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.
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.
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.