Thermomechanische Finite Elemente Analyse von Mehrlagenschweißungen unter Berücksichtigung der lokalen Gefügeumwandlungen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bereitstellung der Grundlagen für numerische Untersuchungen von mehrlagigen Lichtbogenschweißungen aus dem Baustahl S355J2+N. Den Schwerpunkt der Analysen bildet die Berücksichtigung der Gefügeumwandlungen und die daraus resultierenden Gefügeeigenschaften und Eigenspannungszustände aufgrund der mehrfachen Temperatureinwirkung. Die Bewertung des Einflusses der mehrfachen Erwärmung auf die Gefügeumwandlungen und auf die mechanischen Eigenschaften erfolgt durch systematische physikalische Simulationen des Schweißgefüges mit einer Gleeble. Die ermittelten Zusammenhänge und gefügeabhängigen thermomechanischen Werkstoffkennwerte dienen der Kalibrierung des Simulationsmodells. Die begleitenden experimentellen Untersuchungen an den Mehrlagenschweißungen liefern umfassende Messdaten für die Validierung der numerischen Simulationen. Aus den Messungen liegen Daten über Temperatur-Zeit-Verläufe, Härteverteilung und Schweißeigenspannungen vor. Mit dem entwickelten Mehrmalig-Spitzentemperatur Austenitisierungs- und Abkühlzeit (M-STAAZ) Modell lassen sich lokale Gefügeumwandlungen und -eigenschaften wie Härte und Dehngrenze in Abhängigkeit der lokal vorliegenden Temperaturzyklen vorhersagen. Der grundsätzliche Vorteil des M-STAAZ Modells zeigt sich in der Eigenspannungssimulation. Die Berücksichtigung der lokalen Gefügeeigenschaften führt zur signifikanten Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit. Als Haupteinfluss-faktor für die Eigenspannungsbildung erweist sich die Änderung der Dehngrenze durch neue Austenitisierung und Anlasseffekte der nachfolgenden Schweißlagen. Für die Validierung der entwickelten Simulationsvorgehensweise und Bewertung der Ergebnisgenauigkeit werden die gemessenen Eigenspannungen herangezogen.