FG Füge- und Schweißtechnik
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Das Widerstandspunktschweißen ist ein weit verbreitetes Schweißverfahren, insbesondere bei der Karosserieherstellung in der Automobilbranche. Im Hinblick auf den Leichtbau werden zunehmend Aluminiumlegierungen verwendet. Das Hauptproblem beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungen ist der schnelle Elektrodenverschleiß. Dadurch wird die Qualität und Effizienz des Schweißprozesses beeinträchtigt. Die Elektrodenstandmenge ist erreicht, wenn die Schweißverbindung eines der Qualitätskriterien nicht erfüllt. Um die Elektrodenstandmenge zu ermitteln, werden in der Industrie im Rahmen der Schweißnahtqualifizierung zeit- und ressourcenaufwändige Methoden, u. a. zerstörende Prüfmethoden, verwendet. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Vorhersage des kritischen Elektrodenverschleißes beim Aluminiumschweißen durch Messung des dynamischen Widerstandes vorgeschlagen. In umfangreichen Versuchsreihen an einer automobiltypischen Al-Legierung der 5000er Gruppe wurden dynamische Widerstandsmessungen durchgeführt. Aus den Widerstandsmesswerten konnte ein Indikator ermittelt werden, welcher auf das Auftreten von Poren in Schweißverbindung und auf einen bald auftretenden kritischen Elektrodenverschleiß hinweist.
In recent years, lightweight construction and the demand for resource and energy efficiency have increasingly supported the use of high-strength steels. Laser beam welding (LBW) of these materials is used in industrial mass production to efficiently manufacture high-precise components and parts with the highest quality requirements. Avoiding welding-related defects such as weld distortion and cold cracking is critical. Conventional applications currently meet this requirement to a limited extent due to very restricted process tolerances and the use of non-critical materials, which limits the potential of the joining process. Based on FE welding process simulations, concepts have been developed to reduce distortion and cracking through active control of the LBW process. The underlying models consider the weld induced temperature field, microstructure transformations, and residual stresses to calculate distortion. In addition, the local hydrogen concentration is calculated, and the results of the welding process simulation are evaluated using a cold cracking tool that includes material-specific cracking criteria. The ability to simulate distortion and cold cracking behavior opens up the possibility of parameter variation. From the data collected, concepts of active force introduction with dynamic workpiece clamping have been derived that lead to distortion and cold cracking reduction and promote the weldability of high-strength materials.
Das pulverbasierte 3D-Metalldrucken ermöglicht die Fertigung von hochkomplexen Integralbauteilen, die als Trägerstruktur für Mikroreaktoren benutzt werden. Nach einer Beschichtung der Struktur mit einem Katalysatormaterial, können diese Mikroreaktoren höchst effizient für die CO2-Methanisierung eingesetzt werden. Durch die additive Fertigung mit dem selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM) wurden adaptierte dreidimensionale periodische Gitterstrukturen mit sehr geringen Wandstärken hergestellt. Diese weisen ein sehr günstiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (TPMS - Triply periodic minimal surface) auf. Des Weiteren zeigen die TPMS-Strukturen vorteilhafte Strömungseigenschaften, die sowohl für die Beschichtung mit dem Katalysator-Material als auch die Durchströmung mit den Reaktionsmedien im Betrieb essentiell sind. So ist es beispielsweise möglich, durch die Variation der Dimension einer TPMS-Struktur die Oberfläche pro Volumeneinheit, den hydraulischen Durchmesser des Reaktors und somit auch den Transportprozess des Fluids deutlich zu verbessern. Diese Faktoren ermöglichen eine effektivere Gas-Katalysator-Reaktion. Im Vergleich zu Mikroreaktorstrukturen aus den traditionellen Herstellungsverfahren liefern die additiv gefertigten Strukturen sowohl eine höhere CO2-Umwandlungsrate als auch eine CH4-Selektivität innerhalb des diffusionskontrollierten Bereichs.
Im vorgestellten Projekt wurden werkstoff- und konstruktionsgerechte Knotenformen aus Aluminiumschaumsandwich gestaltet und mit unterschiedlichen Schweißverfahren, wie dem Metall-Inertgas-Schweißen und dem Rührreibschweißen, gefügt und geprüft. In umfangreichen Untersuchungen wurden die Knoten, der Sandwichverbund und die Einzelkomponenten des Sandwich, Schaum und Decklagen, anhand der statischen Festigkeit und Schwingfestigkeit bewertet. Zusätzlich wurden innere Schädigungsmechanismen betrachtet. Mit experimentellen und numerischen Nachweismethoden konnte die anwendungssichere Knotengestaltung, -anbindung und -berechnung der unterschiedlichen Verbindungstypen umgesetzt werden. Die Ergebnisse wurden im Rahmen der Nachweisführung gegenübergestellt und hinsichtlich eines praxisgerechten Einsatzes nach FKM-Richtlinie bzw. Eurocode9 bewertet. Mit den ermittelten Ergebnissen wurde die bisherige Gestaltungs- und Fügerichtlinie um neue Verbindungstypen erweitert.
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.
Die lichtbogenbasierte additive Fertigung (WAAM) ist ein vielversprechendes Werkzeug, um die Ersatzteilbereitstellung von schwer verfügbaren oder aufwendig herstellbaren Einzelkomponenten in kürzester Zeit zu gewährleisten. Die Straffung innerbetrieblicher Abläufe sowie die Minimierung von Herstellungs- und Lagerkosten sind eine direkte Folge. Vor dem Einsatz im Betrieb muss sichergestellt werden, dass die Bauteile fehlerfrei additiv herstellbar sind und die mechanischen Eigenschaften den Anforderungen konventionell gefertigter Werkstücke entsprechen. Ein solcher Nachweis konnte am Beispiel eines additiv hergestellten Zwischenstücks für die Bergbauausrüstung mit einer abschließenden Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften erfolgreich geführt werden. Das Zwischenstück mit einem Gewicht von ca. 31 kg zur Verbindung von geometrisch unterschiedlichen Profilen wurde ausgehend von einer Grundplatte aus S355-J2+N beidseitig additiv mit einem Massivdraht G3Si1 aufgebaut. Die Ermittlung geeigneter Parameter, Schweißfolgen und Zwischenlagentemperaturen erfolgte experimentell mit begleitenden metallografischen Untersuchungen. Nach erfolgreicher Fertigung wurden die mechanischen Eigenschaften des Zwischenstücks bestimmt sowie die Festigkeit und Zähigkeit mit den geforderten Werkstoffkennwerten des bisher eingesetzten konventionellen Konstruktionsmaterials verglichen.
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.
Während in einem konventionellen Ultraschallprüfkopf ein Kunststoffdämpfungskörper mit Kleber oder Öl an einen Piezoschwinger angekoppelt ist, werden als Hochtemperaturlösung feinporöse sintermetallische Dämpfungsmaterialien mit einer Flüssigglasankopplung eingesetzt. Um dabei das Sintermetall vor dem korrosiven Angriff der Glasschmelze zu schützten, wird am Dämpfungskörper gegenwärtig Gold- oder Platinfolie zeit- und kostenaufwendig appliziert.
In der aktuellen Arbeit wurde eine Methode zum Korrosionsschutz der sintermetallischen Oberfläche aus rostfreiem Stahl mittels Laser-Pulverauftragschweißen entwickelt. Im Laufe einer Schweißparameterstudie auf dem Substratmaterial aus massivem rostfreiem Stahl wurde die Eignung unterschiedlicher Auftragsmaterialien auf Nickel- und Kobaltbasis untersucht. Dabei wurde zunächst der Einfluss verschiedener Schweißparameter wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Pulvermenge auf die Auftragsqualität (Nahtform, Vermischungsgrad, Porosität) metallografisch bewertet. Anschließend wurden die aufgetragenen Schichten hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit getestet. Der Kontakt mit einer flüssigen Glasmischung bei 500 °C hat bei keiner der beschichteten Proben sichtbare Korrosionswirkung gezeigt. Als Resultat der Schweißparameterstudie haben sich besonders die nickelbasierten
Pulver als gut geeignete Materialien für den Prozess gezeigt. Die identifizierten Schweißparameter wurden im nächsten Schritt erfolgreich an das sintermetallische Substrat angepasst.
Die Schweißposition beeinflusst erheblich die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht, insbesondere die Kerbschlagzähigkeit. Dies zeigt ein umfassender Vergleich der mechanischen Eigenschaften von Schweißgütern, die in der Steigposition (PF) und Wannenlage (PA) ausgeführt wurden. Schweißgüter von Kohlenstoff-Mangan-Stählen weisen in der PF-Position eine reduzierte Kerbschlagarbeit im Vergleich zur PA-Position auf. Dagegen ist bei austenitischen und Duplexstählen der Einfluss der Schweißposition auf die Kerbschlagarbeit genau entgegengesetzt. Der Vortrag fasst den Einfluss der Schweißpositionen auf die mechanischen Eigenschaften zusammen und liefert eine Erklärung für die gegensätzlichen Auswirkungen auf die Kerbschlagzähigkeit der Schweißgüter. Der Schwerpunkt liegt dabei auf hochlegierten Fülldrähten mit einer schnell erstarrenden Schlacke. Die Schlackeneigenschaften, Schweißgutmikrostruktur, Delta-Ferrit-Gehalte für Schweißgüter vom Typ Duplexstahl (2209) und von austenitischen Schweißgütern (308L) sowie die Auswirkungen der Schweißposition auf die Richtung des Schweißkornwachstums werden erläutert. Zum Vergleich werden Kohlenstoff-Mangan-Rutil-Fülldrähte mit schnell erstarrender Schlacke herangezogen.