Round Robin - Validierung berechneter Schweißeigenspannungen


Zur Wahl des Verfestigungsmodells bei der Berechnung von Schweißeigenspannungen

Durchgeführt von Ingenieurbüro Tobias Loose

Mit dem Projekt beteiligen sich die Partner an dem IIW Round Robin Ringversuch zur Validierung berechneter Schweißeigenspannungen. Die Veröffentlichung dieser Arbeit wurde 2009 auf dem 9th International Seminar Numerical Analysis of Weldabilaty in Seggau / Österreich mit dem Keneth Easterling Best Paper Award ausgezeichnet.

Projektpartner:
Prof. Dr.-Ing. Helmut Wohlfahrt
Dr.-Ing. Jens Sakkietibutra
Das Projekt wurde von den beteiligten Projektpartnern privat finanziert.

Veröffentlichungen
  • Wohlfahrt, H. ; Nitschke-Pagel, T. ; Dilger, K. ; Siegele, D. ; Brand, M. ; Sakkiettibutra, J. ; Loose, T.: Residual Stress Calculations and Measurements - Review and Assessment of the IIW Round Robin Results. In: Welding in the world 56 (2012), Nr.9-10, S.120-140

  • Wohlfahrt, H. ; Nitschek-Pagel, T. ; Dilger, K. ; Siegele, D. ; Brand, M. ; Sakkiettiebutra, J. ; Loose, T. : IIW Round Robin Residual Stress Calculations and Measurements - Review and Assessment of the Results. IIW-Dokument X-1686-10, XIII-2349-10, XV-1359-10, 2011

  • Wohlfahrt, H. ; Sakkiettibutra, J. ; Loose, T. ; Brand, M. ; Siegele, D. Nitschke-Pagel, T. Report on the Round Robin Tests on Residual Stresses 2009, Joint Working Group of Commission X/XIII/XV, New calculations checking an adequate materials law, New results on distortion measurements. Singapur, 2009

  • Loose, T. ; Sakkiettibutra, J. ; Wohlfahrt, H. : New 3D-Calculations of residual stresses consistent with measured results of the IIW Round Robin Programme. In: Cherjak, H. (Ed.) ; Enzinger, N. (Ed.) : Mathematical Modelling of Weld Phenomena Bd. 9,
    Verlag der Technischen Universität Graz, 2010

  • Sakkiettibutra, J. ; Vollertsen, F. ; Loose, T. ; Wohlfahrt, H. : Zur Wahl des Verfestigungsmodells bei der Berechnung von Schweißeigenspannungen.
    In: Tagungsband Sysweld Forum 2009, S. 21 - 33
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  • Beispiel:
    IIW Round Robin

    Vergleich berechneter Längseigenspannungen und gemessener Längseigenspannungen (IIW Round Robin Ringversuch):
    Eigenspannungs-Abgleich

    Zusammenfassung

    Neueren Untersuchungen zufolge können bei der Berechnung von Schweißeigenspannungszuständen die maximal auftretenden Zugeigenspannungen durch Wahl eines ungeeigneten Verfestigungsmodells unterschätzt werden. Da die maximalen Zugeigenspannungen das Verhalten geschweißter Bauteile unter bestimmten Beanspruchungsarten sehr nachteilig beeinflussen, erscheint eine eingehende Diskussion der Frage welches Materialgesetz je nach geschweißtem Werkstoff angewendet werden muss, um korrekte Angaben zum möglichen Maximalwert der Zugeigenspannungen zu erhalten, unumgänglich.

    Nachfolgend wird über die Ergebnisse von 3D-Berechnungen berichtet, die für einen austenitischen Stahl und den Baustahl S355 das Modell der isotropen Verfestigung anwenden und mit den Resultaten von Messungen sowie von Berechnungen mit verschiedenen gemischten Verfestigungsmodellen vergleichen. Die bei Annahme rein isotroper Verfestigung erzielten Berechnungsergebnisse zeigen stets eine recht gute, zum Teil nahezu vollkommene Übereinstimmung mit den Messergebnissen und geben maximale Zugeigenspannungsbeträge weitgehend korrekt wieder. Die Berechnung der schweißbedingten Verformungen und Verfestigungen bringt dabei wichtige Hinweise für die Diskussion der verschiedenen Ergebnisse.

    Zusätzliche Berechnungen der Schweißeigenspannungen mit dem Modell der kinematischen Verfestigung weisen erhebliche Unterschiede zu denen mit dem Modell isotroper Verfestigung als auch zu den Messergebnissen auf. Die Unterschiede können beim Austenit im Detail mit der unterschiedlichen Berücksichtigung des Bauschingereffektes erklärt werden. Hierbei muss man in Rechnung stellen, dass die Wirksamkeit des Bauschingereffektes je nach Werkstoff und außerdem je nach Verformungstemperatur unterschiedlich stark ist. Da die sich beim Schweißen ergebenden plastischen Verformungen und Spannungen gerade bei erhöhten Temperaturen eintreten, erscheint eine Nichtbeachtung des Bauschingereffektes bei Anwendung des Modells der isotropen Verfestigung, wie die Ergebnisse bestätigen, gerechtfertigt.

    Die starken Abweichungen von den Messergebnissen und eine Überschätzung maximaler Zugeigenspannungen, wie sie bei Berechnungen mit dem Modell kinematischer Verfestigung beim umwandlungsbehafteten Stahl S355 auftreten, lassen sich ebenfalls mit der nicht gerechtfertigten Berücksichtigung des Bauschingereffektes begründen. Dieser kann bei dem umwandlungsbehafteten Stahl verformungsbedingte Verfestigungen bzw. Streckgrenzenerhöhungen in Rechnung stellen, die aufgrund der Gefügeumwandlungen gar nicht wirksam werden.