BAM Dissertationsreihe
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Die Verfügbarkeit von Laserstrahlquellen mit immer höheren Leistungsparametern ermöglicht ein effektives und schnelles Schweißen von stetig größer werdenden Blechdicken. Dabei treten Herausforderungen bezüglich der Prozessstabilität, z.B. ein Austropfen von Schmelze bei Durchschweißungen sowie die Beherrschung der Dynamik, insbesondere an den freien Oberflächen, die stark von Oberflächenspannungseffekten beeinflusst wird, in den Vordergrund. Die vorliegende Arbeit liefert einen primär numerischen Beitrag zur Anwendung oszillierender sowie zeitlich invarianter magnetischer Felder beim Hochleistungs-Laserstrahlschweißen von nicht-magnetischen Bauteilen hoher Blechdicke. Für die simulativen Untersuchungen wurden die Materialien Aluminium sowie austenitischer Stahl AISI 304 herangezogen und mit Querschliffen von exemplarisch durchgeführten Schweißungen an der Legierung AlMg3 bzw. AISI 304 verglichen. Die Simulationen wurden mit dem kommerziellen Finite- Elemente-Paket COMSOL Multiphysics durchgeführt. In diesem Rahmen wurden Strömungs- und Temperaturfelder sowie die Verteilungen der elektromagnetischen Feldgrößen berechnet. Die Bewertung der elektromagnetischen Beeinflussung des Schmelzbades erfolgte für die Anwendung oszillierender Magnetfelder zur Vermeidung des Schmelzaustropfens anhand der Druckverteilungen an unterer und oberer Schmelzbadoberflächen. Der Grad der Strömungsdämpfung durch elektromagnetische Kräfte wurde durch dimensionslose Kennzahlen unter Berücksichtigung des turbulenten Strömungszustandes bewertet. Es konnte im Rahmen der Arbeit gezeigt werden, dass durch den im Schmelzbad wirkenden vertikalen Anteil der Lorentzkraft, basierend auf einem oszillierenden magnetischen Feld unterhalb der Schweißzone und den im Werkstück induzierten elektrischen Wirbelströmen, ein Austropfen von verflüssigtem Material verhindert und somit ein sicherer Schweißprozess ermöglicht werden kann. Die hierfür benötigten elektromagnetischen Leistungen liegen für 20 mm dickes Aluminium und seinen Legierungen im Bereich mehrerer hundert Watt. Numerische Untersuchungen zur Strömungsdämpfung mittels permanentmagnetischer Felder zeigen die Möglichkeit auf, die Strömungsgeschwindigkeit und die lokale Turbulenzverteilung effektiv zu reduzieren. Dabei spielt die Polarität des quer zur Strömungsrichtung angelegten magnetischen Feldes keine Rolle für die resultierenden Kräfte. Die rechnerisch ermittelte Veränderung der Nahtform hin zu einem V-förmigen Profil konnte experimentell bestätigt werden. Die dazu notwendigen magnetischen Flussdichten für den Laborversuch liegen im Bereich kommerziell erhältlicher Neodym- Eisen-Bor Magnete bei etwa 500 mT.
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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.
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Der Hauptaspekt der vorliegenden Dissertation ist die Sensitivitätsanalyse der FE- Schweißsimulation, basierend auf einer Variation der Werkstoffkennwerte, sowie deren Einfluss auf das transiente Temperaturfeld und die Verzüge. Dabei wird das Streuband der Werkstoffkennwerte für den gesamten Temperaturbereich sowie für diskrete Temperaturintervalle, die aus der Metallurgie und den experimentellen Randbedingungen abgeleitet sind, betrachtet. Die Untersuchung findet an drei verschiedenen Legierungen statt, welche zurzeit gebräuchliche Werkstoffe im Automobilbau innerhalb der folgenden Hauptlegierungsgruppen darstellen: • hochfester Dualphasenstahl • austenitischer Chrom-Nickel-Stahl • aushärtbare Aluminiumlegierung Die betrachteten Kennwerte sind Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Dichte sowie E-Modul, Dehngrenze, thermische Dehnung, Querkontraktionszahl und Verfestigungsverhalten. Die Untersuchungen zeigen den großen Einfluss der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte auf das berechnete Temperaturfeld und die anschließend ermittelten Verzüge. Mit Blick auf die thermomechanischen Kennwerte werden die Verzüge hauptsächlich von der thermischen Dehnung, dem E-Modul und der Dehngrenze beeinflusst. Die wichtigen thermophysikalischen und thermomechanischen Kennwerte werden für alle drei Legierungen gemessen. Diese sehr genauen Daten werden für eine Simulation ohne die möglichen Fehlerquellen der Streuung der Werkstoffkennwerte verwendet. Die Daten der Werkstoffkennwerte werden dann entsprechend der bekannten Streubänder variiert um die Sensitivität der simulierten Temperaturzyklen und Verzüge zu ermitteln. Die Berechnungsergebnisse werden über Schweißversuche an ebenen Platten mit Laserstrahl- Blindnähten validiert (Thermoelementmessungen, Nahtquerschliffe und Wegaufnehmermessungen der Verzüge). Darüber hinaus werden die Ergebnisse anhand einer Schweißsimulation und Verzugsoptimierung eines industriell relevanten Bauteils überprüft. Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse dieser Dissertation sind nicht notwendigerweise die der Volkswagen AG.