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Schweißverzugssimulation mit Ansys
CADFEM erarbeitet für SBN Siemens Energy ein transientes Modell zur Schweißverzugsberechnung bei Rohrplatten für Hochdruckwärmetauscher.

Simulation im Auftrag von Schoeller-Bleckmann Nitec

Branche: Maschinen- und AnlagenbauFachgebiet: Strukturmechanik, Temperaturfelder

Im Auftrag von SBN wurde mit Ansys Workbench und dem Schweiß-Simulationstool VWS von CADFEM ein transientes Modell zur Schweißverzugsberechnung von Rohrplatten für Hochdruckwärmetauscher erstellt.

Zusammenfassung

Aufgabe

Auf die Schmiederohlinge der Rohrplatte aus Druckbehälterstahl wird eine Schicht aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff aufgeschweißt. Ziel war, den Schweißverzug im Voraus zu bestimmen, je nach Plattenabmessung und Materialkombination.

Lösung

Um den Schweißverzug prognostizieren zu können, wurde in Ansys Workbench ein parametrisches Modell erstellt. Mit dem Schweiß-Simulationstool VWS von CADFEM ist das mechanische Dilatationsverhalten inklusive Umwandlungsplastizität ermittelt worden.

Kundennutzen

Durch die Berechnung des Schweißverzugs für die jeweiligen Abmessungen und Materialien kann das Bauteil korrekt gefertigt werden. Damit wurde die Gefahr eines zu großen Schweißverzugs beziehungsweise einer falschen Konushöhe eliminiert, sodass jetzt hohe Kosten für Nachbearbeitungen und Verzögerungen beim Liefertermin der Vergangenheit angehören.

Projektdetails

Aufgabe

Schoeller-Bleckmann Nitec, führender Hersteller von Hochdruck-Apparaten für die petrochemische Industrie, liefert unter anderem Wärmetauscher. Deren Innenflächen sind korrosiven Stoffen wie Ammoniak und Harnstoff ausgesetzt. Deshalb wird auf den Schmiederohling der Rohrplatte aus Druckbehälterstahl eine Schicht eines korrosionsbeständigen Werkstoffes aufgeschweißt. Bei dieser großflächigen Auftragsschweißung kommt es zwangsläufig zu Schweißverzug. Darum muss nach dem Schweißen die Oberfläche plan abgedreht werden. Wenn der Schweißverzug größer als die Schweißdicke ist, würde dadurch die Plattierung wieder entfernt werden. Um trotz Schweißverzugs ein ebenes Werkstück zu erhalten, wird am Schmiederohling ein Konus vorgefertigt (Bild 1 oben), der je nach Plattenabmessung und Materialkombination ausgelegt werden muss, bisher aber vorab nicht bestimmbar war.


Nutzen für den Kunden

Durch die Berechnung des Schweißverzugs für die jeweiligen Abmessungen und Materialien kann das Bauteil korrekt gefertigt werden. Dabei wird die Steigung, die sich aus der FE-Berechnung (Bild 2) ergibt, direkt als neue Designregel verwendet, um die passende Konushöhe gemäß den jeweiligen Rohrplattenproportionen zu ermitteln. Damit wurde die Gefahr eines zu großen Schweißverzugs beziehungsweise einer falschen Konushöhe eliminiert, sodass jetzt hohe Kosten für Nachbearbeitungen und Verzögerungen beim Liefertermin der Vergangenheit angehören. Zusätzlich haben die Ingenieure von Schoeller-Bleckmann Nitec ihr Know-how bezüglich der großflächigen Auftragsschweißung weiter ausgebaut. Dadurch können sie die entscheidenden Parameter für das Prozessverhalten gezielter definieren beziehungsweise anpassen.


Lösung

Um den Schweißverzug prognostizieren zu können, wurde in Ansys Workbench ein parametrisches Modell erstellt. Auf dieser Basis lässt sich die Temperaturverteilung zu jedem Zeitpunkt (transient) berechnen und mit dem Schweiß-Simulationstool VWS von CADFEM das mechanische Dilatationsverhalten (thermische Ausdehnung) inklusive Umwandlungsplastizität ermitteln. Folglich kann für verschiedenste Plattenabmessungen, Materialkombinationen und Prozessparameter der Verzug vorausbestimmt werden.


Leiter Unternehmenskommunikation

Produkt-Anwendungen im Projekt