FG Füge- und Schweißtechnik
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Im vorgestellten Projekt wurden werkstoff- und konstuktionsgerechte Knotenformen aus Aluminiumschaumsandwich (engl. Aluminium Foam Sandwich, AFS) gestaltet und mit unterschiedlichen Schweißverfahren wie dem Metall-Inertgasschweißen und dem Rührreibschweißen gefügt und geprüft. Im Rahmen der Arbeiten stand dabei die schweißtechnische Verarbeitung von AFS mit anderen Produkten, wie den Strangpressprofilen oder dem Aluminiumvollmaterial, und deren Beanspruchbarkeit im Vordergrund. In umfangreichen Untersuchungen wurden hierzu sowohl die Verbindugsknoten selbst als auch 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.
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 this publication, cold gas spraying (CGS) is investigated as an enabler for aluminum-steel joints. Using a powder-based coating process to adhere a steel layer to an aluminum substrate allows a steel component to be welded to the deposited layer by resistance spot welding. This method permits the metallurgical connection between similar materials to be separated, while mechanical bonding ensures the connection at the dissimilar aluminum-to-inlayer interface. A modification of the porous CGS layer, as well as the creation of the remelted zone in the aluminum, can be observed during the resistance spot welding process. Electron backscatter diffraction (EBSD) analyses show that the severely prestressed particles in the CGS coating recrystallize, which coincides with a decrease in defect density and hardness in the heat-affected zone. Microscopy of the aluminum substrate shows the creation of metallurgical pores as well as the expansion of pores attributed to the casting process. The rise in remelted aluminum hardness and decrease in the heat-affected zone of the CGS layer indicate the formation of a metallurgical notch.
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.
Investigations on the thermal conditions during laser beam welding of high-strength steel 100Cr6
(2023)
This study examines the thermal conditions during laser beam welding of 100Cr6 high-strength steel using a TruDisk5000 disc laser with a continuous adjustable power range of 100–5000 W. Two parameter sets, characterized by laser power and welding speeds, were analyzed by thermal-metallurgical FE simulations to determine their impact on the thermal conditions during welding. The results show a significant shift in heat coupling, with conduction transitioning to deep penetration welding. As a result of the high welding speeds and reduced energy input, extremely high heating rates up to 2∙104 K s−1 (set A) respectively 4∙105 K s−1 (set B) occur. Both welds thus concern a range of temperature state values for which conventional Time-Temperature-Austenitization (TTA) diagrams are currently not defined, requiring calibration of the material models through general assumptions. Also, the change in energy input and welding speed causes significantly steep temperature gradients with a slope of approximately 5∙103 K mm−1 and strong drops in the temperature rates, particularly in the heat affected zone. The temperature cycles also show very different cooling rates for the respective parameter sets, although in both cases they are well below a cooling time t8/5 of 1 s, so that the phase transformation always leads to the formation of martensite. Since the investigated parameters are known to cause a loss of technological strength and conditionally result in cold cracks, these results will be used for further detailed experimental and numerical investigation of microstructure, hydrogen distribution, and stress-strain development at different restraint conditions.
Modern material-compatible joining methods for fiber-reinforced plastics require the heating of the materials. In order to predict the respective complex temperature fields and curves, the Fraunhofer IAP and the BTU
Cottbus-Senftenberg have developed numerical methods, which are able to simulate different radiation sources and process sequences as well.
Dieser Beitrag stellt eine Entwicklung, Anpassung und Untersuchung der neuartigen Pinschweißtechnik zur Verbindung thermoplastischer Faserkunststoffverbunde mit metallischen Fügepartnern dar. Die untersuchte Fügetechnik bietet, im Vergleich zu anderen Verfahren, neben einer einseitigen Zugänglichkeit, ein hohes Leichtbaupotenzial. An Multimaterial-Einzelpinverbindungen wurden die CMT-Pinschweißbarkeit charakterisiert und unterschiedliche Fügestrategien erprobt und ausgewertet. Als Bewertungskriterien wurden das Schweißgut sowie der Faser- und Matrixerhalt in Abhängigkeit von den Schweißparametern untersucht. Die mechanische Beanspruchbarkeit der mit dem entwickelten Verfahren erstellten Verbindungen wurde in Scherzugversuchen ermittelt. An Mehrpinverbindungen wurde anschließend der Einfluss der Pinanordnung untersucht und die Auslegung der Fügezone analysiert. Der Fügeprozess wurde an Funktionsmustern und diese wiederum in 3-Punkt-Biegeversuchen validiert sowie mit dem Kleben verglichen.
Neuartige, werkstoffgerechte Fügeverfahren für Faserkunststoffverbunde setzen die Erwärmung der Materialien voraus. Um die damit verbundenen komplexen Temperaturfelder und -verläufe vorherzusagen, haben das Fraunhofer IAP und die BTU Cottbus-Senftenberg numerische Verfahren entwickelt. Mit diesen können auch verschiedene Strahlungsquellen und Prozessabläufe simuliert werden.
The effect of heat treatment at various temperatures (650, 850, 1050, and 1100°C) and dwell times (10 min and 1 h) on the metallurgical and microstructural evolution as well as on the related tensile properties of stainless steel 316L processed by selective laser melting (SLM) has been systematically evaluated. The metallurgical and microstructural features such as defects, stability of the columnar–cellular structure and substructure, second phase particles, and phase transformation imparted by SLM and heat treatment have been discussed. It has been shown that the processing conditions specific to SLM significantly alter the kinetics of phase evolution compared to standard welding techniques which affects the accuracy of the prediction. The influence of these characteristics on tensile properties and hardness was elucidated. It was disclosed that with increasing heat treatment temperature there was a gradual increase in elongation but a decrease in strength related to the dislocation density and the development of the microstructure.