20 - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH ...

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Simulation eines WIG-Schmelzbades mit der Software FIDAP
Simulation of a GTA-weld pool using the software FIDAP
Aktuelle Informationen aus dem
Institut fur
Schweißtech n ischeFertig u ngsverfah ren
der RWTH Aachen
Themen:
- Modellierung der Strömungsphänomene im Schmelzbad
Modelling of Modelling Thermofluid of Phenomena Thermofluid in Phenomena Weld in PoolPool Weld
ISF - Welding Institute
Aachen University
Germany
- UP-Schweißen von höherfesten Feinkornbaustählen S890QUS960QL
Welding of Welding High of Strength High Low Strength Alloyed Low Steets Alloyed by Steets lJsing by the lJsing SAW-ProcessSAW-Pro
the
- News

Modellierung der Strömungsphänomene
im Schmelzbad
. , . I ., ,". .,*: il,'-1t, nn44
Die Temperaturverteilung und die Schmelzbadgrößen beim
Lichtbogenschweißen werden wesentlich durch Strömungen
beeinflußt. Zur Simulation der Massen- und Wärmeübertragung
beim WIG- Schweißen wurde ein umfassendes Modell
ausgearbeitet und auf Basis des kommerziellen CFD-
Programms Fl DAP1.. implementiert.
Modelling of Thermofluid Phenomena
in Weld Pool
Fluid flow in molten pool during arc welding essentially affects
the temperature field and the weld pool dimensions. A
comprehensive model for simulation of mass and heat
transfer during GTA welding has been elaborated. The model
has been implemented on the basis of commercial CFDsoftware
packet FlDAP1.
Die traditionel len Wärmeleitu ngsmodelle zur Berechnu ng von berechnete Temperaturfeld mit Solidus- und Liquiduslinien
Sch melzbadgrößen, Temperatu rfeldern und Abkühl raten wer- zeigt eine gute Übereinstimmung mit der experimentellen
den vermehrt durch exaktere Modelle ersetzt, die auch den Schmelzbadform, Bild 2.
konvektiven Wärmetransport berücksichti gen. Diese Tendenz
ist auf Fortschritte der theoretischen Beschreibung relevan-
1mm
ter physikalischer Phänomene, der steigenden Rechnerleistung
und der Verbreitung numerischer Berechnungscodes
zurückzuführen. Detaillierte Kenntnisse der zeitabhängigen
Temperaturverteilung sind für die Simulation der Erstarrungsvorgänge,
Mikrogefüge und Eigenspannungen von besonderer
Bedeutung.
fest-flüssig Übergang
.@ 60
Geschwindigkeit I + 40 [cm/s] ry^^
MJU
t8
lm Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 370,,lntegrative
Werkstoffmodellierung" wurde am ISF ein umfassendes
Modell zur Simulation der Strömungsvorgänge im ;;
Schmelzbad entwickelt. Die numerische lmplementierung
erfolgte mit Einsatz der Software FIDAP, das auf Finite-Ele- Bild 1:Strömungsfeld in einem WIG-Schmelzbad
mente-Methoden basiert. Für die Berechnung der Strömun- Fig.l: Flow field in a GTA Weld Pool
gen im Schmelzbad und der Temperaturverteilung im gesamten
Werkstück, werden die Gleichungen der lmpuls- und
Energieerhaltung zusammen mit der Kontinuitätsgleichung
simultan gelöst. Außerdem wird die freie Oberfläche des
Schmelzbades als zusätzliche Variable betrachtet. Als treibende
Kräfte der Schmelzströmungen werden der Marangoni-Effekt,
die elektromagnetischen Volumenkräfte und die
Auftriebskraft berücksichtigt. Der Einfluß von Schwefel auf
die Oberflächenspannung der Schmelze und die Deformation
der Schmelzbadoberfläche aufgrund thermischer Ausdehnung
und des Lichtbogendrucks wird dabei ebenfalls berücksichtigt.
Der Wärmeaustausch zwischen dem Werkstück
und der Umgebung wird durch Untermodelle der Lichtbogenwärmequelle,
Verdampfung, Abstrahlung und Konvektion
beschrieben.
Zur Validierung des numerischen Modells wurde eine Reihe Bild 2:Temperatudeld im Vergleich mit Experiment
von WIG-Punktschweißungen mit gleichzeitiger kalorime- Fig.2: Temperature Fig.2: field Temperature in field comparison in with comparison experimenexperimen
with
trisch e r Messu n g de r th erm ischen Lichtboge neffizienz d u rchgeführt.
Ein typisches Strömungsfeld im Schmelzbad des
Feinkornbaustahls S460M wird am Bild 1 dargestellt. Die Die dreidimensionalen Berechnungen mit bewegter Wärme-
maximalen durch den Marangoni-Effekt bedingten Ströquelle (Titelbild) liefern die Temperaturbedingungen fur Gemungsgeschwindigkeiten
treten an der Schmelzbadoberfüge- und Eigenspannungssimulationen, die in anderen Teilfläche
auf. Der mit diesem Effekt verbundene Wirbel beeinprojekten des SFB 370 durchgeführt werden.
flußt vor allem die Schmelzbadbreite. Die elektromagnetischen
Kräfte führen zu einem in entgegengesetzter Richtung
ausgerichteten Schmelzkreislauf in der Mitte des
Bades, der in erster Linie auf die Schmelzbadtiefe wirkt. Das
ISF Direkt 20 - Oktober'99
1 FIDAP ist ein eingetragenes Warenzeichen von Fluent Inc., Lebanon, USA.

UP-Schweißen vonhöherfesten
Welding of High Strength Low Altoyed
Fein kornbaustählen S89OQIJS96OQLSteels
by Using the SAw-Process
Dipl.-lng.
J. de Payrebrune
Für das uP-schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen Submerged arc welding of high strength low alloyed steels
ist es erficrderlich, neben einer Reduzierung des wasserstoff- is possible if hydrogen input is being reduced and special
gehaltes Schweißparameter einzuhalten, die ausreichende welding parameters are kept. The interpass temperature used
mechanisch-technologische Eigenschaften in der Naht ge- is of great importance due to its influence on the hydrogen
währleisten. Von besonderem lnteresse ist in diesem Zusam- content and the mechanical-technological properties of the
m en han g- d.i.e gewäh lte Zwische n lagentem peratu r.
weld.
Beim schweißen von höherfesten Feinkornbaustähren steigt
mit Zunahme der werkstofffestigkeit die Anfäiligkeit für eine
wasserstoffinduzierte Kaltrißbildung an. Beim Up-Schweißen
wird in der Regel über das verwendete schweißpulver
Wasserstoff in die Schweißnaht eingebracht, was den rißsicheren
Einsatz des Verfahrens erschwert. Ein typisches
Beispiel für wasserstoffinduzierte Kaltrisse, die bei den
durchgeführten Untersuchungen in der Reger innerhalb von
48 Stunden auftraten, zeigt Bild 1. Die Risse waren nach
dieser Zeit an der Oberfläche zu erkennen.
Bild 1: Rißverlauf Smm unter Decklage
Fig.l: Crack path Smm below top tayer
Badsicherung
Bild 2: Untersuchung des Rißverlaufs
Fig 2: Investigation of the crack path
Bei einer Haltetemperatur von 200 oC wurde die Erzeugung
rißfreier Verbindungen möglich. Durch variation der schweißgeschwindigkeit
wurden bei einem schweißstrom von 550 A
und einer Schweißspannung von 30 V t'u-Zeiten zwischen
14,5 s und 11 ,5 s eingestellt. Bild 3 zeigt die Ergebnisse von
Zugversuchen mit Längszugproben des Schweißgutes in
Abhängigkeit der Streckenenergie.
_ _ 800800
.(u.(u
5 5 700700
6 6 oooooo
cc
C C CUTJCUTJ
I I +oo+oo
aa
300300
Bei der nach dem stahl-Eisen-werkstoffblatt sEWOgg
berechneten Vorwärm- bzw. Haltetemperatur von 170 oc wurden
bei einer Nahtlänge von 1000 mm ebenfalls Risse festgestellt.
ln weiteren Versuchen wurde daher der Einfluß erhöhter
Haltetemperaturen sowie veränderter schweißparameter
auf das Rißverhalten untersucht. Hierbei wurde deutlich,
daß eine Erhöhung der Arbeitstemperatur auf 2SO oC
ff
500500
8_8_
ro5
400400
U)U)
oo
88
300300
66
26
44
100
22
00
00
Streckgrenze Streckgrenze Zugrfestigkeit Zugrfestigkeit DehnungDehnung
Bild 4: Ergebnisse der Querzugversuche
Fig. 4: Results of transverse tension testing
zu rissfreien Proben führte, jedoch die mechanisch-technologischen
Eigenschaften der schweißverbindungen keine Bei Verwendung einer modifizierten Drahtelektrode konnten
ausreichenden Festigkeiten für den werkstoff sgg0el auf- ausreichende Festigkeitswerte für die verarbeitung des werkwiesen.stoffes
S960QL erzielt werden.
12ffi12ffi
1 100
1000
900900
2ffi2ffi
100
00
2424
2.2.
20
18
16- ss
14L
tz3 cc
105
8o
00
Streckgrenze Streckgrenze Zugrfestigkeit Zugrfestigkeit DehnungDehnung
zur verifizierung des Rißverlaufes wurde ein Riß entsprechend
Bild 2 herausgetrennt. Es konnte festgestellt werden,
daß dieser das gesamte schweißgut bis in die Badsicherung
Bild 3: Mechanischtechnologische Eigenschaften des schweißgutes
Fig. 3: Tension test results of weldmetal
durchlaufen hatte.
unter verwendung einer modifizierten Drahtelektrode konnte
die streckgrenze des schweißgutes bei identischen schweiß-
Riß an der Oberfläche
sichtbar
parametern erhöht werden. Alle euerzugproben wiesen ge_
genüber den Schweißgutproben erhöhte Werte auf, was auf
Sägeschnitt
die stützwirkung des Grundwerkstoffes zurückgeführt werden
kann. Bild 4 zeigt die Ergebnisse der euerzugversuche.
66
(I(I
==
1m
1 100
1000
900900
800800
700700
600600
! ! v" = v" 60 = cny'min 60 (npdifilerter cny'min Draht)Draht)
(npdifilerter
I I v" = v" 75 = cnv'min 75 (rnodifizierter cnv'min Draht)Draht) (rnodifizierter
I I v" = v" 75 = cny'min 75 (Standarddraht)(Standarddraht)
cny'min
oo
44
zz
26
2424
2222
20
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ISF Direkt 20 - Oktober'99

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Seit der letzten Ausgabe von ISF-Direkt wurden die Herren
rungsaustausch.
Dipl.-lng. F. Reich auf dem Gebiet Laserstrahlschweißen,
Dipl.-lng. T. Gqäb für den Bereich UP-Schweißen sowie Das nächste 7. Internationale Aachener Schweißtechnik
Dipl.-lng. G. Smolka für den Bereich Mikrofügen eingestellt.
Frau J. Krott nahm als Verstärkung in der Bibliothek ihre
Kolloquium findet am 3./4.05.2001 im Eurogress Aachen zur
Thematik,,Hochleistungsfügeverfahren -Grundlagen, Aus-
Arbeit auf. :
rüstungen, Anwendungen" statt.
Ausgeschieden ist Herr C. Gaitzsch, der als Programmierer
in der EDV-Abteilung tätig war.
,,Verstärkung" bekam die erweiterte lnstitutsmannschaft. Den
Familien Gräb, Goumeniouk, Jäger und Maximoff gratulieren
wir herzlich zur Geburt ihrer Söhne, Familie Sattler darf
sich über eine Tochter freuen.
Den Herren R. Hommelsheim, Dipl.-lng. M. Möller und
Dipl.-lng. G. Wilms wünschen wir nach dem Einlaufen in den
ehelichen Hafen alles Gute.
Unserem Lehrschweißer Herr J. Lauscher gratulieren wir zu
seinem 25jährigen Dienstjubiläum am lSF.
Am 2.09. wurde eine Betriebsexkursion zur Thyssen Krupp
Stahl AG nach Duisburg unternommen.
A$TK '99 am 24. und 25. Juni 1999
Über t50 Teilnehmer konnte Prof. Dilthey zum 6. Aachener
Schweißtechnik Kolloquium
'99
im Technologiezentrum am
Europaplatz begrüßen. Mitveranstalter waren der DVS Bezirksverband
Aachen und der Freundeskreis des Instituts für
Schweißtechnik e.V.
quium sowie bei der Institutsbesichtigung des ISF die Gelegenheit
zu verliefenden Diskussionen und fachlichen Erfah-
Aus dem Freundeskreis
Zur Förderung der Corporate ldentity wurde auf einem Kreativitätstraining
für Mitarbeiter die Schaffung einer ISF-Nadel
angeregt. Diese tragen in Bronze alle lnstitutsmitarbeiter, in
Silber die Doktoren des ISF und die Mitglieder des Beirates
des Freundeskreises des ISF; langjährigen Mitarbeitern des
ISF wird sie zum 25. Dienstjubiläum verliehen und mit der
Ehrennadel in Gold werden Persönlichkeiten mit besonderen
Verdiensten um das ISF und die Schweißtechnik geehrt.
ISF-Nadeln in Bronze, Silber und Gold
lm Rahmen der letzten Sitzung des Freundeskreises wurden
die ersten Ehrennadeln in Gold verliehen.
Die ersten Träger der |SF-Ehrennadel in Gold:
Prof. Dr.-lng. F. Eichhorn (3.v.1.), langjähriger Direktor des
ISF; Dr.-lng. H. Ernenputsch (2.v.r.), erster Doktor des ISF
Begrüßung der Tagungsteilnehmer des ASTK'99
durch Prof. Dr.-lng. U. Dilthey
und Sprecher der inzwischen 140 ISF-Doktoren, Dr.-lng. O.E.
Goerdt (3.v.r.), langjähriger Vorsitzender des Freundeskrei-
Auf dem zweitägigen Kolloquium wurden verschiedene Tenses des ISF und Prof. Dr.-lng. U. Dilthey (r.) gemeinsam mit
denzen der Werkstoffentwicklung vorgestellt und engagiert dem Vorstand des Freundeskreises: Dr.-lng. D. Schulten
diskutiert. Dabei spielte der Wettbewerb verschiedener Werk- (2.v.1.), Vorsitzender und Dr.-lng. R. Ortmann (1.), Schatzstoffkonzepte
für den Leichtbau von PKWs, Nutzfahrzeugen, meister.
Bahnwaggons und Schiffen eine wichtige Rolle. Auch die Verarbeitung
von verschleißfesten, hochwarmfesten und korrosionsbeständigen
Werkstoffen, wie sie im Chemieapparate-
Herausgeber: Freundeskreis des Instituts für Schweißtechnik e.V.
bau, in Rauchgasreinigungsanlagen und Müllverbrennungs-
I nstitut f ür Schweißtechnische Fertigungsverfah ren, ISF
Institutsdirektor Prof. Dr.-lng. U. Dilthey
anlagen zum Einsatz kommen, wurde eingehend diskutiert.
Anschrift: Pontstraße 49, 52062 Aachen
Am Rande der Tagung nutzten die Teilnehmer beim Bierkollo-
Telefon: +49(0)241/80 38 71
ISF Direkt 20 - Oktober'99
Telefax: +49(Q2a1 /88 88 1 70
htto ://www. nvth -aach e n. d e/isf/
Redaktion: Dipl.-lng. L. Kabatnik