Numerische Schweißsimulation - Bestimmung von Temperatur, Gefüge und Eigenspannung an Schweißverbindungen aus Stahl- und Glaswerkstoffen

Hildebrand, Jörg GND

Die Komplexität des Schweißprozesses und das Verhalten der Werkstoffe infolge des Energieeintrages erfordern eine umfassende Betrachtungsweise. Die Entwicklung von numerischen Modellen und Methoden in den letzten 50 Jahren ermöglicht die Simulation, Analyse und Optimierung von Schweißverbindungen hinsichtlich Temperatur, Gefügestruktur und Eigenspannungen. Eine Differenzierung der Schweißsimulation in Prozess-, Werkstoff- und Struktursimulation gestattet eine gezielte Untersuchung von einzelnen Aspekten. Diese Unterteilung erfordert zum Teil eine starke Abstraktion und Idealisierung der Realität durch geeignete Annahmen und Randbedingungen, die von der zu untersuchenden Fragestellung abhängen. Dadurch wird eine Kalibrierung und Verifikation der Modelle mit Versuchsergebnissen notwendig. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen beschäftigen sich mit wichtigen Fragestellungen hinsichtlich der numerischen Simulation und experimentellen Untersuchung des Temperaturfeldes sowie des Gefüge- und Eigenspannungszustandes von MAG-Schweißverfahren an den Werkstoffen Feinkornbaustahl und Duplex-Stahl, CO2-Laserstrahlschweißverfahren am Werkstoff Quarzglas, Trennprozessen von Proben, WIG-Nachbehandlungsverfahren. Hinsichtlich der Naht- und Stoßarten orientierte sich die Arbeit an baupraktisch relevanten Schweißverbindungen sowie Besonderheiten, die sich aus Schweißprozessen und unterschiedlichen Werkstoffen ergeben. Eine Interpretation der numerisch und experimentell ermittelten Ergebnisse ermöglicht die Ableitung von allgemeingültigen Erkenntnissen zur Ausbildung des Temperaturfeldes, Entstehung von Gefügestrukturen und Eigenspannungen. Voraussetzungen für eine realitätsnahe Schweißsimulation zur Bestimmung von Temperatur, Gefügeanteil und Eigenspannung sind neben den Geometriemodellen geeignete numerische Modelle für die Einkopplung der Energie aus dem Schweißprozess und für die Abgabe der Energie durch Konvektion und Strahlung an die Umgebung, zur Beschreibung des thermischen und mechanischen Werkstoffverhaltens im Bereich von Raumtemperatur bis zur Schmelztemperatur.

In the last 50 years simulation, analysis and optimization of welded joints makes the development possible of numerical models and methods for determination of temperature, microstructure and residual stress. A differentiation of welding simulation in process, material and structural simulation is possible for a purposeful investigation of individual aspects. This partitioning requires a strong abstraction and idealization of the reality with boundary conditions. Calibrations and verifications of the models with test results are necessary. The investigations concern with important questions in regard to the numerical simulation and experimental investigation of temperature field as well as microstructure and residual stresses of MAG-welding at the materials fine-grain structural steel and duplex steel, CO2-laser welding at the material quartz glass, separation processes of samples, post welding process with TIG.

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Hildebrand, Jörg: Numerische Schweißsimulation - Bestimmung von Temperatur, Gefüge und Eigenspannung an Schweißverbindungen aus Stahl- und Glaswerkstoffen. 2009.

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