Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Die Weiterentwicklung des Laser-Pulver-Auftragschweißens im Bereich der additiven Fertigung stellt dieses Verfahren vor neue Herausforderungen.
Bauteile können schnell und endformnah hergestellt werden, was diese Technik für den Prototypenbau sowie Kleinserienfertigung interessant macht.
Die Vielzahl an Varianten, um ein Volumen aus einzelnen Schichten aufzubauen, erhöhen die Möglichkeiten die Eigenschaften des entstehenden Bauteils zu beeinflussen. Hierfür müssen Strategien entwickelt werden, welche einen gleiclunäßigen Materialauftrag bei gleichzeitig optimalen Materialeigenschaften gewährleisten.
Die durchgeführten Untersuchungen behandeln den Einfluss von Pendelstrategien sowie Spiralstrategien auf die Temperaturentwicklung und stellen diese vergleichend gegenüber. Um den unterschiedlichen Bedingungen bei der Bauteilfertigung Rechnung zu tragen, wurden Versuche in Randbereichen sowie im zentralen Bereich des Testobjekts untersucht. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit angepasste Baustrategien zu entwickeln, um durch einen stabilen Fertigungsprozess Qualität und Eigenschaften eines Bauteils gewährleisten zu können.
Laser metal deposition (LMD) has been applied as coating technology for many years. Today, the technologies capacity to produce 3D depositions leads to a new field of application as additive manufacturing method. In this paper, 3D laser metal deposition of titanium alloy Ti-6Al-4V is studied with special regard to the demands of additive manufacturing. Therefore, only the powder nozzle is used to create the shielding gas atmosphere, which ensures high geometric flexibility. Furthermore, specimen with high aspect ratio and hundreds of layers are manufactured, which represent typical features in additive manufacturing.
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.
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.
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.
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.
Die experimentellen Untersuchungen innerhalb dieses Berichtes zeigen die erfolgreiche Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laser-strahl(hybrid)schweißen von ferromagnetischen Stäh-len mit einer Werkstückdicke von bis zu 20 mm. Bis-lang wurde dieses System zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von Aluminiumlegierungen und austenitischen Stählen eingesetzt. Zunächst wur-den die Versuche an Duplexstählen vorgenommen, die jeweils zur Hälfte aus Austenit und Ferrit bestehen. Im Anschluss daran wurden die Versuche auf bis zu 20 mm dicke Werkstücke aus Baustahl erweitert. In-nerhalb der Versuchsreihen wurden die AC-Leistung sowie die Oszillationsfrequenz variiert. Für Werk-stückdicken von 15 mm war eine AC-Leistung von ca. 1 kW notwendig, um die Wurzelüberhöhung in die Bewertungsgruppe B der für laserstrahlgeschweißten Stähle gültigen DIN EN ISO 13919-1:1996-09 einord-nen zu können. Mit zunehmender AC-Leistung wird die Wurzelüberhöhung sukzessive reduziert. Nach erfolg-reicher Erweiterung auf ferromagnetische Werkstoffe wurde die Anwendung der Technologie für das Laser-strahlhybridschweißen demonstriert, indem praxisrele-vante Y-Nähte an 20 mm dicken Baustählen ohne Wurzelüberhöhung einlagig in Wannenlage geschweißt wurden. Trotz der Beeinflussung des Lichtbogens durch das oszillierende Magnetfeld sowie des zusätz-lich zum hydrostatischen Druck zu berücksichtigenden Lichtbogendruckes wurde eine ideale Kompensation auf der Wurzelseite erzielt.
Die Erweiterung des Anwendungsspektrums der elekt-romagnetischen Schmelzbadstütze auf ferromagneti-sche Werkstoffe sowie auf das Laserstrahlhybrid-schweißen eröffnet für zukünftige industrielle Anwen-dungen ein großes Potenzial. Das einlagige Schwei-ßen dickwandiger Bauteile mittels Hochleistungslasern wird in Kombination mit der elektromagnetischen Schmelzbadstütze attraktiver. In nachfolgenden Un-tersuchungen wird der Einsatz der elektromagneti-schen Schmelzbadstütze beim Laserstrahlhybrid-schweißen von Pipelinestählen angestrebt, v. a. im Hinblick auf die Spaltüberbrückbarkeit und der me-chanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen. Zudem ist beim Schweißen von Duplexstählen der Einsatz von Zusatzwerkstoffen zu berücksichtigen, um das Gleichgewicht zwischen austenitischer und ferritischer Phasen zu stabilisieren.
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.
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.
The present paper investigates the electromagnetic porosity reduction in partial penetration laser beam welding of 6 mm aluminum die casting AlSi9MnMg. Applying an electromagnetic field, a significant reduction of the porosity as well as smoothing of the surface of aluminum die casting can be observed. Starting from the reference case without an electromagnetic support, the porosity was reduced by 76 %. Especially big pores can be removed from the weld pool effectively due to their beneficial volume-to-area ratio whereas very small metallurgical pores tend to remain within the weld pool even when higher magnetic flux densities are applied.
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.
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.
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.
Die Reduktion des Fahrzeuggewichts ist ein wesentlicher Ansatz zur Ver-ringerung des Energie- und Ressourcenverbrauchs und damit zur Senkung der CO2-Emissionen im Automobilbau. In der Karosserieentwicklung kann der vermehrte Einsatz von Aluminiumwerkstoffen einen bedeutenden Beitrag dazu leisten. Im preissensitiven Umfeld des Karosseriebaus etabliert sich das bei Stahlanwendungen genutzte Widerstandspunktschweißen zunehmend auch für Aluminiumverbindungen. Verfahrensbedingte Herausforderungen, wie verkürzte Elektrodenstandzeiten und mangelnde Kenntnis über den Einfluss von Imperfektionen auf die Festigkeit, begrenzen dennoch die Weiterverbreitung des Verfahrens und stellen die Prozessrobustheit insgesamt in Frage. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsvorhabens wurden das Auftreten verschiedener Brucharten experimentell untersucht und Prognosefunktionen zur Abschätzung der Tragfähigkeit von Widerstandspunktschweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsfällen erstellt. Anschließend wurde der Einfluss von Oberflächenrissen und Rissen in der Schweißlinse auf die Scherzugfestigkeit sowohl experimentell als auch simulativ analysiert.
Welding is the most important joining technology. In the steel construction
industry, e.g. production of windmill sections, welding accounts for a
main part of the manufacturing costs and resource consumption. Moreover, social
issues attached to welding involve working in dangerous environments. This aspect
has unfortunately been neglected so far, in light of a predominant focus on economics
combined with a lack of suitable assessment methods. In this chapter,
exemplary welding processes are presented that reduce the environmental and
social impacts of thick metal plate welding. Social and environmental Life Cycle
Assessments for a thick metal plate joint are conducted for the purpose of
expressing and analysing the social and environmental impacts of welding.
Furthermore, it is shown that state-of-the-art technologies like Gas Metal Arc
Welding with modified spray arcs and Laser Arc-Hybrid Welding serve to increase
social and environmental performance in contrast to common technologies, and
therefore offer great potential for sustainable manufacturing.
Micrometric surface topologies are required for a wide range of technical applications.
While lowered surface features have been used for many years to improve the tribological behavior of contacting surfaces, there are also other fields of application, where the potential of elevated surface features is known, e. g. for metal forming tools. However, the demand for a high wear resistance of these structures often inhibits an industrial application. A solution is offered by structuring techniques that use additional material. A promising approach is the localized dispersing of hard ceramic particles by pulsed laser radiation, the so-called laser implantation. This paper describes the potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of laser implanted surfaces by means of microstructural and topological investigations. Afterwards, results of a wear test are given and different applications for this structuring technique are discussed. It can be shown that dome-shaped or ring-shaped structures on a micrometric scale can be produced with high hardness and wear resistance.
Numerical Sensitivity Analysis of TRIP-Parameter K on Weld Residual Stresses and Weld Distortion
(2016)
A combined experimental numerical approach is applied for a sensitivity analysis of the transformation induced plasticity (TRIP)-parameter K on welding residual stresses and welding distortion for the welding of the low-alloyed high-strength S960QOL with the high-alloyed hig-strength filler material CN13-4-IG. A thermo-mechanical FE model of a real GMA welding process was experimentally validated against termperature field, X-Ray stress measurments and optical distortion measurement. Within the sensititvity analysis K was varied and the influence on the calculated welding residual stresses and welding distortion is evaluated by performing corresponding FEA. The correct order of K magnitude is necessary in order to reproduce the residual stresses qualitatively and quantitatively. For the sufficient reproducing of the welding distortion the transformation induced plasticity can be neglected.