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BTU
The work deals with the elastic-plastic thermo-mechanical deformation process after spot heating of large thin plates. It promotes a new theoretical model of the process. The main target is to clarify the kinetics of the plastic strain formation during thermal straightening and to explore the main interactions. For this purpose, a simplified mechanical problem is formulated and applied. As a result, definite thermo-mechanical relations between temperature, initial strain, and accumulated plastic strain are obtained. Finally, a verification study is presented and discussed. The results contribute to extending the knowledge about the process and to establishing a theoretical background for development of applied analytical or analytical-numerical approaches for practical use in the designing and planning phases in welding production. An application to a particular case is described in an accompanying paper (part 2).
An analytical model based on a theoretical model established in the previous work (part 1) is developed. The analytical model considers the particular case of an instantaneous high-density heat source acting on a thin pre-stressed plate. It calculates the plastic strain and the area of the zone of plastic deformation. A theoretical study is performed in order to quantify the major factors that influence the plastic strain formation. Furthermore, the work presents a calculation procedure for distortion analysis of lar ge and complex structures, intended to be used for solving industrial tasks. The calculation procedure consists of a combination of the analytical solution and an elastic finite element analysis with the aid of the inherent strain approach. Various aspects of its application are also discussed. The calculation procedure is finally explained using a simple example. Its reliability and practicability are demonstrated through verification and validation studies. The work is dedicated to the thermal straightening of thin-walled welded structures; however, it can also be related to other processes.
Die Festigkeitsberechnung von Strukturen, zum Beispiel Platten oder Schalen, mittels der Finite-Elemente-Methode gehört schon seit längerem zum Stand der Technik. Berücksichtigt werden bei der Berechnung sowohl geometrische Nichtlinearitäten als auch das nichtlineare Verhalten des Werkstoffs. Die geometrischen und strukturellen Imperfektionen werden bei der Ermittlung der Festigkeit zumeist in ausschließlich geometrischen Imperfektionen, wie bspw. Kombinationen aus Fertigungstoleranzen und den Ergebnissen von Beulanalysen zusammengefasst. Zur Rechtfertigung dieser Vorgehensweise werden die geometrischen Imperfektionen gemäß DIN EN 1993-1-5 erhöht. In einem Kommentar zur selben Norm findet
sich ebenfalls eine Empfehlung zur Berücksichtigung von Schweißimperfektionen in Form von vereinfachten Längseigenspannungsverläufen. Diese werden in Abhängigkeit der
Fließgrenzspannung des Werkstoffs bei Raumtemperatur und der Dicken der Fügepartner angenommen. Sowohl die Annahme rein geometrischer Imperfektionen als auch die Berücksichtigung vereinfachter Eigenspannungszustände, sind mit Sicherheitszuschlägen
behaftet. Durch eine realitätsnähere Berücksichtigung von strukturellen und geometrischen Imperfektionen, hervorgerufen durch Schweißprozesse, kann die tatsächliche Tragfähigkeit einer Struktur wesentlich exakter bestimmt werden. Inhalt dieses Artikels ist die Anwendung eines analytisch-numerischen Hybridmodells zur
Schweißimperfektionsberechnung an einer doppelt versteiften Platte und einer anschließenden Festigkeitsanalyse. Eingangs wird das analytische Modell vorgestellt und auf die grundlegenden
physikalischen Zusammenhänge eingegangen. Es folgt die Erläuterung des Kopplungsalgorithmus zwischen analytischem Modell und der numerischen Berechnung. Angewendet an der doppelt versteiften Platte, wird ein realitätsnaher geometrischer und
struktureller Imperfektionszustand berechnet. Eine anschließende Traglastanalyse gibt Aufschluss über das Verformungsverhalten unter achsialer Krafteinwirkung. Zur Bewertung der Ergebnisse wird ein Modell gleicher geometrischer Abmessungen und Werkstoffkennwerte aus
der Literatur herangezogen. Berechnet wurden die ersten 6 Eigenformen mittels analytischer und numerischer Modelle sowie die Last-Verformungskurven unter der Annahme unterschiedlicher geometrischer Imperfektionen. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu sichern, wird eingangs die Lagerung des Modells sowie der Kraftangriffspunkt in Längsrichtung invers, durch den Vergleich der ersten 6 Beulformen sowie der Last-Verformungskurven dreier
Imperfektionen, bestimmt. Darauf aufbauen wird die Last-Verformungskurve für einen überlagerten Imperfektionszustand berechnet, wobei die geometrischen Imperfektionen aus den
Fertigungstoleranzen abgeleitet und die strukturellen idealisiert, gemäß DIN EN 1993-1-5, gewählt werden. Abschließend werden alle Last-Verformungskurven einander gegenübergestellt.
Anhand des Vergleichs kann quantifiziert werden, wie konservativ die einzelnen angenommenen Imperfektionen sind und wie sich der Verformungsverlauf darstellt, berechnet man diesen unter
Verwendung realitätsnaher geometrischer und struktureller Imperfektionen.
Welded joints of aluminum alloy 6082-T6 formed by the method of impulse friction stir welding are studied. The effect of the power and frequency of the pulses on the microstructure and mechanical properties of the welded joints is determined. Application of an additional pulse during the welding affects the surface quality and the shape of the weld, the distribution of the oxide layer and of particles of the hardening phase, and the grain size in the zone of dynamic recrystallization.
Direct bonding of copper and porous LaCrO₃ without an extra filler interlayer was successfully completed using local and fast Cu‐infiltration through laser cladding. This significantly reduced the susceptibility of the ceramic to cracking. A high‐speed camera investigation into the wetting and infiltration behavior of a Cu‐melt into LaCrO₃ with a porosity of ~63 vol% was performed. By adjusting the focal distance with a constant laser power of 300 W, the Cu‐melt was rapidly infiltrated into the ceramic preform in 10 seconds. This was completed under atmospheric air conditions, without added inert gas. The joining process developed can be used to fabricate ceramic/metal joints with targeted (micro‐) structure properties by adjusting the infiltrated melt and the infiltration depth, which would be suitable for many applications, such as multifunctional devices, solid oxide fuel cells or heating elements.
The properties of sandwiches with aluminum foam and the special features of their use in lightweight welded structures are determined. The weldability of such sandwiches in foamed and non-foamed conditions is analyzed under friction stir welding, laser beam welding and short arc welding in protective gas. The process and mechanical properties of the welds are studied. The results are generalized in a catalog that may be useful for materials scientists and designers.
The properties of the welded joints of 6082-T6 alloy produced by friction stir welding (FSW) and laser welding(LW) were studied. The maximum temperature and microhardness fields in the friction stir-welded joints were shown to be asymmetrical. The concentrated energy input during laser welding yields a narrow heat-affected zone (HAZ) with sharp changes in mechanical properties. The strength of the FSW joint constitutes 72% and that of the LWjoint—67% of the base metal strength. In case of LW, the minimum hardness of the joint corresponds to the metal of the welded joint, while in case of FSW, it corresponds to the heat-affected zone. At the same maximum heating temperature, the hardness of the heat-affected zone of the friction stir-welded joint is lower compared to laser welding due to substantially lower rates of heating and cooling.
Imperfektionen, die bei Traglastberechnungen Berücksichtigung finden müssen, haben ihre Ursachen in Herstellungs- und Fertigungstoleranzen oder werden durch das Schweißen und den damit zumeist einhergehenden Nachbehandlungen in den Bauteilen hervorgerufen. Durch die Wärmewirkung des Schweißens entstehen sowohl sehr große Verformungen als auch signifikante Zug und Druckspannungen. Der strukturelle und geometrische Imperfektionsgrad wird somit maßgeblich von der Anzahl und der Lage der Schweißnähte sowie den Schweißparametern bestimmt. Für die Berücksichtigung in Traglastberechnungen ist ein physikalisch fundiertes Modell erforderlich, welches die Schweißimperfektionen schnell und präzise berechnet. Das gekoppelte analytisch numerische Hybridmodell erfüllt diese Kriterien. Die mathematischen Grundlagen des analytischen Modells sowie die Kopplung mit der numerischen Finite-Elemente-Berechnung werden eingangs vorgestellt und die Anwendung zur Berechnung von Verzügen an einer Schiffsektion demonstriert. Darauffolgend wird das Hybridmodell an einer eben und einer gekrümmten versteiften Platte zur Berechnung der Schweißimperfektionen angewendet. Anschließende Traglastberechnungen sowie der Vergleich mit den Ergebnissen unter der Annahme einer geometrischen Ersatzimperfektion in Form des kritischsten Eigenwerts gibt Auskunft darüber, welches Potenzial die realitätsnahe direkte Berücksichtigung von Schweißimperfektionen birgt.