierung, abgebildet. Für die thermisch-mechanisch gekoppelte Schweißstruktursimulation wird das Finite-Elemente-Softwarepaket Sysweld verwendet. Es werden dabei die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften der einzelnen Gefügezonen eines Stahls sowie deren Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten berücksichtigt. Die numerisch ermittelten Schweißeigenspannungen werden durch röntgenographische Messungen an der betrachteten Unterpulverschweißnaht validiert. Die numerische Abschätzung der Lebensdauer der eigenspannungsbehafteten Schweißproben erfolgt mit der Software Femfat. Die dabei benötigten lokalen Schwingfestigkeitsdaten liefern experimentelle Ermüdungsversuche, welche sowohl am Grundmaterial als auch an einzelnen charakteristischen Gefügezonen durchgeführt werden. Eine abschließende Gegenüberstellung der Lebensdauer basierend auf Simulation und Versuch zeigt die wesentlichen Vorteile und auch Anwendungsgrenzen der vorgestellten Methodik auf.

AB - Durch den stetig vorangetriebenen Leichtbaugedanken ist eine möglichst genaue Abschätzung der Betriebsfestigkeit geschweißter Verbindungen unerlässlich. Die lokale Nahtübergangstopographie, Eigenspannungen und unterschiedliche Gefügezonen, welche durch den Schweißprozess ausgebildet werden, beeinflussen hierbei die Lebensdauer maßgeblich. Aufgrund der limitierten Anwendung von analytischen Methoden bei komplexen Strukturen werden zunehmend lokale Konzepte eingesetzt, welche auf numerisch ermittelten Beanspruchungen basieren. Bisher noch nicht durchgehend eingesetzt wird dabei die transiente Schweißstruktursimulation zur numerischen Berücksichtigung der Schweißung auf die Struktur. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, die anhand einer Schweißstruktursimulation ermittelten Schweißeigenspannungen in die numerische Betriebsfestigkeitsbewertung zu implementieren. Zusätzlich werden die unterschiedlichen lokalen Eigenschaften von charakteristischen, durch den Schweißprozess entstandenen, Gefügezonen im Hinblick auf die Lebensdauer berücksichtigt. Die gesamte Simulationskette wird in Anlehnung an eine zweilagige Unterpulverschweißnaht aufgebaut. Im Zuge der Arbeit werden auch die maßgeblichen technologischen Herstellungsprozesse, wie die mechanische Bearbeitung des geschweißten Bleches zur finalen Probengeometrie und dem Recken zur Eigenspannungshomogenisierung, abgebildet. Für die thermisch-mechanisch gekoppelte Schweißstruktursimulation wird das Finite-Elemente-Softwarepaket Sysweld verwendet. Es werden dabei die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften der einzelnen Gefügezonen eines Stahls sowie deren Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten berücksichtigt. Die numerisch ermittelten Schweißeigenspannungen werden durch röntgenographische Messungen an der betrachteten Unterpulverschweißnaht validiert. Die numerische Abschätzung der Lebensdauer der eigenspannungsbehafteten Schweißproben erfolgt mit der Software Femfat. Die dabei benötigten lokalen Schwingfestigkeitsdaten liefern experimentelle Ermüdungsversuche, welche sowohl am Grundmaterial als auch an einzelnen charakteristischen Gefügezonen durchgeführt werden. Eine abschließende Gegenüberstellung der Lebensdauer basierend auf Simulation und Versuch zeigt die wesentlichen Vorteile und auch Anwendungsgrenzen der vorgestellten Methodik auf.

KW - Fatigue life

KW - High-strength steel

KW - Weld structure simulation

KW - Betriebsfestigkeit

KW - Hochfeste Stähle

KW - Schweißstruktursimulation

M3 - Diplomarbeit

ER -