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Thermomechanische Simulation geschweißter Mischverbindungen aus Aluminium- und Stahlwerkstoffen
(2011)
Das pulverbasierte 3D-Metalldrucken ermöglicht die Fertigung von hochkomplexen Integralbauteilen, die als Trägerstruktur für Mikroreaktoren benutzt werden. Nach einer Beschichtung der Struktur mit einem Katalysatormaterial, können diese Mikroreaktoren höchst effizient für die CO2-Methanisierung eingesetzt werden. Durch die additive Fertigung mit dem selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM) wurden adaptierte dreidimensionale periodische Gitterstrukturen mit sehr geringen Wandstärken hergestellt. Diese weisen ein sehr günstiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (TPMS - Triply periodic minimal surface) auf. Des Weiteren zeigen die TPMS-Strukturen vorteilhafte Strömungseigenschaften, die sowohl für die Beschichtung mit dem Katalysator-Material als auch die Durchströmung mit den Reaktionsmedien im Betrieb essentiell sind. So ist es beispielsweise möglich, durch die Variation der Dimension einer TPMS-Struktur die Oberfläche pro Volumeneinheit, den hydraulischen Durchmesser des Reaktors und somit auch den Transportprozess des Fluids deutlich zu verbessern. Diese Faktoren ermöglichen eine effektivere Gas-Katalysator-Reaktion. Im Vergleich zu Mikroreaktorstrukturen aus den traditionellen Herstellungsverfahren liefern die additiv gefertigten Strukturen sowohl eine höhere CO2-Umwandlungsrate als auch eine CH4-Selektivität innerhalb des diffusionskontrollierten Bereichs.
Die lichtbogenbasierte additive Fertigung (WAAM) ist ein vielversprechendes Werkzeug, um die Ersatzteilbereitstellung von schwer verfügbaren oder aufwendig herstellbaren Einzelkomponenten in kürzester Zeit zu gewährleisten. Die Straffung innerbetrieblicher Abläufe sowie die Minimierung von Herstellungs- und Lagerkosten sind eine direkte Folge. Vor dem Einsatz im Betrieb muss sichergestellt werden, dass die Bauteile fehlerfrei additiv herstellbar sind und die mechanischen Eigenschaften den Anforderungen konventionell gefertigter Werkstücke entsprechen. Ein solcher Nachweis konnte am Beispiel eines additiv hergestellten Zwischenstücks für die Bergbauausrüstung mit einer abschließenden Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften erfolgreich geführt werden. Das Zwischenstück mit einem Gewicht von ca. 31 kg zur Verbindung von geometrisch unterschiedlichen Profilen wurde ausgehend von einer Grundplatte aus S355-J2+N beidseitig additiv mit einem Massivdraht G3Si1 aufgebaut. Die Ermittlung geeigneter Parameter, Schweißfolgen und Zwischenlagentemperaturen erfolgte experimentell mit begleitenden metallografischen Untersuchungen. Nach erfolgreicher Fertigung wurden die mechanischen Eigenschaften des Zwischenstücks bestimmt sowie die Festigkeit und Zähigkeit mit den geforderten Werkstoffkennwerten des bisher eingesetzten konventionellen Konstruktionsmaterials verglichen.
Schweißeinrichtung (1) zum Schweißen von Werkstücken (100), umfassend eine Laserstrahlquelle (10) zur Emission eines Laserstrahls (11), eine Vorschubeinrichtung zur Realisierung einer Vorschubbewegung einer abzuschmelzenden Elektrode (70) aus Schweißzusatzwerkstoff (30) in einer Transportrichtung (21) in eine Abschmelzzone, und eine Stromkontakteinheit (60) zur Anlegung einer elektrischen Spannung an die abzuschmelzende Elektrode (70), wobei die Laserstrahlquelle (10), die Vorschubeinrichtung und die Stromkontakteinheit (60) derart relativ zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass die Längsachse des von der Laserstrahlquelle (10) aussendbaren Laserstrahls (11) im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung (21) der Elektrode (70) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Elektrodenformungseinrichtung (40) aufweist, mit der ein Querschnitt der Elektrode (70) erzeugbar ist, der den von der Laserstrahlquelle (10) aussendbaren Laserstrahl (11) zumindest in einem Winkelbereich von 180° umgibt.
For the reliability of many welded structures like pipelines or offshore wind parks, it is necessary to ensure high mechanical properties such as strength and toughness of the entire material. In order to improve quality of weld joints, flux cored rods and wires containing different nanoparticles (ZrO2, LaB6 and Al2O3) were manufactured and welded with the TIG and MAG welding processes. Influence of these nanoparticles on the microstructure and mechanical properties of the weld joints were investigated. The acicular ferrite and improved strength of the weld metals were observed by the addition of 0.2 wt.% of iron powder with ZrO2 nanoparticles to the filling of flux cored wires.
Analytisches Schrumpfkraftmodell und Berechnungsprogramm zur Bestimmung des schweißbedingten Verzugs
(2008)
Organic sheets made out of fiber-reinforced thermoplastics are able to make a crucial contribution to increase the lightweight potential of a design. They show high specific strength- and stiffness properties, good damping characteristics and recycling capabilities, while being able to show a higher energy absorption capacity than comparable metal constructions. Nowadays, multi-material designs are an established way in the automotive industry to combine the benefits of metal and fiber-reinforced plastics. Currently used technologies for the joining of organic sheets and metals in large-scale production are mechanical joining technologies and adhesive technologies. Both techniques require large overlapping areas that are not required in the design of the part. Additionally, mechanical joining is usually combined with “fiber-destroying” pre-drilling and punching processes. This will disturb the force flux at the joining location by causing unwanted fiber- and inter-fiber failure and inducing critical notch stresses. Therefore, the multi-material design with fiber-reinforced thermoplastics and metals needs optimized joining techniques that don’t interrupt the force flux, so that higher loads can be induced and the full benefit of the FRP material can be used. This article focuses on the characterization of a new joining technology, based on the Cold Metal Transfer (CMT) welding process that allows joining of organic sheets and metals in a load path optimized way, with short cycle times. This is achieved by redirecting the fibers around the joining area by the insertion of a thin metal pin. The path of the fibers will be similar to paths of fibers inside structures found in nature, e.g. a knothole inside of a tree. As a result of the bionic fiber design of the joint, high joining strengths can be achieved. The increase of the joint strength compared to blind riveting was performed and proven with stainless steel and orthotropic reinforced composites in shear-tests based on the DIN EN ISO 14273. Every specimen joined with the new CMT Pin joining technology showed a higher strength than specimens joined with one blind rivet. Specimens joined with two or three pin rows show a higher strength than specimens joined with two blind rivets.