Numerische Untersuchungen zu Diffusionsvorgangenin einem ferritischen Stahl infolge eines

Schweißprozesses

Frank Scheiber M.Sc.

Bauhaus Universitat WeimarInstitut fur Konstruktiven Ingenieurbau

Professur Stahlbau

01. Dezember 2010

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Vorbetrachtungen Temperaturfeldsimulation Diffusionssimulation Fazit

Diffusion

Diffusion...

... ist ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmaßigen Verteilungvon Teilchen und somit zur vollstandigen Durchmischung zweier Stoffefuhrt.

tritt im Stahl wahrend starker Werkstofferwarmung auf

betrifft unterschiedliche Stoffe

WasserstoffKohlenstoffStickstoff

meist negative Auswirkungen auf den Stahl

mit Hilfe der Simulation sollen vorausschauende Aussagengetroffen werden

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Grundlagen

Grundlagen Schweißsimulation

Simulation einer MAG-Schweißnaht als V-Naht

Modellierung des Warmeeintrags als Volumenwarmequelle

Volumenwarmequelle nach Goldak [1]

Bauteilabkuhlung durch Konvektion und Warmestrahlung

Materialbeschreibung mittels temperaturabhangiger Materialparameter

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Grundlagen

Simulation

Temperaturfeld nach 10 sec. Schweißzeit [◦C] Temperaturfeld nach 50 sec. Schweißzeit [◦C]

sichtbarer Warmeeintrag in halbellipsoider Form

stetige Warmeausbreitung im gesamten Bauteil

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Grundlagen Simulation Simulationsergebnisse

Grundlagen Diffusionssimmulation

Ubernahme von FE-Modell und Zeitschrittsteuerung aus derTemperaturfeldsimulation

allgemeine Differenzialgleichung der Diffusion:

∂c

∂t= Dx ∗

∂2c

∂x2+ Dy ∗

∂2c

∂y2+ Dz ∗

∂2c

∂z2(1)

Vereinfachung durch Annahme gleicher Diffusionskoeffizienten inallen Koordinatenachsen

∂c

∂t= D ∗ (

∂2c

∂x2+

∂2c

∂y2+

∂2c

∂z2) (2)

DGL der Diffusion (2) ist vom Ansatz her identisch mit DGL desTemperaturfeldes ⇒ Berechnung auf Grundlage der in Ansysvorhandenen, transienten Temperaturfeldsimulation

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Grundlagen Simulation Simulationsergebnisse

Materialparameter

Simulation der Diffusion mittels temperaturabhangigenDiffusionskoeffizienten

Wasserstoffdiffusionskoeffizienten fur den Grundwerkstoff [3]

Wasserstoffdiffusionskoeffizienten fur das Schmelzbad und die Warmeeinflusszone [3]

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Grundlagen Simulation Simulationsergebnisse

Ausgangssituation

Wasserstoffkonzentration vor der Diffusionssimulation [%]

(100 % ≡ 10 cm3

100gFEdiffusibler Wasserstoff)

Annahme nach SEW 088 [5]: 10 [ cm3

100gFE ] diffusibler Wasserstoff in derSchweißnaht, keine diffusible Wasserstoffkonzentration imGrundwerkstoff

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Grundlagen Simulation Simulationsergebnisse

Simulationsende

Wasserstoffkonzentration in der Schweißnaht nach vollstandiger Bauteilabkuhlung [%]

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Fazit

Kopplung von Temperaturfeld- und Diffusionssimulation

realitatsnahe Werkstoffbeschreibung mit Hilfetemperaturabhangiger Materialparameter

Simulation und Optimierung vonWarmenachbehandlungsprozessen ist moglich

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Literatur

[1] Goldak, J.; Chakravarit, A.; Bibby, M.: A New Finite ElementModel for Welding Heat Sources. In: Metallurgical and MaterialsTransaction (1984), Vol. 15B

[2] Seeger, D. M.: Wasserstoffaufnahme und -diffusion inSchweißnahtgefugen hochfester Stahle, Universitat der BundeswehrHamburg, Dissertation, 2004

[3] Viyanit, E.: Numerical Simulation of Hydrogen Assisted Cracking inSupermartensitic Stainless Steel Welds, Universitat der BundeswehrHamburg, Dissertation, 2005

[4] Wichers, M.: Schweißen unter einachsiger, zyklischerBeanspruchung. Experimentelle und numerische Untersuchungen,Technische Universitat Braunschweig, Dissertation, 2006

[5] SEW 088: Schweißgeeignete Feinkornbaustahle; Richtlinien fur dieVerarbeitung, besonders fur das Schmelzschweißen, 1993

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