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In this study, a three-dimensional thermal conduction model based on the finite element analysis was established to predict a heat distribution during laser welding in overlap configuration of austenitic stainless steel 1.4301 and hardenable aluminum alloy 6016. A hybrid model based on two expanded curve-rotated volumetric heat sources is suggested to capture the complex weld geometry. Since thermal flow in the overlap area is a crucial part of the model, an analytic calculation of a thermal contact conductance between the plates and its subsequent implementation in the FE model through a superposition of two contact surfaces are described in details in this paper. Full thermal cycles, weld shapes, and thus mixing grades were successfully predicted by means of the developed model for different parameter combinations.
In this study, the residual stresses distribution induced by multi-pass arc welding of the steel S355J2+N are investigated experimentally and numerically. An extended approach is used for the simulations, which considers the change of the local microstructure properties due to multiple reheating. Experimental material data obtained from physical welding simulations with Gleeble® are used for the model calibration. The experimental stress study is performed using a neutron diffraction method on a fourier stress diffractometer. Numerical analysis of the welding stresses formation in the weldment is performed and compared to the experimental study. The results explain the influence of the welding thermal history on the resulting local thermo-mechanical properties in the heat-affected zone and, thus, on the residual stress distribution. The consideration of the local microstructure properties in the welding simulation leads to a significant increase in accuracy of the numerical results. The major influence factor on the residual stress formation is the change in the interpass microstructure yield strength. When a root pass with short cooling times is subjected to re-austenitisation in the fine-grained zone, the yield strength increases in this area and affects consequently the residual stress distribution. The influence of the reheating is detectable in the depth of the weldment, but it is less significant for the residual stress formation near the surface of the welded joint.
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.
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.
The work presents an innovative approach for simulation of welding induced distortions, which allows taking into consideration the local effects of the welding process as well as the global interactions in the structure. The approach bases on an integration of analytical and numerical calculation’s procedures in a hybrid model, realized with the aid of the inherent strain concept. The analytical procedure calculates the shrinkage strain components and area of the plastic deformed zone, caused by welding. The calculated strains are then transferred to the global finite element model in order to predict the distortions and stresses in the structure after every welding stage, as well as their final state. The consideration of welding scenarios, weld sequence, clamping conditions and the assembling stages is done by taking into account the intermediate variation of the strain state during the manufacturing steps.
The article gives the theoretical basis of the analytical model. The consideration of the essential physical relations is put into discussion. The application of the model is illustrated on complex structures. Its reliability and practicability are demonstrated by means of a validation study.
Great attention is focused nowadays on laser welding of dissimilar steel-aluminum joints in overlap configuration in key-hole mode. It was found that elastic-plastic properties of the weld metal exhibit strong difference to those of the base alloys and can be defined as a function of aluminum content in the weld metal. A developed Finite-Element simulation model allows prediction of the aluminum content as a function of welding parameters and subsequently the elastic-plastic properties of the weld metal as a function of the determined content. The main goal of the present study is to show the impact of the weld metal properties on welding distortions and residual stresses. For that purpose, a sensitivity analysis of the thermomechanical model was performed, where the distortions and residual stresses were computed as a function of welding parameters and therefore as a function of corresponding weld metal properties. The analysis showed that the influence of the weld metal is essential, and its properties should be taken into consideration in the models for better prediction accuracy.
This study presents an experimental results of residual stress states in stainless steel plate samples with size 100 x 50 x 10 mm welded using a high-power fiber laser. The technological parameters of the welding process were: laser power Q = 15 kW; laser spot size = 0.65 mm; welding speed V = 3 m/min; 4 m/min; 5 m/min, using 30 L/min of protective Ar gas. The neutron diffraction method was used to determine the residual stresses in the bulk of the material. The neutron experiments were performed on the FSD diffractometer at the IBR-2 pulsed reactor in the Frank Laboratory of Neutron Physics, Joint Institute for Nuclear Research - Dubna, Russian Federation. The measured residual stress distributions exhibit maxima at weld seam centers. As expected, for all specimens the residual stress is falling down in regions distant from the weld zone. Maximal residual stress value of 492 MPa was observed for sample welded with speed of V = 5 m/min.
Impulse Friction Stir Welding (IFSW) was utilized to join 6082–T6 alloy plates at various impulse frequencies. A distinctive feature of IFSW is the generation of mechanical impulses that enhances the forging action of the tool, and thereby, alters the weld microstructure. The microstructural evolution in the Stir Zone (SZ) with special focus on the strengthening precipitation behavior, and overall mechanical properties of the IFSW joints have been investigated. It was demonstrated that the strengthening β″ precipitates reprecipitated in the SZ of the IFSW joints during natural aging. In contrast, no precipitates were found in the SZ of the Friction Stir Welding (FSW) weld. Partial reversion of β″ after IFSW is supposed to occur due to more developed subgrain network and higher dislocation density introduced by impulses that accelerated precipitation kinetics. Dynamic recrystallisation was facilitated by impulses resulting in a fine, homogeneous structure. There was no significant difference between the microhardness in the SZ, tensile and yield strength of the FSW and IFSW joints. However, the application of impulses demonstrated the smoothing of the hardness reduction in the transition region at the advancing side. The shift of the fracture location from the Heat-Affected Zone (HAZ) by FSW to the SZ as well as higher elongation of the joints by IFSW of lower frequencies could be related to the grain refinement and the change of the grain orientation.