Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Von der Anwendung ins Prüflabor: Maßstabsgetreues Bewerten von Spannungen in geschweißten Bauteilen
(2019)
Eigenspannungen sind von zentraler Bedeutung für die Performance geschweißter Bauteile. Die Bewertung schweißbedingter Beanspruchungen im Labormaßstab ist oft nicht zielführend. Reale Bauteilschweißungen weisen geometrisch und konstruktiv bedingt meist divergente Wärmeableitungs- und Einspannbedingungen auf. Dadurch lassen sich häufig nur eingeschränkt Aussagen über Eigenspannungshöhen, -verteilungen und die wesentlichen Einflussfaktoren treffen. Dies führt oftmals zur eher konservativen Konstruktionsauslegung und damit zu einer geringerenRessourcen- und Energieeffizienz. Dieser Beitrag widmet sich den Bestrebungen, reale Randbedingungen beim Bauteilschweißen in das Labor zu übertragen. Es werden die Möglichkeiten eines speziell für diesen Zweck an der BAM entwickelten Prüfsystems mit einer maximalen Tragkraft von 2 MN aufgezeigt. Durch die konstruktive Gestaltung der Anlage lassen sich in Schweißversuchen schweißbedingte Beanspruchungen nachbilden und die komplexen Einflüsse und Wechselwirkungen durch Schweißprozess, Bauteilgeometrie und -konstruktion sowie durch die eingesetzten Grund- und Zusatzwerkstoffe quantifizieren. Darüber hinaus können mittels Röntgenbeugung die resultierenden lokalen Eigenspannungen präzise und mit hoher Ortsauflösung bestimmt werden. Anhand von Beispielen wird die Nachbildung realer Produktionsbedingungen im Labor erörtert und gezeigt, wie die Spannungen beim Schweißen hochfester Baustähle von konstruktiven, werkstoff- und prozessseitigen Randbedingungen abhängen.
So wurde geklärt, wie erhöhte Arbeitstemperaturen zum signifikanten Anstieg der Beanspruchungen führen.
The present work deals with the development of a strategy for the prevention of end crater defects in high-power laser welding of thick-walled circumferential welds. A series of experiments were performed to understand the influence of the welding Parameters on the formation of end crater defects such as pores, cracks, root excess weld metal and shrinkage cavities in the overlap area. An abrupt switch-off of the laser power while closing the circumferential weld leads to a formation of a hole which passes through the whole welded material thickness. A laser power ramp-down causes solidification cracks which are initiated on the transition from full-penetration mode to partial penetration. Defocusing the laser beam led to promising results in terms of avoiding end crater defects. Cracks and pores in the overlap area could be effectively avoided by using defocusing techniques.
A strategy for avoiding of end crater imperfections was tested on flat specimens of steel grade S355J2 with a wall thickness of between 8 mm and 10 mm and then transferred on the 10 mm thick pipe sections made of high-strength pipeline steel API5L-X100Q.
Among the various welding technologies, resistance spot welding (RSW) and laser beam welding (LBW) play a significant role as joining methods for the automobile industry. The application of RSW and LBW for the automotive body alters the microstructure in the welded areas. It is necessary to identify the mechanical properties of the welded material to be able to make a reliable statement about the material behavior and the strength of welded components. This study develops a method by which to determine the mechanical properties for the weldment of RSW and LBW for two dual phase (DP) steels, DP600 and DP1000, which are commonly used for the automotive bodies. The mechanical properties of the resistance spot weldment were obtained by performing tensile tests on the notched tensile specimen to cause an elongation of the notched and welded area in order to investigate its properties. In order to determine the mechanical properties of the laser beam weldment, indentation tests were performed on the welded material to calculate its force-penetration depth-curve. Inverse numerical simulation was used to simulate the indentation tests to determine and verify the parameters of a nonlinear isotropic material model for the weldment of LBW. Furthermore, using this method, the parameters for the material model of RSW were verified. The material parameters and microstructure of the weldment of RSW and LBW are compared and discussed. The results show that the novel method introduced in this work is a valid approach to determine the mechanical properties of welded high-strength steel structures. In addition, it can be seen that LBW and RSW lead to a reduction in ductility and an increase in the amount of yield and tensile strength of both DP600 and DP1000.
In additive manufacturing (AM) Laser Metal Deposition (LMD), parts are built by welding layers of powder feedstock onto a substrate. Applications for steel powders include forging tools and structural components for various industries. For large parts, the choice of tool-paths influences the build-rate, the part performance and the distortions in a highly geometry-dependent manner. With weld-path lengths in the range of hundreds of meters, a reliable, automated tool path generation is essential for the usability of LMD processes.
In this contribution, automated tool-path generation approaches are shown and their results are discussed for arbitrary geometries. The investigated path strategies are the classical approaches: “Zig-zag-” and “contour-parallel-strategies”. After generation, the tool-paths are automatically formatted into g-code for experimental build-up and ASCII for a numerical simulation model. Finally, the tool paths are discussed in regards to volume-fill, microstructure and porosity for the experimental samples.
This work presents a part of the IGF project 18737N “Welding distortion simulation” (FOSTA P1140)
Für die Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) werden Sensoren und Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete praktische Umsetzungen.
Ein neues Projekt der BAM im Themenfeld Material hat daher das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen zu entwickeln. Dies beinhaltet neben passiver und aktiver Thermografie die optische Tomografie, die optische Emissionsspektroskopie, die Wirbelstromprüfung, die Laminografie, die Röntgenrückstreuung und photoakustische Verfahren. Diese Verfahren werden in verschiedenen AM-Systemen zum selektiven Laserschmelzen, zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen und zum Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung zum Einsatz gebracht. Für die zum Teil sehr großen Datenmengen werden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt und Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik ermittelt werden. Die Ergebnisse der Einzelverfahren werden fusioniert und mit den Fertigungsparametern korreliert. Diese Prozessüberwachung soll eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion bewirken.
Im Beitrag wird zunächst das Projekt als Ganzes vorgestellt und dann der Fokus auf die Thermografie mit Detektoren in verschiedenen Wellenlängenbereichen gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und experimentelle Ergebnisse im Vergleich zur optischen Tomografie und weiterer Verfahren präsentiert.
The deep penetration laser beam welding (LBW) has developed to one of the most promising metal joining methods in the modern manufacturing industry. It has well-known advantages of good penetration capacity, low heat input, high reachable welding speed and low welding distortion in comparison to conventional arc welding techniques. However, there are still challenges in LBW making the realization of the advantages difficult, such as porosity or inhomogeneous element distribution when using filler material. The magnetohydrodynamics technique is a promising way to solve these issues by introducing a suitable electromagnetic field, and correspondingly Lorentz force, to control the Transport phenomena in the weld pool.
The underlying physics in wire feed laser beam welding with electromagnetic stirring were investigated numerically and experimentally. A three-dimensional transient heat transfer and fluid flow model coupled with dynamic keyhole, magnetic induction and element transport was developed for the first time. The electromagnetic behaviour as well as the temperature and velocity profiles, solidification parameters, keyhole evolution and element transport are calculated.
The model is well tested against the experimental results. The beneficial effects from electromagnetic stirring (element homogenization and grain refinement) are explained quantitatively using the numerical data and the results from high-speed imaging, OM, EDX and EBSD.
Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt.
In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt.
Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment.
Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen.
When assessing the performance of welded components residual stresses are vital. The possibilities of transferring the real boundary conditions of welding, which influence the residual stress, into the laboratory are highlighted in this contribution. The potentials of a test system specially developed for this purpose are demonstrated. The component design induces global process-, geometry- and material-dependent stresses, which can be simulated and quantified in the system. In addition, the resulting local residual stress distribution can be exactly determined with high spatial resolution with the aid of X-ray diffraction. Examples are presented of how the conditions to be found during production are simulated in the laboratory.
Die Präsentation gibt einen Überblick bezüglich der von der BAM im Rahmen des SimCoLas Verbundprojekts durchgeführten Arbeiten zum Thema "Photonische Prozessketten". Die numerisch abgebildete Prozesskette Tiefziehen/Laserstrahlschweißen wird darsgestellt und diskutiert. Fokus der Diskussion ist die entwickelte Methodik zur konsistenten Abbildung numerischer Prozessketten mit der Applikation Heissrisskritikalität beim Laserstrahlschweißen.