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Modeling of Hydrogen-Assisted Cracking (HAC) in Duplex Stainless Steels (DSS):
- Hydrogen causes significant degradation in DSS and consequently HAC
- Mechanisms of HAC have not been fully understood in two-phase microstructures
- Mesoscale numerical modeling for HAC in DSS was created, coupled to the macroscale, enabling simulation of HAC in both phases independent from predefined crack paths
Hydrogen-assisted cracking (HAC) represents a significant failure risk for (high strength) creep resistant low-alloyed steel components in fossil-fired power plant applications at temperatures of up to and above 200 °C. This particularly applies to respective start-up and shut-down processes associated with alternating service-conditions in terms of load flexible power plants. For quantitative determination of localized crack critical hydrogen concentrations, the temperature dependent hydrogen diffusion coefficients have to be determined as exactly as possible.
However, available literature provides a wide range of hydrogen diffusion coefficients for low alloyed steels with similar microstructures. Additionally, the available diffusion data seem not to be very reliable and their scatter increases with decreasing temperature. One reason is that the experimental boundary conditions can have a major impact on the determination of respective effective diffusion coefficients. Hence, the scope of this study is to evaluate the influence of the experimental boundary conditions on the derived diffusion coefficients. In addition, different methods for calculating diffusion coefficients are discussed. To elucidate such influences and to draw a line to practical application, the diffusion and trapping behavior in the creep resistant steel 7CrMoVTiB10 10 has been studied.
For such purpose, hydrogen charged specimens were isothermally degassed at different temperatures using carrier gas hot extraction (CGHE). Based on experimental data, a numerical model has been developed by which the hydrogen transport behavior and the respective hydrogen distribution during CGHE can be assessed.
It is demonstrated that the specimen heating rate has a large influence on the calculated diffusion coefficients under assumption of isothermal degassing which elsewhere has been underestimated in the assessment of diffusion data in creep-resistant steels. The numerical results suggest that calculation methods for diffusion coefficients are limited if compared to experimental results. It also turned out that the sample preparation time before CGHE can enormously influence determined diffusion coefficients. Consequently, non-homogeneous hydrogen concentration profiles have to be anticipated in the simulations to arrive at characteristic effusion curves consistent to respective CGHE experiments. In turn, validated diffusion coefficients are now available for the low-alloyed Cr-Mo-V steel which might be helpful to calculate appropriate hydrogen removal heat treatment procedures, for instance.
Die Wärmeverteilung des Lasers beim Laserstrahltiefschweißen ist für die Formgebung der Dampfkapillare und für die Schweißbaddynamik entscheidend. In dieser Arbeit werden die Laserwärmeverteilung und deren Einflüsse auf die Schweißbadtiefe sowie -breite numerisch anhand des Ray-Tracing-Verfahrens analysiert. Hierbei wird der La-serstrahl in mehreren Strahlenbündeln bzw. Subrays unterteilt. Diesbezüglich soll der Pfad der Subrays präzis be-rechnet werden, um die Dynamik der Dampfkapillare und des Schweißbades eines realen Schweißprozesses rich-tig abzubilden. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Genauigkeitsverbesserung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays auf der freien Oberfläche anhand der Level-Set-Methode. Um die Güte dieses Simulationsansatzes zu gewährleisten, wurde eine Gegenüberstellung mit den zwei klassischen Ray-Tracing-Verfahren mittels drei verschiedenen Benchmark-Testreihen durchgeführt. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse zur Validierung der implementierten numerischen Ansätze verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit kann es gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmeverteilung aufgrund der verschiedenen Ray-Tracing-Verfahren deutlich zu erkennen ist, welche wiederum die Schweißbaddynamik sowie die lokalisierte Dampfkapil-lardynamik stark beeinflussen. Ferner wurde es bestätigt, dass die implementierte Level-Set-Methode zu einer ge-naueren Ermittlung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays und somit zu einer Verbesserung der simulierten Schmelzkontur führt.
Der Absorptionsgrad metallischer Werkstoffe spielt bei Fügeprozessen mit einer Strahlungsquelle wie dem Hochleistungslaserstrahltiefschweißen eine bedeutende Rolle. Dieser beeinflusst die Menge der absorbierten Laserenergie, welche zum Aufschmelzen sowie zur lokalen Verdampfung des zu verbindenden Materials führt. Eine der wichtigsten Eigenschaften der Laserstrahlabsorption ist die Temperaturabhängigkeit. Dennoch wird sie in vielen Simulationsarbeiten häufig ignoriert und stattdessen ein angepasster Parameter zur Kalibrierung der Ergebnisse implementiert. Diese Vorgehensweise wirkt sich negativ auf die Zuverlässigkeit sowie die Genauigkeit des numerischen Modells sowie auf die Vorhersagbarkeit der Simulationsergebnisse aus. In der vorliegenden Arbeit wird die Temperaturabhängigkeit der Laserabsorption in ein selbstkonsistentes zweiphasiges Modell unter Berücksichtigung der gekoppelten 3D-Fluidströmung und Wärmeübertragung einbezogen. Die berechnete Laserstrahlabsorption wird durch die temperaturabhängigen Materialeigenschaften, die Lasercharakteristik und den Einfallswinkel des Laserstrahls bestimmt. Die freie Oberfläche jeder Phase wird mithilfe der volume-of-fluid Methode, kurz VOF, berechnet und die Laser-Material-Wechselwirkung wird durch ein neulich implementiertes Ray-Tracing-Verfahren modelliert, die auf einem lokalisierten Level-Set-Algorithmus basiert. Anschließend wird die transiente Wärmeeinbringung und die Geometrie der Schweißnaht analysiert und mit dem temperaturunabhängigen Absorptionsmodell verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Temperaturabhängigkeit der Laserabsorption entscheidend für die genaue Bestimmung der Wärmeeinbringung und der Schmelzbadgeometrie ist. Das entwickelte Modell wurde anhand der experimentellen Untersuchungen validiert und die Bedeutung der Temperaturabhängigkeit bei der Laserstrahlabsorption wurde für die Simulation des Laserstrahltiefschweißens aufgeklärt.
Die Wärmeverteilung des Lasers beim Laserstrahltiefschweißen ist für die Formgebung der Dampfkapillare und für die Schweißbaddynamik entscheidend. In dieser Arbeit werden die Laserwärmeverteilung und deren Einflüsse auf die Schweißbadtiefe sowie -breite numerisch anhand des Ray-Tracing-Verfahrens analysiert. Hierbei wird der La-serstrahl in mehreren Strahlenbündeln bzw. Subrays unterteilt. Diesbezüglich soll der Pfad der Subrays präzis berechnet werden, um die Dynamik der Dampfkapillare und des Schweißbades eines realen Schweißprozesses richtig abzubilden. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Genauigkeitsverbesserung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays auf der freien Oberfläche anhand der Level-Set-Methode. Um die Güte dieses Simulationsansatzes zu gewährleisten, wurde eine Gegenüberstellung mit den zwei klassi-schen Ray-Tracing-Verfahren mittels drei verschiedenen Benchmark-Testreihen durchgeführt. Anschließend wur-den die Versuchsergebnisse zur Validierung der implementierten numerischen Ansätze verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit kann es gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmeverteilung aufgrund der verschiedenen Ray-Tracing-Verfahren deutlich zu erkennen ist, welche wiederum die Schweißbaddynamik sowie die lokalisierte Dampfkapillardynamik stark beeinflussen. Ferner wurde es bestätigt, dass die implementierte Level-Set-Methode zu einer genaueren Ermittlung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays und somit zu einer Ver-besserung der simulierten Schmelzkontur führt.
Welded plate girders are used in heavy steel construction, industrial buildings and bride construction. Residual stresses are present in all plate structures. They are mainly caused by welding. In addition, they influence the load bearing capacity of these welded components. However, Eurocode (EC) does not provide any specific residual stress patterns for consideration of residual stress impact on load capacity. Hence, the decision for a particular problem has to be made by the designer. Many codes, including EC 3, permit the use of non-linear finite element analysis (FEA) for the design of structures. This contribution gives an overview on recent research topics: modeling, experimental measuring and evaluation of residual stresses as well as welding simulation tools and simplified methodologies for assessment of weld residual stresses.
This article addresses the imperfections in high-strength steel I-shape sections caused by weld assembly. Load influencing imperfections are assumed mainly as deviations from the ideal shape (e.g. bending distortion) and longitudinal residual stresses. The quality of a numerically aided design of components exposed to either compression and/or bending is significantly dependent on those parameters. In this scope, major gaps in knowledge are still present. Eurocode (EC) is providing robust simplified models that date back to the 1960's and 70's. As a result, the ultimate limit state (ULS) is approached on a quite conservative basis. The investigations are presented in this article are aimed to give further guidance on these values in component-like specimens in the context of Eurocode.
The spatial laser energy absorption inside the keyhole is decisive for the dynamic molten pool behaviors and the resultant weld properties in high-power laser beam welding (LBW). In this paper, a numerical simulation of the LBW process, considering the 3D transient heat transfer, fluid flow, and keyhole dynamics, is implemented, in which the free surface is tracked by the volume-of-fluid algorithm. The underlying laser-material interactions i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by an advanced ray-tracing method based on a localized Level-Set strategy and a temperature-dependent absorption coefficient. The laser energy absorption is analyzed from a time-averaged point of view for a better statistical representation. It is found for the first time that a noticeable drop of the time-averaged laser energy absorption occurs at the focus position of the laser beam, and the rest region of the keyhole has relatively homogenous absorbed energy. This unique absorption pattern may lead to a certain keyhole instability and have a strong correlation with the detrimental bulging and narrowing phenomena in the molten pool. The influence of the different focus positions of the laser beam on the keyhole dynamics and molten pool profile is also analyzed and compared. The obtained numerical results are compared with experimental measurements to assure the validity of the proposed model.
The spatial laser energy absorption inside the keyhole is decisive for the dynamic molten pool behaviors and the resultant weld properties in high-power laser beam welding (LBW). In this paper, a numerical simulation of the LBW process, considering the 3D transient heat transfer, fluid flow, and keyhole dynamics, is implemented, in which the free surface is tracked by the volume-of-fluid algorithm. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by an advanced ray-tracing method based on a localized level-set strategy and a temperature-dependent absorption coefficient. The laser energy absorption is analyzed from a time-averaged point of view for a better statistical representation. It is found for the first time that a significant drop in the time-averaged laser energy absorption occurs at the focus position of the laser beam and that the rest of the keyhole region has relatively homogeneous absorbed energy. This unique absorption pattern may lead to a certain keyhole instability and have a strong correlation with the detrimental bulging and narrowing phenomena in the molten pool. The influence of different focus positions of the laser beam on the keyhole dynamics and molten pool profile is also analyzed. The obtained numerical results are compared with experimental measurements to ensure the validity of the proposed model.