FG Füge- und Schweißtechnik
Leichtbau und das Streben nach Ressourcen- und Energieeffizienz fördern in den letzten Jahren vermehrt den Einsatz hochfester Stähle. Das Laserstrahlschweißen dieser Werkstoffe wird in der industriellen Großserienferti-gung zur effizienten Herstellung hochpräziser Bauteile und Komponenten mit höchsten Qualitätsanforderungen eingesetzt. Die Vermeidung schweißbedingter Fehler wie Schweißverzug und Kaltrissbildung sind dabei von ent-scheidender Bedeutung. Konventionelle Anwendungen erfüllen diesen Anspruch derzeit bedingt durch sehr enge Prozesstoleranzen und die Auswahl unkritischer Werkstoffe, was die Potentiale der Fügeverbindung begrenzt. Auf Basis von FE-Schweißprozesssimulationen konnten Konzepte entwickelt werden, welche eine Verzugs- und Riss-minderung durch aktive Steuerung des Laserschweißprozesses ermöglichen. Die zugrundeliegenden Modelle be-rücksichtigen zum einen das schweißbedingte Temperaturfeld, Gefügeumwandlungen und Eigenspannungen für die Berechnung des Verzugs. Zudem wird die lokale Wasserstoffkonzentration berechnet und die Ergebnisse der Schweißprozesssimulation mittels eines Kaltrisstools bewertet, welches werkstoffspezifische Risskriterien enthält. Die Fähigkeit das Verzugs- und Kaltrissverhalten abzubilden, eröffnet die Möglichkeit zur Parametervariation. Aus den erhobenen Daten wurden Konzepte der aktiven Krafteinleitung mit einer dynamischen Werkstückeinspannung abgeleitet, die zu Verzugs- und Kaltrissminimierung führen und die Schweißbarkeit hochfester Werkstoffe fördern.
Durch den strukturellen Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) lassen sich hochwertige gewichtsoptimierte Karosserien in Mischbauweise umsetzen. Die untersuchte CMT-Pin-Schweißtechnik zur Verbindung von thermoplastischen Organoblechen mit Stählen bietet, im Vergleich zu anderen Verfahren, neben einer einseitigen Zugänglichkeit, ein hohes Leichtbaupotenzial. Das Vorhaben wurde auf eine werkstoff-, prozess- und konstruktionsgerechte Umsetzung des Verfahrens ausgerichtet.
Auf Basis experimenteller und numerischer Untersuchungen wurde eine Methode zum Vorwärmen von Organoblechen mittels Infrarotstrahlung entwickelt. Die Eignung der CMT-Pin-Technologie wurde sowohl für das Fügen von karbon- als auch glasfaserverstärktem PA6 betrachtet. Als Bewertungskriterien wurden das Schweißgut sowie der Faser- und Matrixerhalt in Abhängigkeit der Schweißparameter untersucht. Das entwickelte Verfahren wurde mit herkömmlichen Fügemethoden bzgl. der in Kopf- und Scherzugversuchen ermittelten Festigkeiten verglichen. Zur Bestimmung der Beständigkeit der Verbindungen gegen unterschiedliche Witterungsbedingungen wurden Salzsprühnebel- und Wechselkorrosionstests durchgeführt. Mit dem Fügen von Hutprofilen wurde die Anwendung der entwickelte CMT-Pin-Technik am Tunnel sowie den Längs- und Querträgern der Bodenstruktur eines Kraftfahrzeugs demonstriert.
Analysis of temperature field during electron beam welding of hot crack sensitive nickel base alloy
(2021)
The use of temperature-resistant nickel-based superalloys in the field of industrial gas turbines is increasing due to constantly rising operating temperatures. Among different joining methods the electron beam welding is commonly used for manufacturing of turbine components because it provides a reduced heat input. However, the highly localized beam impact causes high temperature gradients and leads to the formation of hot cracks. Welding of such material with a high brittle temperature range is challenging and needs an increasing effort of process adaption. Experiments indicate a significant improvement of hot crack susceptibility when welding outside the common welding parameter range. To understand these observations a study of the temperature field in the specimens using numerical simulations was carried out. For this purpose, a validated simulation model was used. Special attention was paid to the domain in close vicinity of the weld pool. The results illustrate the velocity of solidification isotherm as well as the temperature rates when crossing the melting point. Finally, the relations between thermal fields, crack types and distributions in the different specimens are discussed.