Three-Dimensional Thermo-Mechanical Modeling of Austenitic Stainless Steel Welding

Abstract

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η αριθμητική μοντελοποίηση της διαδικασίας συγκόλλησης ανοξείδωτων ωστενιτικών χαλύβων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για την πραγματοποίηση αριθμητικών μοντελοποιήσεων απαραίτητη είναι η μελέτη της διαδικασίας συγκόλλησης αλλά και του υλικού. Η γνώση και κατανόηση της συμπεριφοράς του υλικού κατά τη θέρμανσή του, από το τόξο της συγκόλλησης, αλλά και κατά την ψύξη του είναι απαραίτητες για την κατασκευή του μοντέλου, την ακριβή εφαρμογή του θερμικού φορτίου και την πρόβλεψη της θερμομηχανικής ανάδρασής της συγκολλητής κατασκευής. Συνεπώς, καταστρώθηκαν και πραγματοποιήθηκαν μετωπικές συγκολλήσεις ελασμάτων, διαφόρων διαστάσεων, ανοξείδωτων ωστενιτικών χαλύβων και μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης οι θερμικοί κύκλοι, οι παραμορφώσεις και κατόπιν οι παραμένουσες τάσεις, ενώ ακολούθησε μεταλλογραφική μελέτη του προφίλ της συγκόλλησης. Η ολοκληρωμένη διερεύνηση της διαδικασίας συγκόλλησης επιτυγχάνεται κυρίως με την κατασκευή τρισδιάστατων μοντέλων. Η θερμομηχανική επίλυσή τους όμως με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων απαιτεί αρκετό χρόνο σε σχέση με την αντίστοιχη δισδιάστατη ανάλυση, λόγω του αυξημένου αριθμού στοιχείων και κόμβων. Ο χρόνος επίλυσης έχει μειωθεί επιτυχώς χάρη στους σύγχρονους ισχυρούς υπολογιστές, αλλά οι προσπάθειες σήμερα επικεντρώνονται στη μείωση του χρόνου επίλυσης με διάφορες τεχνικές χωρίς όμως την πιθανότητα απώλειας της ακρίβειας των αποτελεσμάτων. Συνεπώς στην παρούσα διατριβή πραγματοποιούνται μια σειρά από αριθμητικές αναλύσεις που αποσκοπούν στη μείωση του χρόνου επίλυσης, ενώ ταυτοχρόνως ελέγχεται και η ακρίβεια των αποτελεσμάτων τους. Τελικώς, η εφαρμογή της τεχνικής «ομαδοποίησης» των περασμάτων επιτυγχάνει μείωση του χρόνου επίλυσης κατά 35% και εξαιρετική ακρίβεια των αποτελεσμάτων της.

In the present thesis the numerical simulation of the austenitic stainless steel welding process is investigated via the finite element method. In order to proceed to the simulation of the thermo-mechanical process of austenitic stainless steel, the process itself and the material must be carefully studied. The knowledge and understanding of the material behavior during the heating by the welding arc, but also upon cooling, is crucial for the construction of the model, the accurate implementation of the thermal load and the prediction of the thermo-mechanical response of the welded joint. In order to acquire such knowledge, a series of welding experiments were conducted through the butt-welding of austenitic stainless steel plates with various dimensions. In-situ measurements of the thermo-mechanical response, along with stress measurements and metallographic investigation in the as-welded condition, provided sufficient information, thus allowing the accurate numerical modeling of the welding process. The complete insight in the case of the welding process investigation is achieved mostly with the construction of three-dimensional models. The thermo-mechanical analysis of solid models with the finite element method is a time-consuming process in comparison to two-dimensional analyses, since a much larger number of nodes and elements are required for the construction of the solid model. The required time for a solution to be achieved has been decreased with the ongoing improvement of computational efficiency of personal computers. However, efforts are focused on various techniques that would decrease computational time of three-dimensional analyses mostly in multi-pass welding simulation, without any sacrifice in the accuracy in prediction capability. Thus, in the present thesis a series of numerical welding simulations are presented where the accuracy of the predicted results is evaluated and techniques to minimize the computational time are employed. The employment of the “Grouping” technique clearly shows that accurate results can be acquired with a 35% reduction of computational time.