Schweißnaht-Analyse : Eigenspannungsberechnung beim Schweißprozess

CADFEM ist Systemhaus und Ingenieurdienstleister für numerische Simulation. Im Rahmen eines Industrieprojektes wurde für das Triebwerk der europäischen Trägerrakete Ariane 5 ein Simulationsmodell für eine Schweißnaht des Düsenmantels erstellt. Der Einfluss unterschiedlicher Schweißparameter auf die Eigenspannungen wurde untersucht. Das Simulationsmodell wurde im Versuch validiert. Die Korrelation zwischen den berechneten und den gemessenen Eigenspannungen sprach eindeutig für die Simulation mit ANSYS.

Die Brennkammer der Ariane 5 Rakete besteht aus galvanisiertem Nickel. Entlang der Innenkontur der Brennkammer verläuft Wasserstoff zur Kühlung. Die benötigten Ein-und Auslass-Verteiler bestehen aus Incoloy und werden mittels einer Elektronenstrahl-Naht auf die Nickel-Schale geschweißt. Die Naht ist radial umlaufend, Anfangs- und Endbereiche der Naht überschneiden sich. In diesem Überschneidungsbereich wurden metallurgische Eigenschaften berechnet und die Durchschweißung der Wurzel simuliert. Ziel war es, die Eigenspannungen, die durch den Schweißprozess entstehen, zu minimieren.

Das FEM-Modell wurde für den Sektor zwischen dem Anfangs- und Endbereich der Naht erstellt. In der Simulation wurden Kontaktelemente zwischen den verschiedenen Teilen eingesetzt. Bei Erreichen der Schmelztemperatur wurden diese Kontaktelemente durch starre Elementen ersetzt, um die Verbindung der beiden Teile zu simulieren. Zusätzlich wurden in der Schmelzzone und in der Wärmeeinflusszone die Materialeigenschaften beim Schweißen verändert. Mit dieser Vorgehensweise konnte der Einfluss verschiedener Schweißparameter (z. B. Schweißsequenz, Tiefe, Neigungswinkel) auf die resultierenden Eigenspannungen untersucht werden.

Als erster Berechnungsschritt wurde mit ANSYS eine transiente Temperaturfeldberechnung durchgeführt, wobei der Elektronenstrahl durch eine Ersatzwärmequelle abgebildet wurde. Somit konnte die Temperaturverteilung während des Schweißprozesses skizziert werden.Das Ergebnis der thermischen Analyse wurde als Basis für die anschließende mechanische Spannungsanalyse mit plastischem Materialverhalten verwendet. Am Schweißspalt wurde die Verbindung der Nahtufer über eine temperaturabhängige Verbindung idealisiert.

Für die Validierung des Simulationsmodells wurde ein Probe-Ring geschweißt und die Restspannungen in der Nähe der Oberfläche wurden mittels Bohrloch-Verfahren gemessen. Die Korrelation zwischen den berechneten und den gemessenen Spannungen war sowohl hinsichtlich der absoluten Höhe der Spannungen als auch der Belastungsverteilung gut. Auch bei den Temperaturen ergab sich eine sehr gute Korrelation zwischen den gemessenen und berechneten Temperaturdaten an der Oberfläche in der Nähe der Schweißnaht. Das in ANSYS erstellt FEM- Simulationsmodell konnte somit im Versuch validiert werden.