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en vielen Vorteilen der Strahlschweißverfahren stehen die mit ihnen erzeugten hohen Längszugeigenspannungen in den Schweißnähten entgegen. Diese können, da sie im Bereich der lokalen Werkstoffstreckgrenze vorliegen, die Bauteillebensdauer beeinflussen. Bei anderen Schweißprozessen sind ebenfalls hohe Eigenspannungen in den Schweißnähten die Folge, jedoch überwiegen hier die Querspannungen. Für diese Schweißverfahren sind in den letzten Jahrzehnten einige Methoden entwickelt worden, um die Schweißeigenspannungen bereits während des Schweißens bzw. nach dem Schweißprozess zu reduzieren. Hierbei werden jedoch meist große Kontaktflächen auf dem Bauteil direkt neben der Schweißnaht sowie zusätzliches an das Bauteil angepasstes Equipment benötigt. Zudem zeigen die bisherigen entwickelten Verfahren für die schmalen Strahlschweißnähte eine geringe Effizienz. Der Abbau der Eigenspannungen mit der Strahlquelle, die auch für den Schweißprozess genutzt wird, bietet hier ein flexibles Werkzeug, das keine zusätzlichen Beschaffungskosten erzeugt und infolge einer Remote- Wärmebehandlung auch für komplexe Schweißnahtformen und Bauteilgeometrien anwendbar ist. Bei dieser nachträglichen Wärmebehandlung werden die Materialbereiche neben der Naht durch den defokussierten Elektronen- bzw. Laserstrahl auf Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erwärmt. Hierdurch werden in diesen Bereichen geringe plastische Deformationen erzeugt. Beim Abkühlen des erwärmten Materials wird infolge der thermischen Schrumpfung das Material zwischen der Schweißnaht und den erwärmten Zonen in Nahtlängsrichtung gestaucht. Diese gestauchten Materialbereiche behinderten die Schweißnaht während der Abkühlung von der Schmelztemperatur beim thermischen Schrumpfen. Somit wird der Widerstand gegen die Schrumpfung der Schweißnaht verringert und die Eigenspannungen in der Naht können sich teilweise abbauen. Dabei bestimmt die Wahl der Wärmebehandlungsparameter die Quantität der erhaltenen Spannungsreduktion. Der genutzte Strahlradius und die Vorschubgeschwindigkeit der Wärmebehandlung entlang der Schweißnaht spielen hier eine sehr große Rolle. Aber auch der zu verwendende seitliche Abstand der Wärmebehandlung zur Schweißnaht, der sich am Strahlradius orientiert, sollte richtig gewählt sein. Für die qualitativen und quantitativen Untersuchungen des Längsspannungsabbaus in strahlgeschweißten Bauteilen mit diesem Verfahren wurde eine ganze Reihe von FEM-Simulationen durchgeführt. Diese dienen der Erläuterung des Spannungsabbaus sowie der Analyse und Bewertung der Einflussparameter. Experimentelle Untersuchungen mit dem Elektronen- sowie mit dem Laserstrahl an unterschiedlichen Werkstoffen und Schweißnahtgeometrien belegen, dass mit diesem Verfahren die hohen Längszugeigenspannungen je nach verwendetem Parametersatz so stark abgebaut werden können, dass daraus Druckeigenspannungen in der Schweißnaht resultieren können. Vor allem für die Laserstrahlanwendung, bei der ein In-situ-Wärmebehandlungsprozess während des Schweißens mit nur einem Strahl aufgrund der relativ langsamen Strahlsteuerung nicht möglich ist, ist von großer Bedeutung, dass dieses Verfahren größere Spannungsreduktionen erzielt, wenn die Schweißnaht bereits auf Umgebungstemperaturabkühlen konnte, bevor die Wärmebehandlung ausgeführt wird.
Longitudinal residual stresses in beam welds ranging at the value of the local yield strength can diminish the lifespan of components. To extend the service life of welds special methods of welding residual stress reduction were developed earlier which are however not effective for beam welds in complex component geometries. Application of beam welding sources for postwelding heat treatment of components has become a flexible tool for reducing longitudinal stresses in beam welds. Such heat treatment in a specific transversal distance to the weld by a defocused beam results in huge stress reductions depending on the used process parameters. Experimental results for ferritic and austenitic steels reveal weld stress reductions to up to compressive stresses. For different materials and diverse material thicknesses special process parameter regions have to be used in this procedure. At a transmission component this procedure shows a stress reduction by >300 MPa.
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.
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.
Schweißeigenspannungen - im Besonderen infolge von Strahlschweißprozessen - annähernd der werkstoffspezifischen Streckgrenze können durch eine mögliche Spannungsrelaxation oder verstärkte Spannungsrisskorrosion lebensdauerreduzierende Konsequenzen mit sich ziehen. Aus diesem Grund wurden viele Verfahren entwickelt, welche diese Eigenspannungen reduzieren können. Jedoch sind diese Verfahren kostenintensiv oder nur für breite Schweißnähte und einfache Bauteilgeometrien anwendbar. Die in dieser Arbeit dargestellte Methode nutzt den Schweißstrahl für den Schweißprozess sowie in defokussierter Form für eine thermische Nachbehandlung des Bauteils. Hierfür läuft der defokussierte Strahl durch hochfrequente Strahlablenkung beidseitig der Schweißnaht mit einer bestimmten zeitlichen Distanz dem Schmelzbad nach und wird zum Aufheizen dieser Materialbereiche genutzt. Mit dieser Prozedur ist es möglich die Spannungen in schmalen Schweißnähten mit großen Spannungsgradienten im Vergleich zu anderen spannungsreduzierenden Verfahren ohne Kontaktflächen oder zusätzlichem Equipment effizient zu reduzieren. Abhängig von der Bauteilgeometrie und der Strahlleistung können unterschiedliche Prozessparameter für dieses Verfahren angewandt werden. Es werden die Mechanismen der Eigenspannungsreduzierung in diesem Prozess und deren Abhängigkeit von den Prozessparametern anhand von Ergebnissen aus FEM-Simulationen diskutiert. Zudem wird in einer Reihe von experimentellen Ergebnissen die Anwendbarkeit von bereits für lineare Schweißnähte ermittelte Verfahrensparameter auf axiale und radiale Rundnähte nachgewiesen. Hierbei zeigen die besten experimentellen Ergebnisse für Elektronenstrahl- sowie für Laserstrahlschweißnähte Spannungsreduktionen größer als 90 %.
The residual stresses in narrow electron or laser beam welds with high stress gradients are decreased without any contact surfaces or additional equipment by applying the welding beam after welding in a defocused mode for heating the material regions in a certain distance from the weld on both sides. In case of electron beam application, the beam is positioned and focused by the electromagnetic coil with high frequency. In case of laser beam application a laser scanner optics enables fast positioning by an optomechanic beam deflection, while defocusing of the laser beam is obtained by increasing the distance between scanner optics and workpiece. Dependent on the component geometry and on the beam power different process parameters are used. The adjustable process parameters are the radius and the power of the defocused beam and the transversal and longitudinal distances between the welding and the defocused beam. The mechanism and the influence of the process parameters are investigated by FEM-simulation and a number of experiments on a ferritic steel S355J2+N with 5 mm thickness. FEM-simulation is used to reduce the matrix of process parameters for the experiments. The best experimental result shows a stress reduction of about 70%.
High welding residual stresses can cause service life reducing consequences. Even though many processes have been developed to reduce these stresses, they are only applicable for wider welds and simple component geometries or are cost-intensive, respectively. The presented method uses a defocused beam after welding for heating the material regions on both sides of the weld. In this way, the welding stresses are decreased without contacting the surfaces using the available equipment. Different process parameters could be used depending on the component geometry and the laser power. The mechanism and the influence of the process parameters were investigated by FEM-simulation and experiments on S355J2+N steel and showed a stress reduction of about 73%.