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Organisationseinheit der BAM
Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen.
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen
hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann.
Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachtagungen veröffentlicht worden. Hervorzuheben dabei ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte.
Die Beschichtung hochfester Stahlfeinbleche beeinflusst das Auftreten von flüssigmetallinduzierter Rissbildung (LME). Daher wurden in dieser Arbeit industrieübliche Beschichtungen bei gleichem Grundwerkstoff hinsichtlich ihres Aufbaus und chemischer Zusammensetzung charakterisiert und bezüglich ihrer LME Anfälligkeit untersucht. Aus dieser vergleichenden Untersuchung heraus wurden Potentiale für die Widerstandsfähigkeit gegen LME identifiziert. Diese Potentiale werden experimentell durch den Einsatz einer von der Forschungsstelle entwickelten Methode überprüft. Gegenstand der Untersuchungen waren neben unbeschichteten Proben industrieübliche Zinküberzüge wie Elektrolytisch verzinkt, Feuerverzinkt, Galvannealed und Zink-Magnesium Beschichtungen.
Die LME Anfälligkeit dieser unterschiedlichen Überzüge wird mit einem Schweißen unter Zugbelastung Versuchsaufbau untersucht. Dabei ergibt sich die resultierende Anfälligkeit aus den auftretenden Risslängen und der Auftrittswahrscheinlichkeit von LME bei den einzelnen Versuchen. Es konnte eine LME Anfälligkeits-Rangfolge für die Zinküberzüge festgestellt werden. Zink-Magnesium Beschichtungen galten als besonders LME Anfällig, gefolgt von Feuerverzinkt und Galvannealed. Die größte LME Resistenz wurde bei elektrolytisch verzinkten Proben festgestellt.
Aus den Ergebnissen werden Handlungsempfehlungen zur Erhöhung der Verarbeitungssicherheit bzw. Schweißpunktqualität abgeleitet.
Schweißen ist ein industriell relevantes Fertigungsverfahren mit einer branchenübergreifenden Bedeutung. Die Umweltwirkungen von Schweißverfahren sind jedoch bisher unbekannt und werden im Entstehungsprozess eines Produktes entlang seiner Fertigungskette daher meist nicht berücksichtigt. Ferner ist der Schweißprozess durch einen hohen Verbrauch an Energie sowie Ressourcen gekennzeichnet. Zahlreiche Arbeiten zeigen, dass der Bedarf einer Ökobilanzierung enorm ist. Ursächlich für die bisher mangelhafte Etablierung der Ökobilanzierung von Schweißverfahren und damit Motivation für die Forschungsarbeiten ist die Unkenntnis relevanter Einflussgrößen und damit verbunden ein nicht abschätzbarer Aufwand bei der Durchführung sowie Implementierung einer Ökobilanz im fertigungstechnischen Kontext.
Demgegenüber ist die Ökobilanzierung in anderen Branchen ein oft genutztes Werkzeug zur Ableitung von Umweltwirkungen. Aufgrund der aktuellen Diskussionen bezüglich des Übergangs hin zu einer klimaneutralen Produktion erfährt auch die Analyse und Optimierung der Umweltwirkungen schweißtechnischer Fertigungsverfahren derzeit eine gesteigerte Aufmerksamkeit. Für Unternehmen stellt die Verfügbarkeit umweltverträglicher Produkte bzw. Prozesse eine gewisse Werbewirksamkeit dar, wie dies im Bereich der Schweißstromquellentechnik aktuell zu beobachten ist. Gleichzeitig wird das Thema des „green welding“ auch bezogen auf die gesamte Fertigungskette immer häufiger diskutiert. Dies zeigt sich durch eine in den letzten Jahren deutlich gestiegene Publikationsaktivität. Neben Analysen zu den Einflussfaktoren auf die Nachhaltigkeit in schweißtechnischen Produktionsumgebungen stehen vor allem auch konkrete Implementierungen in der Fertigung bzw. der Produktentstehung im Fokus.
Die grundlegende Vorgehensweise einer Ökobilanzierung (Life-Cycle-Assessment bzw. Abk. LCA) ist als standardisierte Methode in geltenden Normen] sowie in entsprechender Fachliteratur beschrieben. Kernelement der Ökobilanzierung ist die Sachbilanzierung, d.h. die Erfassung der relevanten Inputs sowie Outputs bezogen auf das System „Schweißprozess“. Aus dem entlang der schweißtechnischen Fertigungskette akkumulierten Ressourcenverbrauch während des Schweißens (z.B. Zusatzwerkstoff, elektrische Energie, Schutzgas, etc.) und Abfallprodukten bzw. Emissionen wird die Umweltwirkung entsprechend verschiedener Kategorien, z.B. dem CO2-Äquivalent, gemäß der World Steel Association abgeleitet.
In der schweißtechnischen Community ist es bekannt, dass die Umweltwirkung von Schweißprozessen qualitativ direkt aus dem Ressourcenverbrauch abgeleitet werden kann. Der Einfluss der verschiedenen Input- sowie Outflüsse auf ausgewählte Wirkkategorien ist jedoch nicht ad-hoc quantifizierbar. Die Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass der Materialverbrauch (z.B. Grund-/Zusatzwerkstoff, etc.), der Energieverbrauch (z.B. Wirkleistung sämtlicher elektrischer Verbraucher während der Prozesszeit), Gasverbrauch (Prozess-, Schutzgas oder Druckluft) sowie Hilfsmittel (z.B. Schutzgläser) signifikante Inputgrößen darstellen, deren Berücksichtigung im Rahmen einer Prozessökobilanz ausreichend ist.
Eine wesentliche Forderung des projektbegleitenden Ausschusses war, Methoden für eine direkte Implementierung, um somit Nachnutzung der Ergebnisse zu entwickeln. Um die Ökobilanzierung als festen Bestandteil in die schweißtechnische Dokumentation einfließen zu lassen, sind die notwendigen Arbeitsschritte zu automatisieren. Daher wurden im Rahmen der Forschungsarbeiten sämtliche zu berücksichtigenden Größen durch ein an der Forschungsstelle entwickelten Schweißdatenmanagements digital erfasst sowie archiviert und in eine Umweltwirkung durch Zugriff auf entsprechende Open-Source Datenbanken „übersetzt“. Das Datenmanagement ermöglicht die eindeutige Zuordnung der Umweltwirkung eines geschweißten Bauteiles ohne Dokumentationsaufwand für den Anwender. Dadurch werden insbesondere KMU in die Lage versetzt, den Anforderungen bezüglich der Bewertung der Ökoeffizienz von Fertigungsverfahren gerecht zu werden und somit auf die nationalen sowie internationalen klimapolitischen Rahmenbedingungen vorbereitet zu sein.
Die Analysen eines breiten Spektrums an Schweißverfahren haben gezeigt, dass eine Verringerung der Umweltwirkungen von Schweißverfahren demnach nur primär durch eine Reduktion des Zusatzwerkstoff- sowie Energieverbrauches zu realisieren ist. Hierbei zeigen Verfahren mit niedrigem Werkstoffeinsatz, im Extremfall autogene Verfahren, die geringsten Umweltwirkungen. Im Produktentstehungsprozess ist es daher notwendig, unter Berücksichtigung der Schweißbarkeit die ökologischen Verfahrenscharakteristika hinsichtlich konstruktiver, fertigungstechnischer sowie werkstoffspezifischer Randbedingungen zu bewerten, um die vorgeschriebenen Produkteigenschaften zu gewährleisten und die Umweltbelastung zu minimieren.
Damit der Workflow, der bei der Ökobilanzierung zu durchlaufen ist, vereinheitlicht und für jeden verständlich ist, fließen die Forschungsergebnisse direkt in die DIN SPEC 35235 „Nachhaltigkeit in der Schweißtechnik – Ökobilanzierung von Schweißverfahren“ ein. Dies ist die Grundlage, um die Vergleichbarkeit von Ökobilanzen in der Schweißtechnik zu gewährleisten und so deren Akzeptanz in der Industrie zu erhöhen. Damit ist ein optimaler Transfer der Forschungsergebnisse in die Industrie gewährleistet.
Fast temperature field generation for welding simulation and reduction of experimental effort
(2009)
The quality of welding processes is governed by the occurring induced distortions yielding an
increase in production costs due to necessary reworking. Especially for more complex specimens
it is difficult to evaluate the optimal configuration of welding sequences in order to
minimise the distortion. Even experienced welding operators can solve this task only by trial
and error which is time and cost consuming.
In modern engineering the application of welding simulation is already known to be able to
analyse the heat effects of welding virtually. However, the welding process is governed by
complex physical interactions. Thus, recent weld thermal models are based on many simplifications.
The state of the art is to apply numerical methods in order to solve the transient heat
conduction equation. Therefore, it is not possible to use the real process parameters as input
for the mathematical model. The model parameters which allow calculating a temperature
field that is in best agreement with the experiments cannot be defined directly but inversely by
multiple simulations runs. In case of numerical simulation software based on finite discretisation
schemes this approach is very time consuming and requires expert users. The weld
thermal model contains an initial weakness which has to be adapted by finding an optimal set
of model parameters. This process of calibration is often done against few experiments. The
range of model validity is limited. An extension can be obtained by performing a calibration
against multiple experiments.
The focus of the paper is to show a combined modelling technique which provides an efficient
solution of the inverse heat conduction problem mentioned above. On the one hand the inverse
problem is solved by application of fast weld thermal models which are closed form
solutions of the heat conduction equation. In addition, a global optimisation algorithm allows
an automated calibration of the weld thermal model. This technique is able to provide a temperature
field automatically that fits the experimental one with high accuracy within minutes
on ordinary office computers. This fast paradigm permits confirming the application of welding
simulation in an industrial environment as automotive industry.
On the other hand, the initial model weakness is compensated by calibrating the model
against multiple experiments. The unknown relationship between model and process parameters
is approximated by a neural network. The validity of the model is increased successively
and enables to decrease experimental effort. For a test case it is shown, that this approach
yields accurate temperature fields within very short amount of time for unknown process parameters
as input data to the model contributing to the requirement to construct a substitute
system of the real welding process.
Additive Fertigungsverfahren, speziell das selektive Laserschmelzen sowie das Laserpulverauftragsschweißen, ermöglichen eine enorme Steigerung der Flexibilität und erlauben Kleinserienteile mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten herzustellen.
Für den erfolgreichen wirtschaftlichen Einsatz dieser neuartigen Fertigungsverfahren spielt die Einhaltung des First-time-right-Prinzips eine entscheidende Rolle: Bauteile sollten bereits im ersten Versuch allen Anforderungen genügen. Aufgrund der jungen Geschichte dieses Fertigungszweigs und der damit einhergehenden fehlenden Erfahrungen und Richtlinien ist diese elementare Forderung heute nur in wenigen Fällen realisierbar. Die geforderten Qualitätsstandards können aktuell nur über experimentelle Iterationsschleifen eingehalten werden, sodass das große Potential einer flexiblen und schnellen Fertigung in erheblichem Maß reduziert wird. Die Komplexität der gefertigten Bauteile und die des Prozesses an sich lassen eine erfahrungsbasierte Vorhersage der Verzüge und Eigenspannungen kaum zu. Zudem werden auch in Zukunft Richtlinien und Normen nicht das komplette Anwendungsspektrum abbilden können. Die eigenspannungsbedingten Verzüge spielen demnach eine bedeutende Rolle und stellen zusammen mit dem Erreichen der Maßhaltigkeit eine entscheidende technologische Herausforderung beim Einsatz additiver Fertigungsverfahren dar. Die numerische Simulation ermöglicht die Vorhersage von Bauteilverzügen und –spannungen und kann durch virtuelle Abprüfung von Herstellstrategien die Anzahl von Experimente reduzieren. Bisherige numerische Betrachtungen von zusatzwerkstoffbasierten Verfahren, zu denen unter anderem das Laserpulverauftragschweißen (LPA) gehört, beschränkten sich primär auf akademische Beispiele mit geringer Komplexität. Für die Simulation von konkreten Anwendungsfällen auf Bauteilebene liegen bisher keine validierten, numerischen Methoden und Ansätze vor, die eine wirtschaftliche Anwendung der Schweißsimulation ermöglichen.
Dieses Projekt wird Simulationsmodelle zur numerischen Betrachtung komplexer additiv gefertigter Bauteile entwickeln. Dafür wird der Prozess in vereinfachten Simulationen nachgebildet und anhand von Experimenten validiert. Anschließend werden Methoden zur automatisierten Pfadgenerierung für komplexe Bauteile erprobt und in der Simulation implementiert. Schließlich werden zur Reduktion der Rechenzeit verschiedene Methoden zur Vereinfachung evaluiert und verglichen. Das Ziel ist die Steigerung der Verlässlichkeit in der Simulation, um prädiktive Aussagen über die Qualität additiv gefertigter Bauteile zu ermöglichen.
Der Einsatz von hochfesten Stählen im Karosseriebereich des Automobilbaus hat während der letzten Jahre stark zugenommen. Hierzu zählen Dual- und Komplexphasenstähle, welche durch Kombination unterschiedlicher Gefügebestandteile auch deren Vorteile kombinieren, sowie TRIP (TRansformation Induced Plasticity) und Mangan-Bor Stähle, welche sehr gute Umformeigenschaften mit hohen Festigkeiten durch Martensitbildung bei der Umformung kombinieren. TWIP (Twinning Induced Plasticity) Stähle erreichen ähnliche Effekte durch forcierte Zwillingsbildung.
Die Ursachen für den Einsatz dieser Stähle liegen in dem Potential dieser Materialien zur Gewichts- und Kostenreduzierung, bei gleichzeitiger Erhöhung der Fahrgastsicherheit. Auf Grund der prinzipiell gegebenen Schweißeignung dieser Stähle, werden die klassischen Fügeverfahren im Karosseriebau wie das kostengünstige und effektive Widerstandspunktschweißen, das Metall-Schutzgas (MSG)-Schweißen oder das Laserschweißen angewendet. Allerdings treten teilweise Herausforderungen, beispielsweise durch Gefügeveränderungen in den Fügestellen auf, die zu ungewollten Aufhärtungen oder Erweichungen führen.
In diesem Projekt wird ein Verfahren entwickelt, mit welchem die lokalen Werkstoffeigenschaften von im Automobilbau typischen Werkstoffen und deren Fügestellen bestimmt werden können. Relevante Kennwerte sind in erster Linie das SpannungsDehnungs-Verhalten der verschiedenen Zonen einer Schweißverbindung; relevante Zonen wiederum sind neben dem Grundwerkstoff die Wärmeeinflusszone und das Schweißgut. Zu diesem Zweck wird das Verfahren der instrumentierten Eindringprüfung für den Einsatz bei hochfesten Stählen weiterentwickelt. Zunächst werden hierzu Zugversuche an einfachen Grundwerkstoffgeometrien durchgeführt. Im Anschluss wird die optische Dehnungsfeldmessung an stark taillierten, geschweißten Zugversuchsproben durchgeführt.
Die Taillierung dient dem Zweck, die WEZ auch mittels WPS über den gesamten Querschnitt der Probe erzeugen zu können, bzw. im Versuch auch Dehnungen in den relevanten Bereichen herbeizuführen.
Das im Projekt angewendete Auswerteverfahren, welches auf nichtlinearen Regressionsmodellen in Form von künstlichen, neuronalen Netzwerken beruht, ermöglicht die Vorhersage des Festigkeitsverhaltens des Werkstoffes anhand der gemessenen Krafteindringwegdaten.
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.
Die Schweißsimulation dickwandiger Bauteile stellt aufgrund der erhöhten Komplexität der thermophysikalischen und thermomechanischen Vorgänge beim Mehrlagenschweißen hohe Anforderungen an kommerziell verfügbare Schweißsimulationssoftware. Das umfasst die während des Fügeprozesses induzierten Verzüge und Eigenspannungen in das gefertigte Bauteil, welche zur Beurteilung der Fertigungsqualität von großer Bedeutung sind. Gerade in dickwandigen Bauteilen ist der Spannungszustand sowohl bedingt durch die konstruktive Steifigkeit der einzelnen Bauteile sowie der gesamten Baugruppe als auch aufgrund zusätzlicher externer Einspannvorrichtungen bei der Fertigung überaus komplex. Hinzu kommen bei Werkstoffen mit Phasenumwandlung noch die metallurgisch verursachten Spannungszustände und bei mehrlagig ausgeführten Schweißverbindungen die wiederholte thermische und umwandlungsbedingte Spannungsausbildung, so dass eine überschlägige Abschätzung des gesamten Verformungs- und Spannungszustandes auch für Experten in der Regel nicht mehr möglich ist. Die vorherrschenden Verformungen und Spannungen bestimmen jedoch maßgeblich die Eigenbeanspruchung der Schweißkonstruktion und damit deren Belastbarkeit im Betrieb. Eine genaue Kenntnis dieser Daten würde wertvolle Informationen zur Qualitätsoptimierung des Endproduktes liefern.
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.