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- 7.7 Modellierung und Simulation (1)
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Komplexe Bauteile ohne Fügestellen sind die Spezialität additiver Verfahren. Immer deutlicher wird der Wert dieser Technologie für den Turbomaschinenbau, etwa bei der Fertigung von Turbinenschaufeln mit inneren Kühlstrukturen. Wichtig für vorbildgetreue Turbinenkomponenten: Die Technologie ermöglicht die Fertigung von Freiformen und Hinterschnitten, von außen- und innenliegenden filigranen, komplexen Strukturen als Einzelteil - und das in einem einzigen Arbeitsschritt. Des Weiteren benötigen additive Verfahren keine formgebenden Werkzeuge und weisen demnach kürzere Prozessketten im Vergleich zu konventionellen Herstellungsverfahren auf. Wirtschaftliche Vorteile kommen vor allem bei kleinen Losgrößen und Bauteilabmessungen zur Geltung.
In diesem Artikel werden am Beispiel einer Turbinenschaufel Schlüsseltechnologien einer additiven Prozesskette gezeigt. Zunächst erfolgt die additive Fertigung einer Turbinenschaufel mittels Selective Laser Melting (SLM). Das Verfahren ermöglicht die Integration innenliegender Kühlkanäle. An dieser Schaufel wird anschließend mittels Laser-PulverAuftragschweißen (LPA) die Reparatur unterschiedlicher Beschädigungen demonstriert. Im nächsten Schritt der Prozesskette bietet ein optischer 3D-Scan der Schaufel die Möglichkeit zur Qualitätskontrolle und zum Vergleich der Bauteilabmessungen mit der Sollgeometrie.
Unter den rauen Bedingungen in der Automobilkarosseriefertigung lassen sich schweißbedingte Imperfektionen wie Risse beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen nicht immer vermeiden. Dabei ist der Einfluss solcher Risse auf die Schwingfestigkeit insbesondere von modernen hochfesten austenitischen Stählen derzeit nicht hinreichend bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher der Einfluss von Schweißrissen verschiedener Lage und Ausbildung untersucht. Dabei konnte durch die Analyse der normierten Steifigkeitsverläufe von Proben sowie durch die Gegenüberstellung der Versagensschwingspielzahlen nachgewiesen werden, dass die spritzerfrei erzeugten Oberflächenrisse im Zentrum, im Übergangsbereich sowie im Randbereich der Schweißlinse keinen negativen Einfluss auf die Schwingfestigkeit des hier untersuchten hochfesten austenitischen Werkstoffs haben. Proben, die mit Schweißspritzern hergestellt wurden und Risse im Randbereich aufweisen, zeigen deutliche höhere Versagensschwingspielzahlen als rissfreie Referenzproben. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
In the rough conditions in the fabrication of automobile bodies, it is not always possible to avoid welding-induced imperfections such as cracks during the resistance spot welding of highstrength steels. In this respect, the influence of such cracks on the fatigue strength particularly of modern high-strength austenitic steels is not sufficiently well-known at present. The influence of welding cracks with various positions and formations was therefore investigated within the framework of this paper. In this case, the analysis of the standardised stiffness courses of specimens and the comparison of the numbers of failure stress cycles served to prove that the surface cracks produced without any spatter in the centre, interfacial region and peripheral region of the weld nugget do not have any negative influence on the fatigue strength of the high-strength austenitic material investigated here. Specimens which were manufactured with welding spatter and exhibit cracks in the peripheral region show considerably higher numbers of failure stress cycles than crack-free reference specimens.
Schweißzugeigenspannungen in Strahlschweißnähten auf Höhe der lokalen Werkstoffstreckgrenze können die Bauteileigenschaften sowie deren Lebensdauer beeinflussen. Die Nutzung der Schweißquelle für eine nachträgliche Behandlung der geschweißten Bauteile bietet eine kostengünstige und flexible Methode zur Reduzierung dieser Spannungen. Dabei wird durch einen oszillierenden defokussierten Elektronen- bzw. Laserstrahl der Werkstoff beidseitig der Schweißnaht auf mehrere hundert Grad Celsius erwärmt, um dort zusätzliche Zugspannungsbereiche hervorzurufen. Die so erzeugten Längszugspannungszonen führen zu einer mechanischen Entlastung der Schweißnaht. Experimentelle Messungen zeigen, dass die Längseigenspannungen in der Schweißnaht mit diesem Verfahren um bis zu 70% reduziert werden können. Hierbei wurde neben der experimentellen Untersuchung dieses Verfahrens an Linearnähten an 5 mm dicken Blechen des Werkstoffs S355J2+N auch eine umfassende Analyse der Einflüsse der Verfahrensparameter auf die Spannungsreduktion mittels FEMSimulation durchgeführt. Anhand der Ergebnisse wird der Entlastungsmechanismus diskutiert. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Residual tensile welding stresses in beam welds at the level of the local yield strength of the material may influence the properties of components as well as their service lives. The utilisation of the welding source for the subsequent treatment of the welded components offers a cost-favourable and flexible method of reducing these stresses. In this respect, an oscillating defocused electron or laser beam serves to heat the material on both sides of the weld up to several hundred degrees Celsius in order to induce additional tensile stress regions there. The longitudinal tensile stress zones produced in this way lead to the mechanical relief of the weld. Experimental measurements show that the longitudinal residual stresses in the weld can be reduced by up to 70% with this process. In this case, not only was the experimental investigation into this process conducted on linear welds on 5 mm thick sheets made of the S355J2+N material but a comprehensive analysis of the influences of the process parameters on the stress reduction was also made by means of FEM simulation. The relief mechanism is discussed on the basis of the results.
In the rough conditions in the fabrication of automobile bodies, it is not always possible to avoid welding-induced imperfections such as cracks during the resistance spot welding of high-strength steels. In this respect, the influence of such cracks on the fatigue strength particularly of modern high-strength austenitic steels is not sufficiently well-known at present. The influence of welding cracks with various positions and formations was therefore investigated within the framework of this paper. In this case, the analysis of the standardised stiffness courses of specimens and the comparison of the numbers of failure stress cycles served to prove that the surface cracks produced without any spatter in the centre, interfacial region and peripheral region of the weld nugget do not have any negative influence on the fatigue strength of the high-strength austenitic material investigated here. Specimens which were manufactured with welding spatter and exhibit cracks in the peripheral region show considerably higher numbers of failure stress cycles than crack-free reference specimens.
Die aktuelle Normung bezüglich mikroskopischer Untersuchungen von Schweißverbindungen und die Zulässigkeit von Mikrorissen sowie deren Definition ist nicht eindeutig. Nach der Darstellung derzeit gültiger Normen im Bereich der Bewertung von Schweißnähten, Qualifizierung von Schweißverfahren und Ausführung von Schweißverbindungen, wird auf Grundlage aktueller Schweißversuche an hochfesten vergüteten Feinkornbaustählen die Problematik von Mikrorissen diskutiert. Offene Punkte und Fragen bzw. Verbesserungsmöglichkeiten werden aufgezeigt und zur Diskussion gestellt. Schließlich wird auf die Klärung des Einflusses von Mikrorissen auf die mechanisch- technologischen Werkstoffkennwerte der Schweißverbindung unter statischer sowie zyklischer Beanspruchung hingewiesen. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Neither the latest standardisation with regard to microscopic investigations on welded joints nor the permissibility of microcracks and their definition are unambiguous. According to the representation of currently applicable standards in the fields of the assessment of welds, the qualification of welding processes and the execution of welded joints, the problems associated with microcracks are discussed on the basis of the latest welding tests on high-strength quenched-and-tempered fine-grained structural steels. Not only outstanding points and questions but also improvement possibilities are indicated and opened for discussion. Finally, attention is drawn to the clarification of the influence of microcracks on the mechanical- technological material parameters of the welded joint subjected to both static and cyclic stresses.
Schweißzugeigenspannungen in Strahlschweißnähten auf Höhe der lokalen Werkstoffstreckgrenze können die Bauteileigenschaften sowie deren Lebensdauer negativ beeinflussen. Die Nutzung der Schweißquelle für eine nachträgliche Behandlung der geschweißten Bauteile bietet eine kostengünstige und flexible Methode zur Reduzierung dieser Spannungen. Dabei wird durch einen oszillierenden defokussierten Elektronen- bzw. Laserstrahl, der Werkstoff beidseitig der Schweißnaht auf mehrere hundert Grad Celsius erwärmt, um dort zusätzliche Zugspannungsbereiche hervorzurufen. Die so erzeugten Längszugspannungszonen führen zu einer mechanischen Entlastung der Schweißnaht. Experimentelle Messungen der Längseigenspannungen an linearen Elektronen- und Laserstrahlschweißnähten im ersten Teil des Beitrags zeigten, dass die Spannungen mit diesem Verfahren um bis zu 70% reduziert werden können. In weiteren experimentellen Untersuchungen wird dieses Verfahren für kompliziertere Schweißnahtgeometrien getestet. An axialen sowie radialen Rundnähten an ferritischen Werkstoffen konnten ebenfalls hohe Spannungsreduktionen von über 50% erzielt werden. Zudem wurde dieses Verfahren mit einer für das Schweißen üblichen Laserstrahlschweißoptik ohne Scan-Funktion geprüft. Hierbei zeigte das Wärmebehandeln in zwei Arbeitsschritten noch größere Spannungsreduktionen im Vergleich zur Anwendung einer Laserstrahlscanneroptik zur quasisimultanen Wärmebehandlung auf beiden Seiten der Schweißnaht. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Residual tensile welding stresses in beam welds at the level of the local yield strength of the material may influence the properties of components as well as their service lives. The utilisation of the welding source for the subsequent treatment of the welded components offers a cost-favourable and flexible method of reducing these stresses. In this respect, an oscillating defocused electron or laser beam serves to heat the material on both sides of the weld up to several hundred degrees Celsius in order to induce additional tensile stress regions there. The longitudinal tensile stress zones produced in this way lead to the mechanical relief of the weld. Experimental measurements of the longitudinal residual stresses on linear electron and laser beam welds in the first part of the article showed that the stresses can be reduced by up to 70% with this process. In further experimental investigations, this process is tested for more complicated weld geometries. It was also possible to achieve great reductions in the stresses (over 50%) on both axial and radial circular welds on ferritic materials. Moreover, this process was tested with laser beam welding optics which are customary for welding and do not perform a scanning function. In this respect, the heat treatment in two work steps showed even greater reductions in the stresses in comparison with the application of laser beam scanner optics for quasi-simultaneous heat treatment on both sides of the weld.