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Keywords
- strukturiert (4)
- Elektrodengeometrie (3)
- Leichtbauelement (3)
- Rollennahtschweißen (3)
- durchströmbar (3)
- neuartig (3)
- Aluminum resistance spot welding (2)
- Electrode water-cooling (2)
- Heat transfer (2)
- Additive manufacturing (1)
Institute
BTU
Die Erfindung betrifft ein strukturiertes Tailored Blank, umfassend mindestens zwei Fügepartner, wobei mindestens ein Fügepartner ein strukturierter Fügepartner ist und wobei der strukturierte Fügepartner regelmäßig angeordnete Versteifungselemente umfasst und wobei der strukturierte Fügepartner an mindestens einen weiteren Fügepartner gefügt ist.
This work investigates heat transfer mechanism of aluminum resistance spot welding process. The main target is to determine thermal contact conductance and heat transfer coefficients for natural convection and thermal radiation at ambient air and forced convection inside the water-cooled electrodes. For this purpose, the heat transfer of hot sheets in a welding gun for aluminum alloys AA5182 and AA6014 is analyzed experimentally and numerically. The transient temperature field is measured by several thermocouples in a simplified experimental setup. Subsequent thermal-mechanical coupled finite
element simulations of the experiments were used to calibrate the heat transfer coefficients. The heat transfer coefficient for natural convection and thermal radiation to ambient air is 13 W m2 K and the heat transfer coefficient for forced convection of electrode water-cooling is 25,000 W m2 K. The results indicate that the thermal contact conductance can be assumed ideal for welding process. Additionally, the finite element model is validated by the measured and calculated dissipated heat due to forced convection. Finally, a sensitivity analysis is performed to compare the influence of maximum and minimum heat transfer coefficients of forced convection (water-cooling) on transient temperature field and dissipated heat of sample
AA5182.
In this work, a numerical model and experiments are used to investigate heat transfer processes during resistance spot
welding process of aluminum. For this purpose, calibrated heat transfer conditions and thermal contact conductance are transferred from a previous work to a coupled thermal-electrical-mechanical finite element model. First, all domains of the numerical model are validated by an experimental study. The experimental setup includes the measurement of current, voltage drops, electrode force, electrode displacement, and temperatures while two sheets of aluminum alloy AA5182 are joined. Computational results show that most of the generated Joule heat (78%) is stored in the electrodes or transferred to cooling water until the end of weld time. Heat transfer by natural convection and thermal radiation is very small and can in general be neglected for complete process. Afterwards, the influence of electrode water-cooling on welding process is investigated numerically. The results indicate that the generation of Joule heat and thermal energy of the sheets during weld time is only slightly affected by electrode water-cooling. As a consequence, water-cooling conditions do not affect nugget formation. In contrast, electrode water-cooling highly influences cooling conditions during hold time.
Thin sheet metals from deep drawing steel DC04 are very often used in the production of car body and case parts. Quality improvement of sheet
metal components by new constructive solutions (structuring) as well as
adapted joining technology is going on. Structured sheet metals differ from each other by their high bending stiffness. At the same time, they show certain anisotropy due to the structure. Therefore a typical testing
method of structured semi-finished parts (single sheet metals, sandwiches)is the bending test. The literature review revealed that in many
studies no special demands on tests of structured materials were made. This concerns particularly the structure arrangement, structure direction and structure location of the specimen relative to the mandrel position during bending tests, i. e., the direction of the fixed load relative to the structure. The aim of this study was to determine the influence of the test
specification on flexural behavior. In the present paper, honeycomb-structured
sheet metals were examined using 3-point bending tests. Bending stiffness and lightweight potential were calculated with respect to the location of load application and compared for different structure arrangements,directions and locations. The influence of the anisotropy on flexural
behavior of the honeycomb-patterned sheet metals was moderate.
Rollennahtelektrode
(2017)
Eine Rollennahtelektrode zur Verwendung beim Rollennahtschweißen umfasst eine segmentförmige Elektrodenfläche (2) zur Anpressung der zu verbindenden Bauteile und zur Einleitung des Schweißstroms und der Schweißspannung. Die Elektrodenfläche (2) ist derart dreieckförmig oder mäanderförmig oder zueinander beabstandet ausgebildet, dass in der ebenen Abwicklung der Elektrodenfläche (2) ein Zickzack-Muster oder ein Wellen-Muster oder ein Steppnaht-Muster oder ein Rechteck-Muster vorliegt.
Bleche mit regelmäßig angeordneten steifigkeitserhöhenden Strukturen werden zunehmend in Kon-struktionen zur Erhöhung der Steifigkeit dünner Bleche bzw. von kompletten Bauteilen verwendet. Damit diese Bauteile wirtschaftlich verarbeitet werden können, bietet das Rollennahtschweißen mit seinen hohen Prozessgeschwindigkeiten und ohne notwendigen Einsatz von Zusatzwerkstoffen bzw. Schweißhilfsstoffen eine kostengünstige Alternative zu anderen Verfahren. Beim Rollennahtschweißen strukturierter Bleche führen jedoch klassische Rollennahtelektroden zur teilweisen bzw. vollständigen Einebnung der Versteifungselemente, sodass deren positive Wirkung reduziert bzw. vollständig auf-gehoben werden kann.
Die geschweißten Bleche haben Wabenstrukturen mit unterschiedlichen Elementtiefen als regelmäßig angeordnete Versteifungselemente. Die Bleche finden vorrangig Anwendung im Fahrzeugbau und im Bauwesen. Aufgrund dieser Branchen und für zukünftige Anwendungen im Wärmetauscher- und Behäl-terbau wurden die Untersuchungen an Werkstoffqualitäten DC04 und X5CrNi 18-10 mit Blechdicken von 0,5 mm und 0,7 mm durchgeführt.
Die entwickelten neuartigen Elektroden berücksichtigen die Topologie der Bleche, um eine Einebnung der strukturierten Bleche zu vermeiden. Daher wurden Elektroden mit veränderten Geometrien an den Elektrodenarbeitsflächen gestaltet. Eine der Elektroden besitzt eine periodisch unterbrochene und die zweite eine laterale Profilierung mit in Schweißrichtung nichtlinearer Form der Elektrodenarbeitsfläche. Das Verhalten beim Schweißen wurde in Schweißversuchen bestimmt und Schweißbereichsdiagram-me bzw. Prozessfenster abgeleitet. Die Verbindungseigenschaften wurden durch Metallografie-, Fes-tigkeits-, Druck- und Dichtheitsuntersuchungen validiert. Als Vergleich und Referenz dienen Schweiß-untersuchungen mit konventionellen Rollennahtelektroden.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen Unterschiede bei den Prozessparametern und der Ausprägung der Verbindung in Abhängigkeit von der geschweißten Struktur, dem ausgewählten Schweißpfad und des geschweißten Werkstoffes gegenüber den Referenzschweißungen. Eine anschließende Optimie-rung führte zu einer vergleichbar guten Schweißnahtqualität sowohl bei Erhalt der Versteifungselemen-te mit den neuen Elektroden als auch bei deren Einebnung mit konventionellen Elektroden in Referenz zu Schweißuntersuchungen am ebenen Blech.
Anschließend wurde ein Vergleich der Verbindungsfestigkeiten mit dem Widerstandspunktschweißen und dem Metall-Aktivgas-Schweißen durchgeführt.
Fügen strukturierter Bleche - Remote-Laserstrahlschweißen im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen
(2013)
Beim Rollennahtschweißen von Blechen mit eingebrachten Versteifungselementen wie Sicken oder regelmäßig
angeordneten Strukturen führen lineare Schweißpfade unter Verwendung klassischer Rollenelektroden zur teilweisen
bzw. vollständigen Einebnung dieser Versteifungselemente. Dadurch kann die positive Wirkung der Versteifungselemente
reduziert bzw. vollständig aufgehoben werden. Somit müssen neue Wege für das Rollennahtschweißen von gesickten oder strukturierten Blechen erarbeitet werden. Es wurden zwei neuartige Elektroden mit veränderten Geometrien an den Kontaktflächen entwickelt, welche die Topologie der Bleche berücksichtigen und eine Einebnung vermeiden. Eine der Elektroden besitzt eine periodisch unterbrochene Kontaktfläche, die zweite eine laterale Profilierung mit in Schweißrichtung nichtlinearer Form der Kontaktfläche. Das Verhalten beim Schweißen wurde durch Schweißversuche bestimmt. Es wurden Schweißbereichsdiagramme bzw. Prozessfenster abgeleitet. Die Verbindungseigenschaften wurden durch Metallografie-, Festigkeits-, Druck- und Dichtheitsuntersuchungen validiert. Als Vergleich und Referenz dienen Schweißuntersuchungen mit konventionellen Rollennahtelektroden. Die geschweißten Bleche haben Wabenstrukturen als regelmäßig angeordnete Versteifungselemente mit unterschiedlichen Elementtiefen. Diese Bleche finden vorrangig Anwendung im Fahrzeugbau, in der Investitionsgüterindustrie und im Bauwesen. Aufgrund dieser Branchen und für zukünftige Anwendungen im Wärmetauscher- und Behälterbau sowie zur Ermittlung grundlegender Kenntnisse wurden die Untersuchungen an Werkstoffqualitäten DC04 und 1.4301 mit Blechdicken von 0,5 mm und 0,7 mm durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen Unterschiede bei den Prozessparametern und der Ausprägung der Verbindung
in Abhängigkeit von der geschweißten Struktur, dem ausgewählten Schweißpfad und des geschweißten
Werkstoffes gegenüber den Referenzschweißungen. Eine anschließende Optimierung führte zu einer vergleichbar
guten Schweißnahtqualität sowohl bei Erhalt der Versteifungselemente mit den neuen Elektroden als auch bei
deren Einebnung mit konventionellen Elektroden in Referenz zu Schweißuntersuchungen am ebenen Blech.
Strukturierte Bleche besitzen eine dreidimensionale Struktur aus regelmäßig angeordneten Versteifungselementen, welche die Steifigkeit der Bleche global erhöhen. Neben der Steifigkeitserhöhung besitzen strukturierte Bleche eine vergrößerte Oberfläche, ein verändertes akustisches Verhalten sowie ein ansprechendes Design als positive Merkmale. Mit der Qualifizierung des
Rollennahtschweißens für verzugsarme, mediendichte Schweißnähte erschließen sich neue wichtige industrielle Anwendungen für strukturierte Bleche und den daraus hergestellten mehrschaligen Bauelementen (zwei strukturierte Bleche im Parallelstoß) mit Hohlräumen zwischen den Blechen. Innovative Produktentwicklungen in der Wärmetechnik, im Transportwesen und im Bauwesen
können mit strukturierten Blechen für Rekuperatoren, Lüftungsanlagen, Wärmeboxen, chemische Apparate, temperierbare Behälter sowie Fußbodenheizungen, Kühlräume, Klimakammern, Fassadenelemente oder Lärmschutzwände umgesetzt werden. Derzeit steht dazu kein geeignetes Fügeverfahren zur Verfügung, welches alle
Anforderungen erfüllt. Das Rollennahtschweißen eignet sich, strukturierte Bleche so zu fügen, dass sie den Anforderungen der zukünftigen Einsatzbereiche entsprechen unter Erhalt der positiven Eigenschaften. In diesem Projekt wurden strukturierte Einzelbleche und der aus ihnen gefertigten mehrschaligen Bauelemente mit dem Rollennahtschweißen gefügt. Zur Herstellung der mehrschaligen Bauelemente wurden Rollpunktnähte genutzt,
welche strukturerhaltend hergestellt wurden. Dazu sind neuartige Rollennahtelektroden entwickelt, gefertigt und erprobt worden. Die notwendigen Schweißparameter zum strukturerhaltenden Schweißen und zum Schweißen mit
Verformung der Struktur wurden in schweißbereichsdiagrammen dokumentiert
und die Verbindungseigenschaften durch Zugversuche und Metallografie qualifiziert. Für die genannten Anwendungsbereiche wurden Dichtnähte an den
Randbereichen der Bleche hergestellt. Durch die Überprüfung der Dichtheit, der Druck- und Korrosionsbeständigkeit wurden die mehrschaligen Bauelemente für mögliche Anwender qualifiziert.
Für die durchgeführten Recherchen und Untersuchungen wurde ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Vollzeit beschäftigt und durch eine studentische Hilfskraft, sowie einen Techniker unterstützt. Die geleistete Arbeit entspricht im
vollen Umfang dem begutachteten und bewilligten Antrag und war für die Durchführung des Vorhabens notwendig und angemessen.
In the present work, laser beam build-up welding of AlSi12 alloy powder on AlSi1MgMn-alloy (EN AW-6082) substrate has been studied to determine the laser deposition strategy for fabrication of 3-D structure. First, the influence of laser power, scanning speed and powder feeding rate on the output parameters, such as clad geometry, dilution ratio, powder efficiency and porosity were analysed for deposition of a single track. Mathematical relationships were then established and the optimal parameters were identified by the desirability approach. Second, these optimal process parameters are furthermore adjusted to fabricate rectangular, cylindrical and complex combination volumes; different layer deposition strategies are used and evaluated. Finally, by using an adapted deposition strategy, one prototype consisted of different complexly shaped elements on one curved Al-alloy substrate without welding fusion defects was manufactured. The average tensile strength of deposited
samples with four different layer deposition directions (vertical 0°/90°; horizontal 0°/90°; horizontal 0° and horizontal 90°)
was measured, respectively, which are comparable strengths or higher than those of cast samples. The microstructure of the
laser-deposited material is investigated using optical microscopy and scanning electron microscopy as well as microcomputed
tomography. Microstructure and hardness of deposited multilayers exhibit inhomogeneous distributions, which vary with the deposit location
One main problem of thin-walled, large-area sheet components for lightweight construction solutions is the inadequate stiffness. One approach for a solution is provided by structured sheet metals which have an increased flexural stiffness due to three-dimensionally incorporated structures. The areas of application of the structured sheet metals (e.g. in subassemblies in automobile, rail vehicle and tank construction) necessitate adapted welding technologies. Since few systematic investigations have been conducted on structured sheet metals in the field of joining technology until now, there is a lack of knowledge about the further processing of these sheets by means of welding technology. The aims of the presented investigations are to make it possible to utilise these modern semi-finished products industrially using remote laser beam welding and to compare this with resistance spot welding. Both are important joining processes in the areas of applications interesting for structured sheet metals and thus constitute key technologies for industrial utilisation. Resistance spot welding has already been qualified for utilisation on structured sheet metals [1]. In addition, investigations were conducted into the remote laser beam welding of structured and flat sheets. These investigations encompass the possibilities of joining structured and flat joining members by means of remote laser beam welding as well as the assessment of the joint strength in tensile shear and peel tests. Thereafter, the results of the investigations are compared with the resistance spot welding of structured sheet metals and specific application recommendations are derived.