Schweißnaht
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: weld seam Kategorie:
Maschinenbau Level 3
Eine Simulation von Schweißnähten erfolgt im allgemeinen mit dem Ziel,
- die Vorgänge und Folgen der Herstellung der Schweißnaht zu bestimmen (siehe Schweißsimulation) oder
- für die ausgeführte Schweißnaht einen Festigkeitsnachweis zu erbringen.
Für alle diese Zielsetzungen ist es weitgehend üblich, die Finite-Element-Methode einzusetzen.
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Schweißsimulation: Herstellung der Schweißnaht
Die Simulation der Herstellung einer Schweißnaht wird auch Schweißsimulation genannt. Bei dieser Simulation wird das Temperaturfeld simuliert, das sich beim Aufwärmen und Abkühlen des Bauteils im Nahtbereich einstellt. Damit verbunden wird die mögliche Verschiebung der Nahtflanken vor dem Schweißpunkt und die Verbindung der Nahtflanken hinter dem Schweißpunkt berücksichtigt (Kontakt). Abhängig vom Schweißverfahren (Gas, Lichtbogen, Laser, Reibrühr, Elektronenstrahl,..) wird eine geeignete Verteilung der Wärmezufuhr ausgewählt. Bei Stahlwerkstoffen muss auf Gefügeumwandlung geachtet werden. Mit einer Simulation der Strukturmechanik werden die Einspannbedingungen und die thermischen Dehnungen und die daraus resultierende Spannungsverteilung und der nach dem Prozess bleibende Eigenspannungszustand berechnet. Für Stahlwerkstoffe können auch die Gefügebestandteile nach der Gefügeumwandlung und die Härte die Berechnungsziele sein.
In der nebenstehenden Abbildung ist das Modell einer Mehrlagen-Schweißnaht gezeigt.
Nachweis der ausgeführten Schweißnaht
Für den Nachweis der ausgeführten Schweißnaht wird die Strukturmechanik des Bauteils unter betrieblichen Lasten simuliert. Bei der Bewertung wird mit den Spannungen oder den Schnittgrößen (Kräften, Momenten) im Schweißnaht-Bereich im Vergleich mit Grenzwerten aus geeigneten Regelwerken nachgewiesen, dass das Bauteil angemessen konstruiert ist.
Für jede Branche gibt es dabei eigene Regelwerke zu beachten, z.B.
- DIN 18800 Teil 1
- DIN 4113
- Eurocode 3 und 9
- DVS 952 und 1608 (Schienenfahrzeuge)
- DIN 15018 (Kranbau)
- FKM-Richtlinie (Forschungskuratorium Maschinenbau e.V.)
- IIW-Empfehlungen (International Institute of Welding, Internationaler Verband für Schweißtechnik)
- Regeln des GL, DNV,.. für die Klassifikation im Schiffbau
Im Maschinenbau sind die IIW-Richtlinie, die FKM-Richtlinie und der Eurocode die am verbreitesten nicht Branchengebundenen Regelwerke.
Generell können Schweißnahtnachweise in 3 Kategorien unterteilt werden.
1. Nennspannungskonzepte: Älteste Kategorie, daher die Nachweisart mit der größten Erfahrungs-Datenmenge. Hier wird der Schweißnahtnachweis aufgrund von Nennspannungen geführt. Die Nennspannung erhält man, wenn die Schnittlasten auf den nachweisrelevanten Querschnitt bezogen werden. Man muss dazu also den Querschnitt der Schweißnaht betrachten und die Schnittlasten (Kräfte, Momente) an diesem Querschnitt bestimmen.
2. Strukturspannungskonzepte (Hot Spot Approach): Hier werden Spannungen in bestimmten Abständen von der Schweißnaht ausgewertet und auf die Schweißnaht extrapoliert. Der Nachweis erfolgt mit diesen Spannungen.
3. Lokale Konzepte, örtliche Spannungen, Kerbspannungskonzept: Hier sind Modellierungsvorschriften einzuhalten: z.B. wird im FEM-Modell für Wanddicken > 5 mm (Grobbleche) die Nahtübergangs- und Wurzelkerbe der Schweißnaht mit einem Referenzradius von 1 mm und für Wanddicken < 5 mm (Feinbleche) mit einem Referenzradius von 0,05 mm ausgerundet. Der Nachweis erfolgt mit den lokalen Spannungen mit Referenz-Wöhlerlinien. Erfahrungen haben gezeigt, dass diese Referenz-Wöhlerlinien zwar abhängig von der Werkstoffgruppe (Stahl, Aluminium), aber unabhängig vom Versagensort (Übergangs-, Wurzelkerbe) sind.
Beispiel
Nennspannungskonzept
In der Abbildung rechts ist ein Behälter gezeigt. In Teilbild a sieht man den gesamten Behälter als Volumen-CAD-Modell. Es ist ein zylindrischer liegender Behälter mit gerundeten Böden und einem mittig unten angebrachten großen Mannloch, das durch einen flachen Deckel verschlossen ist. Der Behälter ist durch zwei Tragpratzen (Stegbleche) seitlich neben dem Mannloch aufgelagert. Für die Simulation wird aus Symmetriegründen eine Hälfte modelliert und aus den Volumen die Mittelflächen der Bleche abgeleitet, Teilbild c. Im Betrieb ist der Behälter mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Gewicht deutlich die Wandung verformt. Diese Verformung ist qualitativ in Teilbild b dargestellt.
Die Schweißnähte, die an dieser Konstruktion nachgewiesen werden, sind in Teilbild d in der Ansicht von schräg unten zu erkennen. Die Verbindungen der Behälterwandung zum Mannloch und zum Deckelflansch sind als halbrunde Linienzüge erkennbar. An der Tragpratze ist die Verbindung an der Wandung und der Eckstoß zum Querblech als Schweißnaht vorhanden. Hier in diesem Teilbild ist die Bewertung der Nennspannungen an diesen Nähten gezeigt. Dabei wurden die jeweiligen Schnittlasten an der Verbindung und der Querschnitt der Verbindung zur Bestimmung der Nennspannung verwendet und direkt entsprechend der FKM-Richtlinie die zulässigen Grenzwerte zur Anzeige der vorhandenen Sicherheit zugrunde gelegt.
Näheres zu diesem Beispiel finden Sie auch bei cadfem.de/openhouse
Örtliche Spannungen
In der hier rechts dargestellten Abbildung ist für den darüber gezeigten Behälter ein Nachweis mit örtlichen Spannungen gezeigt. An dem Auslauf der Verbindungsnaht der Tragpratze zur Behälterwandung (siehe Teilbild a) ist eine lokale Erhöhung der Spannungen zu sehen. Diese wird mit einem Detailmodell simuliert. In Teilbild b kann man erkennen, dass hierbei das Volumen-CAD-Modell direkt zugrunde gelegt wurde. Der Nahtquerschnitt (also das zusätzliche Material mit der schrägen Seitenfläche) wurde zusätzlich im Modell eingefügt. Bei der Diskretisierung wurden Tetraeder-Volumen-Elemente verwendet. Als Rundungsradius für die Nahtübergangs- und Wurzelkerben des Nahtquerschnittes wurde 1 mm eingesetzt. Es ist zu erkennen, dass ein sehr feines Netz von Elementen und Knoten entsteht.
In Teilbild c und in weiterer Vergrößerung in Teilbild d sind die Spannungen (Vergleichsspannung) zu sehen, die mit diesem Modell berechnet wurden. Diese Spannungen sind direkt vergleichbar mit denjenigen Werten, die experimentell gemessen werden können. Durch die detaillierte Modellierung wird so genau wie möglich die lokale Verteilung der Spannungen simuliert und zur Bewertung bereitgestellt.
Näheres zu diesem Beispiel finden Sie auch bei cadfem.de/openhouse
Sonstige Begriffe
- Schweißsimulation: Simulation des Fertigungsvorganges bei einer Schweißung mit dem Ziel, die Vorgänge und Folgen der Herstellung der Schweißnaht zu bestimmen.
- Härte: Materialeigenschaft. In der Technik ist im wesentlichen die Härte bei Stahlwerkstoffen wichtig.
