Schweißeigenspannungen 1
Aus ESOCAETWIKIPLUS
Zusammenfassung
Hier finden Sie eine Folge von 10 Seiten. Zum Selbststudium sehen Sie 30 bis 60 Minuten vor.
Prozesse wie Schweißen oder Wärmebehandlung sind darauf ausgerichtet, dass Stahl gefügt oder verändert wird. Durch eine Erhitzung und auch ein Aufschmelzen und ein anschließendes Abkühlen wird das Ergebnis erreicht. Dabei treten aber auch mechanische Verformungen, Dehnungen und Spannungen (Eigenspannungen) auf. Dies kann vorab durch Simulation berechnet werden. Hier wird in 7 Varianten gezeigt, wie solche Verformungen und Spannungen durch thermisch induzierte Dehnungen, Plastizität, Gefügeumwandlung und TRIP entstehen. In der Simulation wird mit diesen Einflüssen "gespielt" und nachvollziehbar gezeigt, welche Zusammenhänge zwischen Idealisierung und Ergebnis bestehen.
Das Beispiel ist für Ingenieure und Techniker der Mechanik und des Maschinenbaus vorgesehen. Vorkenntnisse in Mechanik und in Wärmebehandlung sind hilfreich.
Aufgabenstellung
Diese Folge von Seiten stellt ein Beispiel dar, das die Entstehung von Eigenspannungen beim Schweißen erläutert. Die gezeigten Zusammenhänge sind für die Simulation von Aufgaben der Strukturmechanik von Bedeutung. Hier wird ein Bauteil aus Stahl zugrundegelegt. Von den Materialdaten hängt ab, welche Dehnungen und Spannungen auftreten.
Das hier zugrunde gelegte Bauteil ist eine einfache Probe (stellen Sie sich vor, es hat Einheits-Abmessungen, die Maße sind hier nicht wesentlich). Der hier simulierte Vorgang soll ein Aufheizen des Bauteils und ein anschließendes Abkühlen sein. Unter der Einwirkung von erhöhten Temperaturen dehnt sich das Bauteil aus. Hier in diesem Beispiel ist die Probe aber zwischen zwei festen, unverschiebbaren Wänden angebracht, so dass Thermospannungen entstehen. Quer dazu kann sich das Bauteil ausdehnen. In der Praxis ist es unmöglich, völlig unverschiebbare Wände zu verwirklichen, gerade bei thermischen Dehnungen treten enorm hohe Kräfte an den Auflagern und Einspannungen auf.
Dieses Beispiel wurde veröffentlicht von Satoh,K.: "Transient Thermal Stresses of Weld Heat-Affected Zone by Both Ends Fixed Analogy", Transaction of the Japan Welding Society, Vol. 3 No. 1, April 1972
In der Praxis wurden die Spannungen in der Probe in der Richtung gemessen, in der die Probe eingespannt ist. Der Verlauf dieser Spannungen über der Temperatur ist hier rechts dargestellt. Die Spannungen nehmen zunächst als Druckspannungen (mit negativem Vorzeichen, also nach unten verlaufend) zu. Dann ist ein Grenzwert zu erkennen, nach dem Plastizität auftritt und der Verlauf abflacht. Zu hohen Temperaturen hin nähert sich die Kurve der Null-Linie an, die Spannungen nehmen ab, das Material wird weicher.
Nach dem Erreichen der maximalen Temperatur ändern sich die Spannungen und werden zu Zugspannungen (mit positivem Vorzeichen, also oberhalb der Null-Linie). Beim Abkühlen wird das Material fester, die Spannungen steigen. Der Kurvenverlauf wird dann weiter beeinflusst durch die Phasenumwandlung und die Umwandlungsplastizität.
Die Messung erlaubt nur, die Spannungen aufzuzeichnen und über die Ursachen und Effekte zu mutmaßen, die hierbei eine Rolle spielen. Die Simulation hat den großen Vorteil, dass wir diese Aufgabe nachvollziehen können und einzelne Ursachen und Effekte hinzunehmen oder ausblenden können.
Hier wird die Simulation mit etwas anderen Materialdaten durchgeführt, es ist also generell mit Abweichungen zwischen Messung und Simulation zu rechnen. In der Tendenz werden aber die Auswirkungen der Effekte erkennbar und vergleichbar sein.
Das wird auf den nächsten Seiten dieser Folge gemacht.
