Verzugsanalyse beim Elektronenstrahlschweißen großer Bauteile
Authors: Fischer G. , Krüssel T. , Prihodovsky A. , Ploshikhin V. , Ilin A. , Logvinov R. 
Published: November 2010

In den vergangenen Jahren konnte durch neue Anlagenkonzepte der Markt zum Schweißen von Großbauteilen mit Abmessungen größer als zwei Meter auch für das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum geöffnet werden. Gerade bei diesen Bauteildimensionen und Blechdicken größer 30 mm können die Vorteile des Elektronenstrahlschweißens, wie hohe Leistungsdichte im Fokus, hochfrequente Strahlablenkung und die Arbeit im Vakuum, gegenüber anderen Schweißverfahren besonders gut genutzt werden. Dieses gilt insbesondere bzgl. der erzielbaren Einschweißtiefen, der Schweißgeschwindigkeiten und des verarbeitbaren Materialspektrums. Aufgrund seiner vergleichsweise geringen Strahldivergenz bietet das Elektronenstrahlschweißen bei entsprechendem Arbeitsabstand die Möglichkeit, über einen großen Schweißtiefenbereich sehr schlanke Schweißnähte mit parallelen Nahtflanken zu erzeugen. Aus diesem Grund ist das Elektronenstrahlschweißen das Verfahren, welches den geringsten thermischen Bauteilverzug aller Schmelzschweißverfahren bewirkt. Jedoch resultiert auch beim Elektronenstrahlschweißen, insbesondere beim Schweißen großer Bauteile mit Schweißnahtlängen von teilweise mehreren Metern, ein Verzug, der oftmals die zulässigen Grenzen überschreitet und daher die Funktionalität des Bauteiles beeinträchtigen kann. Derzeit kann einem solchen Verzug durch verschiedene Maßnahmen wie Nacharbeit, z.B. durch Warmumformen, Auslegung in Übermaß mit anschließender maschineller Nachbearbeitung oder iterativ ermittelter Schweißfolgepläne begegnet werden. Diese Maßnahmen sind in der Regel jedoch zeit‐ und kostenintensiv, so dass hier eine bessere Kontrolle des Verzuges während des Schweißprozesses durch eine angepasste Prozessstrategie eine deutliche Verbesserung der Effizienz des Elektronenstrahlschweißprozesses bedeuten kann. Die bisher existierenden Möglichkeiten zur Vorhersage des Verzuges mittels Simulation erfordern zur Berechnung häufig mehrere Tage oder gar Wochen. Ferner sind sie sehr ressourcenintensiv, so dass diese im Allgemeinen bei kleinen und mittleren Unternehmen keine Anwendung finden. Mit der vorliegenden Veröffentlichung sollen die Grundlagenuntersuchungen zur Entwicklung einer neuen Simulationsroutine vorgestellt werden. Diese Simulationsroutine ermöglicht die Ermittlung des Verzuges beim Elektronenstrahlschweißen großer Bauteile innerhalb industriell relevanter Zeitfenster und kann dadurch eine erhebliche Hilfestellung bei der Festlegung der Schweißstrategie zur Verzugsminimierung bieten. Die Randbedingungen für die Simulation mit Hilfe der so genannten INSOFT‐Software wurden durch verschiedene Voruntersuchungen zum Schweißen von Blind‐ und Verbindungsnähten an dem Feinkornbaustahl S355JR und dem austenitischen Stahl AISI316L ermittelt. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden Schweißungen an verschiedenen Blechdicken zwischen 5 und 60 mm durchgeführt. Mit Hilfe optischer Vermessung der Bauteile vor und nach dem Heften / Schweißen war es möglich, den Einfluss der eingebrachten Streckenenergie, sowie der Schmelzbadgeometrie auf den Verzug des Bauteiles nach jedem Fertigungsschritt zu bestimmen. Diese Ergebnisse dienten dann als Grundlage zur Bildung des so genannten Mechanischen Schweißnahtäquivalenten (MSNÄ). Dieser stellt neben der linearen Weiterrechnung die wesentliche Neuerung in der Simulationsroutine INSOFT im Vergleich zu anderen Berechnungssystemen dar. Der MSNÄ nutzt dabei zum Einen unterschiedliche Werkstoffkennwerte, wie E‐Modul, spezifische Wärmekapazität usw. in Verbindung mit dem Energieeintrag (Streckenenergie) und der Schweißnahtgeometrie, um daraus mittels nichtlinearer FEM einen spezifischen Kennwert zu ermitteln. Durch die Übertragung dieses Kennwertes auf das gesamte Bauteil mittels linearer FEM kann innerhalb kürzester Zeit der resultierende Verzug mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden. Dadurch wird es möglich, ohne aufwendige Testreihen genaue Aussagen über den zu erwartenden Verzug zu erhalten, um dann ggf. Änderungen in der Schweißfolge, den Prozessparametern oder der Bauteilgeometrie durchführen zu können. Diese Art der Verzugssimulation bleibt dabei nicht nur auf den Bereich des Elektronenstrahlschweißens beschränkt, sondern kann auf jedes beliebige Schmelzschweißverfahren übertragen werden.