TY - JOUR A1 - Bachmann, Marcel A1 - Carstensen, J. A1 - Bergmann, L. A1 - dos Santos, J. F. A1 - Wu, C. S. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical simulation of thermally induced residual stresses in friction stir welding of aluminum alloy 2024-T3 at different welding speeds JF - The international journal of advanced manufacturing technology N2 - The paper deals with a numerical finite element simulation of the residual stress evolution in friction stir welding of 6 mm thick aluminum alloy AA2024-T3. The transient thermal field during the welding process was calculated with the commercial code COMSOL Multiphysics 5.0. Therefore, a thermal-pseudo-mechanical (TPM) heat source was implemented. A subsequent mechanical simulation was performed with varying hardening models for different welding speeds of 60 and 300 mm/min. The influence of softening of the material, which was due to hardening precipitation dissolution associated to the heating, was also investigated. Experiments in terms of thermocouple measurements as well as Vickers hardness and X-ray measurements of the residual stresses were conducted and compared to numerically obtained results. A qualitatively as well as quantitatively good agreement was found for different applied welding speeds. KW - Friction stir welding KW - Residual stress KW - Finite element simulation KW - Thermal softening KW - Aluminum alloy 2024-T3 PY - 2017 DO - https://doi.org/10.1007/s00170-016-9793-8 SN - 0268-3768 SN - 1433-3015 VL - 91 SP - 1443 EP - 1452 PB - Springer CY - London AN - OPUS4-40511 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fritzsche, André A1 - Bachmann, Marcel A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Einsatz einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laserstrahl-(Hybrid)schweißen dickwandiger Stahlbauteile T2 - DVS Congress 2017 N2 - Die experimentellen Untersuchungen innerhalb dieses Berichtes zeigen die erfolgreiche Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laser-strahl(hybrid)schweißen von ferromagnetischen Stäh-len mit einer Werkstückdicke von bis zu 20 mm. Bis-lang wurde dieses System zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von Aluminiumlegierungen und austenitischen Stählen eingesetzt. Zunächst wur-den die Versuche an Duplexstählen vorgenommen, die jeweils zur Hälfte aus Austenit und Ferrit bestehen. Im Anschluss daran wurden die Versuche auf bis zu 20 mm dicke Werkstücke aus Baustahl erweitert. In-nerhalb der Versuchsreihen wurden die AC-Leistung sowie die Oszillationsfrequenz variiert. Für Werk-stückdicken von 15 mm war eine AC-Leistung von ca. 1 kW notwendig, um die Wurzelüberhöhung in die Bewertungsgruppe B der für laserstrahlgeschweißten Stähle gültigen DIN EN ISO 13919-1:1996-09 einord-nen zu können. Mit zunehmender AC-Leistung wird die Wurzelüberhöhung sukzessive reduziert. Nach erfolg-reicher Erweiterung auf ferromagnetische Werkstoffe wurde die Anwendung der Technologie für das Laser-strahlhybridschweißen demonstriert, indem praxisrele-vante Y-Nähte an 20 mm dicken Baustählen ohne Wurzelüberhöhung einlagig in Wannenlage geschweißt wurden. Trotz der Beeinflussung des Lichtbogens durch das oszillierende Magnetfeld sowie des zusätz-lich zum hydrostatischen Druck zu berücksichtigenden Lichtbogendruckes wurde eine ideale Kompensation auf der Wurzelseite erzielt. Die Erweiterung des Anwendungsspektrums der elekt-romagnetischen Schmelzbadstütze auf ferromagneti-sche Werkstoffe sowie auf das Laserstrahlhybrid-schweißen eröffnet für zukünftige industrielle Anwen-dungen ein großes Potenzial. Das einlagige Schwei-ßen dickwandiger Bauteile mittels Hochleistungslasern wird in Kombination mit der elektromagnetischen Schmelzbadstütze attraktiver. In nachfolgenden Un-tersuchungen wird der Einsatz der elektromagneti-schen Schmelzbadstütze beim Laserstrahlhybrid-schweißen von Pipelinestählen angestrebt, v. a. im Hinblick auf die Spaltüberbrückbarkeit und der me-chanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen. Zudem ist beim Schweißen von Duplexstählen der Einsatz von Zusatzwerkstoffen zu berücksichtigen, um das Gleichgewicht zwischen austenitischer und ferritischer Phasen zu stabilisieren. T2 - DVS Congress 2017 CY - Düsseldorf, Germany DA - 26.09.2017 KW - Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung KW - Ferromagnetischer Stahl KW - Laserstrahl-(Hybrid)schweißen PY - 2017 SN - 978-3-96144-008-5 VL - 337 SP - 331 EP - 336 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-42312 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Transient Process Simulation of Heat Transfer in Laser Beam Welding with an Equivalent Heat Source T2 - COMSOL Conference 2017 (Proceedings) N2 - This paper presents a multiphysics modelling framework developed for the prediction of the three-dimensional transient temperature field of the laser welding process. The numerical model consists of two studies. In the first study, a steady-state CFD process simulation of full-penetration keyhole laser beam welding was performed. Considering the effects of, thermo-capillary and natural convection, latent heat of fusion and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature the local weld pool geometry and temperature field were obtained. These results were used in the second subsequent study as an equivalent volumetric heat source by the prediction of the transient thermal cycle during and after fusion welding. Here the energy input and the movement of the heat source were realized by a novel technique, making use of pointwise constraints and a moving mesh provided with helper lines and additional remeshing condition. The numerically calculated results were compared to experimentally observed weld pool shapes and time-temperature curves showing a very good agreement. T2 - COMSOL Conference 2017 CY - Rotterdam, Netherlands DA - 18.10.2017 KW - High power laser beam welding KW - Transient heat transfer KW - Equivalent volumetric heat source KW - Moving mesh KW - Pointwise constraints PY - 2017 SP - 1 EP - 7 CY - Rotterdam AN - OPUS4-42701 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -