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Vorhersage zur Bauteilmaßhaltigkeit bei der additiven Fertigung mittels Schweißstruktursimulation
(2017)
Ziel bei der Anwendung von Schweißstruktursimulation in der additiven Fertigung ist die Anzahl an notwendigen Experimenten bis zur Erreichung von Maßhaltigkeit und gewünschter Bauteilqualität zu reduzieren. Für die Laser-Metal-Deposition besteht durch die im Vergleich zu pulverbettbasierten Verfahren größeren Auftragsraten und Spurgrößen - die Möglichkeit, schon heute volltransiente thermomechanische Simulationen für kleine Bauteile durchzuführen. Da das Bauteil nicht von Pulver umschlossen ist, kann im Prozess die Wärmeverteilung und der Bauteilverzug gemessen werden.
In diesem Vortrag wird der Arbeitsablauf beim additiven Aufbau einer kleinen Struktur aus Inconel 718 demonstriert. Im Experiment werden die Temperaturverteilungen mittels Thermoelementen sowie der Verzug der Bodenplatte durch einen Laserabstandssensor gemessen. Die phänomenologische Wärmequelle in der Simulation wird anhand von Temperaturmessungen und Querschliffen kalibriert und der mechanische Verzug der Basisplatte wird mit in-situ Messwerten abgeglichen.
Abschließend wird die Rechenzeit des Modells bewertet und gezeigt wie die Simulation die Bauteilqualität vorhersagen kann.
Using the novel optical measurement technique together with the optical flow algorithm, a twodimensional deformation analysis during welding has been conducted. This technique provides for the first time a measurement of the strain field locally in the immediate vicinity of the assumed solidification front. The described procedure of the opticalmeasurement allows to determine the real martial-dependent values of critical strain and strain rate characterising transition to the hot cracking during laser welding processes. The local critical strain that obtained in the assumed solidification showed that the local critical strain decreases as the strain rate increases. Moreover, this phenomenon has also been shown with results from the CTW-test, since the global strain decreases with an increase in the external strain rate.
Laser Metal Deposition offers the chance to build near net shape parts. The temperature evolution within the process has an influence on track and layer geometries. There are special travel path strategies required to produce near net shape components and reduce shape deviation resulting of error propagation.
This paper deals with the temperature progression of individual layers and the maximum heating of deeper substrate regions. Spiral and zig-zag strategies are examined. The investigations are carried out using S235JR as substrate and 316L as powder material. The influence of different strategies on temperature evolution is discussed.
The results from the experiments show that various production strategies are associated with different temperature fields. Furthermore, the extent of the temperature variations of layer strategies and layer position are strongly dependent on the production direction. These results demonstrate the importance of developing suitable build-up strategies for parts of complex shape to ensure a stable process with constant temperature as well as even layers.
The process of laser cladding has become more important during recent years because of its broad application for cladding, repair or additive manufacturing. In the field of mechanical engineering, one use is the repair of turbine blades. For high quality and reliability of the repaired components, it is necessary to adjust the weld bead geometry to the specific repair task. The bead geometry influences the metallurgical bonding and the degree of dilution as well as the formation of defects like pores or cracks. Therefore, it is important to know the effects of the different parameters on the welding bead. A valuable tool to meet this industrial challenge is the design of experiments (DoE). In this context, the user can choose between a huge number of test plans. Greater Profit of information is expected by a larger test range. In order to confirm the acceptance, a five-step full factorial test plan is compared to a central composite design in this paper. Moreover, the limits of the experimental range are indicated and restrictions can be derived. As the results show, the essential effects are detected with a full factorial test plan as well as with a central composite design. Merely the effect strength could not always be specified unambiguously. On this account and in consideration of cost efficiency, the use of central compound design is recommended in industrial applications.
Magnesium (Mg) alloys have attracted much attention due to their merits of meeting requirements of lightweight, energy-efficient and environmental friendly engineering. In this study, a modified refill friction stir spot welding (refill-FSSW) method is proposed to weid AMSO Mg alloy, in which pin and sleeve rotate at different states. Effects of process parameters on the microstructure, material flow, and mechanical properties of welds were studied. Results showed that, the modified refill-FSSW technology could enhance the intennixing of material by changing the flow state. Lap shear strength of welds could be significantly improved with changed failure modes. The modified refill FSSW technology is a competitive welding method for Mg alloy.
The safe joining of new, freshly developed steel types keeps challenging the industry–and is assumed to go on in doing so. In the body-in-white production, these materials are mainly joined using resistance spot welding. During the past ten years, various investigations on resistance spot welding of advanced high strength steels have been carried out at Fraunhofer IPK and the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM). This paper aims to give an overview about both the top former and recent studies and results. The investigated topics are the influences of manufacturing conditions as initial gaps and restraints on spot welds, their impact on the fatigue strength of a joint and the cracking-wise safe weldability of AHSS.
Caused by non-ideal manufacturing conditions, cracks in spot welds (e.g. caused by liquid metal embrittlement) are still regarded as a potential risk in industrial practice. Therefore, a method to evaluate the safe weldability regarding the cracking susceptibility was developed for AHSS. The method is easy to perform, even without expensive laboratory equipment. It allows the end user to establish a material ranking regarding the cracking susceptibility of the handled steels. Recently, coupled thermo-mechanical finite element modelling has been used to describe critical stress-strain conditions responsible for the occurrence of liquid metal embrittlement, and to improve the understanding of the process.
Laser metal deposition is described with its applications for additive manufacturing. The necessary process chain is discussed, with regard to weld bead dimensions and 3D build-up strategy. Metallurgical cross sections, x-ray and tensile tests are conducted. As demonstrative components, a gas turbine burner and a turbine blade are shown.
Licht ist grüner als Strom
(2017)
Die stetig zunehmenden Anforderungen hinsichtlich geringeren Kraftstoffverbrauchs, verminderter Schadstoffemission sowie der Erhöhung der passiven Sicherheit haben die Automobilindustrie vor Herausforderungen gestellt, denen nur durch einen konsequenten Einsatz moderner Stahlwerkstoffe zu begegnen ist. Die komplexe Gefügestruktur sowie die besonderen mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe verursachen jedoch eine erhöhte Neigung zur Ausbildung von Rissen insbesondere bei Widerstandspunktschweißverbindungen.Insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen, die keine zeitaufwendigen und teuren Voruntersuchungen bezüglich der Rissanfälligkeit von Stählen während des Widerstandspunktschweißens durchführen können, ist zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit die Kenntnis der Rissanfälligkeit einer von ihnen zu verarbeitenden Materialkombination von erheblicher Bedeutung. Durch eine einfach durchzuführende, werkstoffunabhängige Methode zur Bestimmung der Rissanfälligkeit beim Widerstandspunktschweißen, kann den KMUs die Möglichkeit zur schnellen und kostengünstigen Bewertung der Verarbeitungssicherheit zu verarbeitender Materialverbindungen bereitgestellt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung einer einfachen und fertigungsnahen Methode zur Bestimmung der Rissanfälligkeit hochfester Stähle während des Widerstandspunkschweißens, die auf der gezielten, reproduzierbaren Erzeugung von Rissen basiert. Es wurde eine solche Prüfmethodik entwickelt, die auf einfach durchzuführenden experimentellen Versuchen basiert. Zu untersuchende Proben werden während des Schweißvorgangs mit einer Zugkraft belastet. Hierfür wird eine hydraulische Vorrichtung genutzt, die taillierte Flachzugproben mit definierter Kraft beaufschlagt. Infolge dessen stellt sich ein Spannungszustand ein, der die Rissbildung begünstigt. Somit können ausreichende Rissentstehungsraten erzielt werden, die eine vergleichende Beurteilung der resultierenden Risslängen zwischen den Werkstoffen zulassen. Die einfache, mobile Zugvorrichtung ermöglicht eine Nutzung der bestehenden Anlagentechnik. Durch eine Normierung der resultierenden Risslängen auf die Streckgrenze des Werkstoffs und die belastete Querschnittsfläche lassen sich ein Werkstoffranking beziehungsweise eine Klassifizierung der Rissanfälligkeit der untersuchten hochfesten Materialkombinationen erstellen. Auch zukünftig entwickelte Stahlwerkstoffe potentiell höherer Festigkeiten können untersucht werden. Weiterhin kann die entwickelte Methode als Grundlage für die Gewinnung von Basisdaten zur Untersuchung verschiedener Rissentstehungsarten während des Widerstandspunktschweißens eingesetzt werden.
Untersuchungen der Heißrissanfälligkeit laserstrahlgeschweißter Verbindungen austenitischer Stähle
(2017)
Die lokalen Dehnungen bzw. Dehngeschwindigkeiten im heißrisskritischen Temperaturintervall sind Funktionen des Temperaturfeldes im Nahbereich des Schmelzbades (Schweißverfahren, Werkstoff), der thermo-mechanischen Kennwerte des Versuchswerkstoffes sowie von außen aufgebrachten Verfor-mungen. Da die lokal vorherrschenden Dehnungen im Nahbereich des Schmelzbades nicht bzw. nur mit sehr aufwendigen Methoden ermittelt werden können, dienen bespielweise die im CTW-Test (Controlled Tensile Weldability) von außen aufgebrachten Dehnungen oder Dehnraten als Kriterium für die Heißriss-empfindlichkeit. In dieser Studie wurde CTW-Test zur Untersuchung der Heißrissresistenz verschiedenen austenitischen Stählen eingesetzt.
Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding (UVeFSW) is a recent modification of conventional friction stir welding (FSW), which transmits ultrasonic vibration directly into the localized area of the workpiece near and ahead of the rotating tool. In this study, a high strength aluminium alloy (2024-T4) was welded by this process and conventional FSW, respectively. Then tensile tests, microhardness tests and fracture surface analysis were performed successively on the welding samples. The tests results reveal that ultrasonic vibration can improve the tensile strength and the elongation of welded joints. The microhardness of the stir zone also increases.
Transient Process Simulation of Heat Transfer in Laser Beam Welding with an Equivalent Heat Source
(2017)
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.
The geometry of the melt pool in laser beam welding plays a major role to understand the dynamics of the melt and its solidification behavior. In this study, a butt configuration of 15 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used to observe the weld pool geometry by means of high-speed camera and an infrared camera recording. The observations show that the dimensions of the weld pool vary depending on the depth. The areas close to the weld pool surface take a teardrop-shape. A bulge-region and its temporal evolution were observed approximately in the middle of the depth of the weld pool. Additionally, a 3D transient thermal-fluid numerical simulation was performed to obtain the weld pool shape and to understand the formation mechanism of the observed bulging effect. The model takes into account the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature. The numerical results showed good accordance and were furthermore used to improve the understanding of the experimentally observed bulging effect.
Over the past decade, laser beam welding has significantly evolved and established itself as an efficient tool in the industry. Solidification cracking and the weldability of materials have been highly contentious issues for many years. Today, there are many self and externally loaded tests to investigate the hot cracking resistance of steels. The purpose of this paper is to compare the susceptibility of three stainless steel grades to hot cracking by using an externally loaded hot cracking test (CTW) and a self-restraint test in accordance with SEP-220-3. The repeatability and effectiveness of the results are discussed. The experimental results are widely dispersed, implying a low predictive value for the self-restraint test. On the other hand, the results from the externally loaded test exhibit excellent repeatability and provide a quantitative characterization of the susceptibility of steels to hot cracking.
Laser welding is a widely established manufacturing process in many industry sectors. Solidification cracking as well as the weldability of materials is still since many years a highly contentious issue, particularly regarding the causes of the hot crack formation. Many of studies have been conducted to determine the critical conditions of occurrence of the solidification cracking. In this study a 2D in-situ observation technique in conjunction with laser diodes as the illuminating source has been employed to measure the arising strain field during the laser beam welding process. For the first time the employed technique enabled the in-situ measurement of the transient strain field at the surface of the workpiece directed to the laser beam in the critical range, where the solidification cracking normally occurs. Thus the critical threshold strain values at high temperatures characterizing transition from crack free to crack concomitant welding process could be deduced.
Entwicklung eines Verfahrens zur Untersuchung der Heißrissresistenz lasergeschweißter Verbindungen
(2016)
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Strahlschweißtechnik signifikant weiterentwickelt und als effizientes und wirtschaftliches Werkzeug in der Industrie etabliert. Für die Untersuchung der Heißrissresistenz verschiedener Werkstoffe existieren zahlreiche eigen- und fremdbeanspruchende Tests. Diese wurden aber speziell für andere Schweißverfahren, insbesondere das Lichtbogenschweißen, konzipiert.
Daher besteht die Notwendigkeit eines geeigneten Heißrisstests, bei dem Werkstoffe realen Strahlschweißbedingungen ausgesetzt werden können. Die Entwicklung sowie die Standardisierung einer aussagekräftigen experimentellen Methode stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Vermeidung von Heißrissen und damit für die Gewährleistung der Sicherheit von gefügten Bauteilen dar. Ziel der Forschungsarbeiten ist es, einen geeigneten Test zur effektiven Untersuchung der Heißrissanfälligkeit von lasergeschweißten Verbindungen zu konzipieren und zu entwickeln.
In the last decade, high-strength fine grained steels and welding consumables have gained a strong raise of application ranging from mobile cranes to bridge constructions. However, the cracking susceptibility of these steels increases significantly in correspondence with the achieved improvements in yield strength and the loss in plastic deformation reserves.
In order to determine this behavior a series of different standardized cold cracking tests has been developed. One remaining major problem of these tests is the uncertainty about the quantitative intensity of the restraint conditions as well as the corresponding welding residual stresses.
Consequently, the comparison of different tests and welding conditions as well as the transferability of the results onto real parts is difficult at best. The main topic of this paper is the analysis of the restraint conditions and their link with the welding induced residual stresses. The importance of the given standardized selfrestrained tests and first results about the transferability of
results onto real parts are discussed. The influence of the test specimen geometry on the restraint conditions of the test is investigated for a selected test with numerical Simulation using commercial FEA software. Additionally, the residual stresses caused by the welding process are measured and linked with the restraint conditions which are defined mainly by the geometry parameters.
Finally the transferability of the selected cold cracking test results is validated experimentally. The test results of a multilayer weld on high-strength fine grained steel of real size weldments are investigated. For these experiments a 16 MN large scale testing facility is used which is capable of applying the high reaction forces and clamping conditions found at large scale demonstrator parts.
The results show the importance of the quantitative knowledge of the restraint conditions and the welding residual stresses on the cold cracking resistance.
Der vorgestellte Modellierungsprozess dient zur Abschätzung einer geeigneten äquivalenten Wärmequelle und Berechnung des thermischen Verhaltens beim Laserstrahlschweißen. Die Methode Kombiniert die Vorteile von gägngigen Simulationsverfahren und reduziert die berücksichtigte Anzahl an physikalischen Aspekten und Kalibrierungsparameter. Durch die modellierten physikalischen Phänomene konnten die Informationen über die Strömung im Schmelzbad und dessen Einfluss auf die resultierende lokale Temperaturverteilung und folglich auf das transiente Temperaturfeld gewonnen werden. Dadurch wurde die Simulatioszeit(inkl. Kalibrierungsaufwand) auf weniger als einen Tag Rechenzeit verringert.