Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Chemical composition of the welding seam and HAZ has significant effect on weld quality.
Current inspection methods for weld seams measure and investigate post factum and cannot prevent weld defects. Element burn-off may significantly affect solidification leading to embrittlement or cracking. Control of weld chemical compositions insures a controlled solidification and resistance to related weld defects. “Industry 4.0” is the current trend of automation and data exchange in manufacturing technologies. With this trend “intelligent” welding machines will be developed. LIBS can provide significantly important online data for such systems.
The shape of the weld pool in laser beam welding plays a major role to understand the dynamics of the melt and its solidification behavior. The aim of the present work was its experimental and numerical investigation. To visualize the geometry of the melt pool in the longitudinal section a butt joint configuration of 15 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used. The weld pool shape was recorded by means of a high-speed video camera and two thermal imaging MWIR and VIS cameras. The observations show that the dimensions of the weld pool vary depending on the depth. The regions close to the surface form a teardrop shaped weld pool. A bulge-region and its temporal evolution were observed approximately in the middle of the depth of the weld pool. Additionally, a transient numerical simulation was performed until reaching a steady state to obtain the weld pool shape and to understand the formation mechanism of the observed bulging phenomena. A fixed keyhole with an experimentally obtained shape was used to represent the full-penetration laser beam welding process. The model considers the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature. It was found that the Marangoni convection and the movement of the laser heat source are the dominant factors for the formation of the bulging-region. Good correlation between the numerically calculated and the experimentally observed weld bead shapes and the time-temperature curves on the upper and bottom surface were found.
Bestrebungen zum Leichtbau sowie höhere Anforderungen an das ertragbare Lastkollektiv führen in der Auslegung von Schweißkonstruktionen zunehmend zum Einsatz hochfester Feinkornbaustähle. Ohne Anwendung kostenintensiver Nachbehandlungsverfahren ist die Lebensdauer hochfester Schweißverbindungen unter wechselnder zyklischer Beanspruchung jedoch limitiert. Neben der geometrischen Kerbe sind schweißbedingte Gefügeveränderungen und die Höhe und die Verteilung von Schweißeigenspannungen für die Eigenschaften von Schweißverbindungen von erheblicher Bedeutung. Sogenannte LTT-Zusatzwerkstoffe bieten eine äußerst lukrative Möglichkeit, die resultierenden Schweißeigenspannungen bereits während des Schweißens zu adaptieren. Durch die gezielte Ausnutzung der mit der martensitischen Phasenumwandlung verbundenen Volumenausdehnung können bei hinreichend niedriger Umwandlungstemperatur Druck oder niedrige Zugeigenspannungen induziert werden. Bisherige Untersuchungen konzentrieren sich vorrangig auf die Entwicklung von LTT-Legierungskonzepten sowie dem Nachweis von Druckeigenspannungen, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zum Einfluss der Wärmeführung, vor allem der Zwischenlagentemperatur, oder der Schrumpfbehinderung auf die Beanspruchung von LTT- Mehrlagenschweißverbindungen unter realitätsnahen Fertigungsbedingungen.
Die Interaktion zwischen der martensitischen Phasenumwandlung und den thermischen bzw. den mechanischen Einflussfaktoren auf die Schweißeigenspannungen wurde einleitend durch elementare Schweißversuche analysiert. Mit Hilfe des Temperaturgradienten wurde der Einfluss der behinderten thermischen Schrumpfung auf den Eigenspannungszustand in LTT-Schweißverbindungen erstmalig richtungsabhängig verstanden. Unter der Vorlage eines hohen Einspanngrades wurden Druckspannungen bevorzugt aufgebaut, wenn der Temperaturgradient während der Phasenumwandlung nur schwach ausgeprägt war. Dabei durchgeführte In-situ-Beugungsexperimente haben gezeigt, dass der Einspanngrad nur in Zusammenhang mit der richtungsabhängig vorliegenden behinderten thermischen Schrumpfung zu betrachten ist, um die Beanspruchung einer Schweißverbindung unter konstruktiver Schrumpfbehinderung bauteilübergreifend bewerten zu können.
Anschließend wurden Mehrlagenschweißversuche unter freier Schrumpfung sowie in einer speziellen Prüfanlage unter konstruktiver Schrumpfbehinderung und realistischen Fertigungsbedingungen durchgeführt. Es gelang der Nachweis, dass durch die Verwendung von LTT-Legierungen das Reaktionsmoment Mx gegenüber einer konventionellen Schweißverbindung unabhängig von der Zwischenlagentemperatur reduziert wird. Dennoch nimmt die Reaktionsspannung σ_total mit zunehmender Zwischenlagentemperatur zu. Mit Hilfe des Temperaturgradienten wurde der Einfluss der behinderten thermischen Schrumpfung auf die lokale und die globale Beanspruchung der untersuchten Schweißverbindungen interpretiert. Unabhängig von der genutzten Zwischenlagentemperatur lag für die LTT-Stumpfstoßverbindungen vor allem in Longitudinalrichtung nur eine geringe Schrumpfbehinderung während der martensitischen Phasenumwandlung vor. Dadurch wurden während der Abkühlung vor allem im Volumen Druckspannungen in Longitudinalrichtung aufgebaut. Der Eigenspannungszustand von LTT-Verbindungen wird darüber hinaus durch inhomogene Phasenumwandlung der Schweißnaht infolge von Konzentrationsunterschieden verschiedener Elemente im Schweißgut bestimmt.
AISI D2 is one of the most applied cold-working tool steel for deep drawing operations, due to the materials good toughness and high wear resistance. However, since the lubricant-free deep drawing as well as the processing of high strength and ultra-high strength steel sheets remaining ongoing trends in the automotive industry, the tool surfaces need to be improved regarding their friction and wear behavior. For this purpose elevated micro textures can be applied. Since protruded micro features are predominantly affected by wear, a structuring process enabling the formation of suitable textures with high wear resistance is needed.
In this paper surface texturing at microscale was conducted by laser implantation. This technique allows the fabrication of highly wear resistant, separated and elevated features (implants) on steel surfaces via a discontinuous dispersing of ceramic particles by pulsed laser radiation. The aim of this study was to investigate the techniques potential for the creation of wear resistant elevated micro features on AISI D2 tool steel surfaces by the application of TiB2 particles. The laser parameters (pulse power and length) were varied and a comparative material analysis on AISI D2 laser remelted spots and TiB2 localized dispersed zones was examined. High-speed camera recordings allowed the description of the particle insertion mechanism from pre-coatings during laser processing. Mechanical properties were analyzed by (micro-) hardness measurements at top and cross sections. The microstructure was investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive Xray
spectroscopy (EDX) and X-ray diffraction (XRD). The implants geometrical properties (diameter, height, depth) were investigated by white light interferometry and optical microscopy. The experiments reveal that a pulsed laser remelting of AISI D2 leads to a significant hardness drop due to high retained austenite (γR) contents. Contrary, a localized dispersing of TiB2 particles leads to defect free dome- or ring-shaped elevated features with hardness values up to 1800 HV1. The high hardness values result from the dispersed TiB2 particles and an in-situ precipitation of new hard particle phases, which lead to a reduction of the γR content within the matrix.