Zum Einfluss zyklischer Plastizität auf die Eigenspannungsentstehung beim Schweißen hochlegierter Stähle

Eigenspannungen können das Werkstoff- und Bauteilverhalten in vielfältiger Weise beeinflussen. Eine genaue Bestimmung des aus der schweißtechnischen Fertigung resultierenden Eigenspannungszustands ist daher von großem Interesse. Zwar ist dies mit experimentellen Methoden zuverlässig möglich, jedoch sind diese teils mit hohen Kosten verbunden und liefern stets nur Teilinformationen. Mit numerischen Verfahren wie der Finite-Elemente-Methode kann hingegen eine Analyse an beliebigen Punkten in Ort und Zeit erfolgen.
Die Ergebnisse der numerischen Schweißstruktursimulation hängen jedoch in hohem Maße von der Modellierung zyklischer Plastizität ab, die beim Schmelzschweißen aufgrund des inhomogenen Temperaturfelds unweigerlich auftritt und wegen der dabei erzielten mechanischen Verfestigung die Höhe und Verteilung der Eigenspannungen beeinflusst. Es ist jedoch unklar, mit welchem Plastizitätsmodell die besten Übereinstimmungen mit Messungen erzielt werden können. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Modellansätze bewertet. Hierzu wird nicht nur der Eigenspannungs-, sondern erstmals auch der Verfestigungszustand herangezogen, der experimentell durch Mikroindentation und Interferenzlinienprofilanalyse ermittelt wird.
Mit keinem der verwendeten Wechselplastizitätsmodelle wird eine vollständige Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen erzielt, jedoch wird für die Simulation einlagiger Schweißungen die Verwendung eines rein isotropen, d.h. richtungsunabhängigen Verfestigungsmodells empfohlen. Die beobachteten Abweichungen können durch die Unterschiede zwischen den thermomechanischen Vorgängen beim Schweißen einerseits und den den Modellen zugrundeliegenden Versuchen zur Werkstoffcharakterisierung andererseits erklärt werden.