FG Füge- und Schweißtechnik
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The Influence of Geometrical and Welding Imperfections on the Strength of Stiffened Structures
(2018)
The strength calculation of stiffened plates and shells via finite element simulation has been part of the state of the art for a long time. Geometrical nonlinearities as well as the nonlinear material behavior are considered within the calculation. To simplify, both types of imperfections, geometrical and structural ones, are mostly combined in these strength calculations being considered as equivalent geometrical imperfections. Values for standard cases are included in EN 1993-1-5 in case of plated structures or 1-6 in case of shells. A second possibility is the separate definition of fabrication tolerances and residual stresses, as far as they are known. With increasing complexity of the structure, less information are however available on geometrical and particularly structural imperfections. Nevertheless, by means of a more realistic consideration of these values, the actual ultimate load can be determined significantly more exactly and the performance of high performance steel structures is increased.
In the investigated cases, deformations and stresses arise mainly due to welding. Therefore, the topic of this article is the application of an analytical numerical hybrid model for predicting imperfections induced by welds. This is presented on an example of a stiffened steel structure and a subsequent ultimate load calculation. At the beginning the analytical model, its physical basis as well as the physical interrelationships are introduced and explained. This is followed by the explanation of the coupling procedure between the analytical model and the numerical calculation for the calculation of weld-induced deformations and residual stresses. The significance of the hybrid model is proven by means of a few sample applications. For a realistic determination of the weld imperfections in the investigated stiffened structure, the coupled hybrid model is used afterwards. An ultimate load analysis gives information about the load carrying behavior under axial loading. The results are compared with the results of an ultimate load analysis from a literature example assuming different eigenvalues with different scaling. The results underline the potential additional utilization of load bearing capacity by this new approach.
The series of impulse friction stir welding (IFSW) experiments for aluminum alloy 6082-T6 butt joints was performed to obtain micrographs, tensile and hardness test samples and to receive the validation data for a numerical model of the process. Impulse force and frequency were varied to determine the effect of individual process parameters on microstructure evolution and mechanical properties of the welded butt joints. A three-dimensional model was established to simulate temperature distribution, heat generation and contact state between the tool and the workpiece during IFSW. Based on the numerical simulation, the influence of the impulses on heat input, maximum weld temperatures and contact state was found. The combination of impulse force and frequency effected the grain refinement. The influence of impulses on the elongation and hardness of the welded joints during IFSW were determined.
Application of macro-cellular SiC reactor to diesel engine-like injection and combustion conditions
(2012)
Investigation of thermal shock behaviour of refractory ceramics based on the calcium-aluminate
(2015)
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.
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)
The object of the present work is the introduction of a welding simulation approach for aluminium to steel welded joints which are realised by short-arc welding. The study is carried out with special emphasis on the simulation of temperature field by means of conduction solution, on the
applicability of different metallurgical models as well as the aspects of the mechanical simulation of the residual welding stresses and distortions. As result an approved heat source model is suggested and the calibration parameters are presented. For the modelling of the microstructure and corresponding thermomechanical material properties in the heat affected zone different material models are validated. They are used to simulate the welding residual stresses and distortions. Furthermore, the welding simulation of a real component as well as a simulation study of different welding scenarios is presented.
Der Vortrag stellt die Identifizierung und Bewertung der relevanten Einflussfaktoren auf die Gefügeumwandlungen und auf die thermomechanischen Werkstoffkennwerte bei komplexen Temperaturbelastungen vor. Dies erfolgt durch physikalische Simulation der Gefüge in der WEZ von Mehrlagenschweißungen und Aufnahme von Dilatometerkurven und Spannungs-Dehnungskurven. Es wurden einflussarme Kombination von Temperaturzyklen und weitere mit starkem Einfluss auf die Gefügeumwandlung identifiziert. Hinweise zu den erforderlichen Werkstoffkennwerten für die numerische Schweißsimulation wurden gegeben.