1,721,058 research outputs found
Verschleißuntersuchungen zu Stegoberkanten dünnfilmbeschichteter Einschneckenextruder bei der Verarbeitung ungefüllter Polymere
Full text linkIn der vorliegenden Arbeit wurde das Verschleißverhalten der an den Stegoberkannten
eingesetzten Werkstoffpaarungen dünnfilmbeschichteter Einschneckenextruder untersucht.
Verwendet wurde der sekundärhärtende Kaltarbeitsstahl X155CrMoV12-1 in Verbindung mit
mittels arc-PVD Verfahren applizierten hybriden Verschleißschutzschichten Chromnitrid,
Chromnitrid/Chromoxid und Titanalumniumnitrid auf Multilayerbasis. Geprüft wurde der
Einfluss der Wärmebehandlung und der Beschichtung auf das Biegeverhalten, Möglichkeiten
der Schichthaftungsoptimierung auf Grundlage der Adhäsionstheorie und die Extrapolation
des tribologischen Verhaltens bezüglich Reibung und Verschleiß im Stift-Scheibe auf den StiftRolle Prüfstand. Die gewählten Prüfungen bilden die Beanspruchungen der
Extrusionsschnecke während der Verarbeitung ungefüllter Polymere nach. Es wurden
metallographische- und Oberflächenuntersuchungen durchgeführt. Die
Oberflächenuntersuchungen erfolgten mittels Konfokallaserscanningmikroskop-Analyse,
REM- und EDX-Analyse. Die Schichtnukleation wurde mittels FIB-Schneidetechnik untersucht.
Die vor Beginn der tribologischen Tests durchgeführten Ermüdungsuntersuchungen durch
Biegebelastung zeigen, dass eine Vergütung unter Sekundärhärtetemperatur die Lebensdauer
infolge des umklappenden Restaustenitanteils signifikant verringert. Der Vergütungszustand
mit geringerem Härtegrad versagte bei geringerer Schwingspielzahl. Die Simulierung der
thermischen Belastung während des Beschichtungsprozesses zeigte nur geringe
Auswirkungen. Durch die Beschichtung des Substrates mittels der Beschichtung Chromnitrid
wurde die Kerbwirkung stark erhöht. Die ertragbare Schwingspielzahl verringerte sich um
90%
Werkstoffentwicklung von Molybdän-Kupfer-basierten Werkstoffen zur Anwendung in der additiven Fertigung von Multimaterialstrukturen
Full text linkFür einen Fortschritt in der additiven Fertigung von Multimaterialverbindungen wird im Rahmen dieser Arbeit die Werkstoffentwicklung einer metallischen Pseudolegierung für das additive Einfassen eines Yttrium–Aluminium–Granat (YAG) betrachtet. Ein derartiges laseraktives Medium wird bislang formschlüssig in Kupferfassungen fixiert, die eine Ableitung der Verlustwärme der Laseremission gewährleisten. Aufgrund der stark divergierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügepartner und zum Ausgleich von Rauheitsunterschieden für einen gleichmäßigen Wärmetransfer wird zwischen Kupfer und YAG eine Indiumfolie eingelegt.
Die additive Fertigung bietet über eine stoffschlüssige Ankopplung an den YAG bedeutende Vorteile. Neben einer homogenen Wärmeleitung eröffnet sich darüber hinaus die Möglichkeit zur Funktionsintegration. Allerdings liegen entsprechend der Applikation insbesondere thermische und strukturelle Anforderungen an den Werkstoff vor, aber auch die Gewährleistung einer geeigneten Ankopplung der Multimaterialverbindung ist von Bedeutung. Die Zielsetzung der Werkstoffentwicklung besteht in einem Werkstoff, der an die niedrige Wärmeausdehnung des YAG angepasst ist, zugleich einen niedrigen Schmelzpunkt hinsichtlich der thermischen Beständigkeit sowie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zur Ableitung der Verlustwärme bietet. Außerdem soll eine geeignete Ankopplung der Multimaterialverbindung sowie eine Verarbeitbarkeit mittels infrarotem Laser Metal Deposition (LMD) gegeben sein.
Infolge der gestellten Anforderungen werden Molybdän–Kupfer–Verbundwerkstoffe als Basis definiert, da diese sich durch die Kombination der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kupfers und der niedrigen Wärmeausdehnung des Molybdäns auszeichnen. Der Verzicht auf sintertechnische Prozessrouten für das Refraktärmetall ermöglicht eine Senkung der thermischen Beeinträchtigung des YAG. Zur Realisierung niedriger Schmelzpunkte und eines homogenen Gefüges sowie einer geeigneten Anbindung an den YAG werden der Kupfermatrix darüber hinaus Phosphor und Mangan beigemischt.
Der resultierende Werkstoff weist ein Gefüge mit hoher relativer Dichte auf, in dem eine homogene Verteilung der Partikel erreicht wird. Der Verbundwerkstoff kann durch den Molybdänanteil gezielt in der thermischen Expansion auf die Multimaterialverbindung eingestellt werden. Es lässt sich eine hinreichende Wärmeleitfähigkeit erreichen, die sich durch eine gezielte Temperaturführung weiter verbessern lässt. Der Schmelzpunkt des Werkstoffes und die daraus folgende thermische Belastung für die Kontaktierung mit dem YAG werden durch die Phosphorbeigabe signifikant reduziert. Die Zugabe von Mangan zur Kupfer–Phosphor–Matrix ermöglicht eine geeignete Ankopplung an den YAG. Aufgrund des hohen Molybdänanteils und der Phosphorbeimischung im Matrixwerkstoff wird eine deutliche Erhöhung der Absorption für infrarote Wellenlängen erreicht. Die laserbasierte Verarbeitbarkeit des Werkstoffes ist prozesssicher umsetzbar.
Der entwickelte Werkstoff auf Basis einer Molybdän–Kupfer–Pseudolegierung konnte durch eine gezielte Einstellung der Materialbestandteile sowie der Wahl der beiden Additive Phosphor und Mangan anforderungsgerecht für die Zielstellung der Multimaterialverbindung mit dem YAG sowie eine additive laserbasierte Verarbeitung mittels infrarotem LMD in den Werkstoffeigenschaften adaptiert werden.For an innovation in additive manufacturing of multi-material compounds, the material development of a metallic pseudo-alloy for the additive mounting of an yttrium-aluminum-garnet (YAG) is considered in this work. So far, this type of laser-active medium has been mounted in form-fitting copper mounts that ensure dissipation of the heat loss from the laser emission. Due to the strongly diverging thermal expansion coefficients of the joining partners and to compensate differences in roughness for uniform heat transfer, an indium foil is inserted between the copper and YAG.
Additive manufacturing offers significant advantages through a material connection to the YAG. In addition to homogeneous heat conduction, it also opens up the possibility of functional integration. However, depending on the application, there are particular thermal and structural requirements for the material, while ensuring a suitable bonding of the multi-material connection is also important. The objective of the material development is the creation of a material that is adapted to the low thermal expansion of the YAG and at the same time offers a low melting point in terms of thermal stability and sufficient thermal conductivity to dissipate the heat loss. In addition, a suitable coupling of the multi-material compound and processability by means of infrared laser metal deposition (LMD) should be ensured.
As a result of these requirements, molybdenum-copper composites are defined as a base, since they are characterized by a combination of high thermal conductivity of copper and low thermal expansion of molybdenum. The elimination of sintering process routes for the refractory metal makes it possible to reduce the thermal degradation of the YAG. Phosphorus and manganese are also added to the copper matrix to achieve low melting points and a homogeneous structure as well as a suitable bond to the YAG.
The resulting material has a structure with a high relative density with a homogeneous particle distribution. The thermal expansion of the composite material can be specifically adjusted to the multi-material compound due to the molybdenum proportion. Sufficient thermal conductivity can be achieved, which can be further improved by controlled temperature regulation. The melting point of the material and the resulting thermal load for contacting with the YAG are significantly reduced by the addition of phosphorus. The addition of manganese to the copper-phosphorus matrix enables suitable coupling to the YAG. Due to the high molybdenum proportion and the addition of phosphorus to the matrix material, a significant increase in absorption for infrared wavelengths is obtained. The laser-based processability of the material can be implemented reliably.
The developed material based on a molybdenum-copper pseudo-alloy has been adapted to meet the requirements for the objective of multi-material bonding with YAG and additive laser-based processing using infrared LMD in terms of material properties by specifically adjusting the material components and selecting the two additives phosphorus and manganese
Qualifizierung und technisch-wirtschaftliche Bewertung von Hochleistungsverschleißschutzsystemen zum Einsatz unter feinabrasiv-erosiver Beanspruchung
Full text linkZum Schutz vor abrasivem und erosivem Verschleiß gewinnt das Auftragschweißen immer mehr an Bedeutung, da mit verschleißbedingtem geplanten sowie ungeplanten Ausfall entsprechend verschleißbeanspruchter komplexer Maschinen und Großanlagen ein hoher volkswirtschaftlicher Verlust einhergeht. Für die Herstellung kostengünstiger Verschleißschutzpanzerungen haben sich als robuste Beschichtungsverfahren vor allem Metall-Schutzgas- (MSG-) und OpenArc- (OA-)Schweißprozesse etabliert [Pen08]. Mit diesen Verfahren werden üblicherweise Aufmischungsgrade von ca. 20-30 % erzielt, wobei im Regelfall die Schichtqualität mit zunehmender Aufmischung sinkt. Eine technisch-wirtschaftliche Zielstellung ist es daher, ein preiswertes MSG-Verfahren mit einem reduzierten erzielbaren Aufmischungsgrad zu kombinieren.
Einen vielversprechenden Ansatz stellt an dieser Stelle der Einsatz von geregelten Kurzlichtbogen- (GKLB-) Prozessen zum Hartauftragen dar. Die energiearmen GKLB-Prozesse wurden originär zum löt- und schweißtechnischen Fügen dünner und zum Teil beschichteter Stahl- und Aluminiumfeinbleche eingesetzt. Der bei diesen Verfahren modifizierte Kurzlichtbogen wird je nach Schweißgeräte-Hersteller entweder direkt über die Stromquelle geregelt, mechanisch durch eine reversierende Drahtbewegung oder aber durch eine Kombination aus mechanischer und elektronischer Regelung und dadurch das Leistungsmaximum beim Wiederzünden des Lichtbogens erheblich herabgesenkt, wodurch eine wesentlich geringere thermische Grundwerkstoffbeeinflussung während der Aufschmelzphase erreicht werden kann [N.N.08, Wes09, Wes11a, Wes12d]. Weitere Vorteile des GKLB-Prozesses gegenüber konventionellen MSG-Verfahren sind neben der geringeren Aufmischung und einer möglichen erzielbaren Hartphasenfeinung eine aufgrund der reduzierten Wärmeeinbringung wesentlich kleinere Ausdehnung der Wärmeeinflusszonen (WEZ), deutlich weniger Verzug der beschichteten Bauteile sowie zusätzlich hierzu geringere temperaturbedingte Eigenspannungen im hergestellten Schichtverbund. Zur Unterstützung von Strukturleichtbauzielen ist das Verfahren daher auch zum schweißtechnisches Panzern hoch- und höchstfester Feinkornbaustähle wie beispielsweise der Güten S690 beziehungsweise S960 interessant, da aufgrund der geringen WEZ-Ausdehnung der tragende Restquerschnitt des Substratwerkstoffes entsprechend groß ist. Durch die mit dem GKLB-Verfahren einstellbare Hartphasenfeinung ist besonders beim Verschleißangriff von feinen und feinsten Partikelstäuben ein gegenüber herkömmlichen Verfahren erhöhter Widerstand gegen abrasiven und erosiven Verschleiß zu erwarten.
Insbesondere hochfeste Strukturbauteile konnten bisher nicht ohne einen massiven Verlust ihrer spezifischen Werkstoff- und Festigkeitseigenschaften in einem einstufigen Prozess schweißtechnisch beschichtet werden. In dieser Arbeit soll deshalb eine technologische Entwicklung der Beschichtungsprozesse in Abhängigkeit der Grund- und Zusatzwerkstoffeigenschaften sowie unter Berücksichtigung des späteren Einsatzzwecks erfolgen. Hierfür werden ausgewählte fülldrahtbasierte Hartlegierungen mit einem GKLB-Verfahren verarbeitet und anschließend metallografisch sowie tribosystemgerecht verschleißtechnisch qualifiziert und die Art des Werkstoffversagens dargestellt. Da GKLB-Prozesse in Hinsicht auf die Schweißprozessbedingungen besondere Anforderungen an die schweißtechnisch zu verarbeitenden Fülldrähte stellen, wird außerdem die Entwicklung spezieller Fülldrahtelektroden zur Herstellung von Verschleißschutzschichten vorgestellt. Zur Qualifikation der abrasiv-erosiven Verschleißeigenschaften der generierten Schichten werden Strahlverschleißuntersuchungen bei Raum- und unter höheren Temperaturen sowie ein Zweikörperabrasivverschleißtest mit feinen und feinsten Abrasivgütern unterschiedlicher Kornfraktionen durchgeführt, um hierdurch den Verschleißwiderstand des metallurgisch und schweißtechnisch eingestellten Gefüges in Abhängigkeit der angreifenden Korngröße über ein möglichst breites Analysespektrum darstellen zu können. Ergänzend werden vielversprechende Schichtverbunde einer korrosionstechnischen Prüfung unterzogen.
Aus den erzielten Ergebnissen wird schließlich abgeleitet, unter welchen Randbedingungen das genutzte Verfahren technologische und technisch-wirtschaftliche Vorteile besitzt und somit dessen Einsatz lohnend erscheint.To protect against abrasive and erosive wear, hard-facing is becoming increasingly important, because associated with wear-related planned and unplanned failure are wear stressed complex machines and large plants, which corresponds to a high economic loss. Established for the production of cost-effective protection against wear, wear protective plating has proven to be a robust coating process especially metal inert gas (MIG) and Open-Arc (OA) welding processes [Pen08]. With these processes usually dilution rates of 20-30% can be achieved, usually the layer quality decreases with increasing dilution. Therefore, a technical-economic objective is to combine an inexpensive MIG procedure while achieving a reduced degree of mixing.
A promising approach at this point is the use of regulated short arc gas metal arc welding (GMAW) processes for hard coating. The low energy short arc GMAW processes were originally used for soldering, welding and joining thin, partially coated steel and aluminum thin sheets. The modification of the short arc in these methods is regulated depending on the welding equipment manufacturers, either directly via the current source, mechanically by a reversing wire movement, or by a combination of mechanical and electronic control and thereby the maximum power during re-ignition of the arc is significantly lowered, as a result a much lower thermal influence on the base material can be achieved during the melting [N.N.08, Wes09, Wes11a, Wes12d].
Further advantages of short arc GMAW process over conventional GMAW processes in addition to the lower dilution and possible achievable hard phase refining are a much smaller expansion of the heat-affected zones (HAZ) as a result of reduced heat input, significantly less distortion of the coated components and in addition to this a lower temperature-induced residual stresses in manufactured layer. In support of the aim towards light-weight structures the method for producing weld plating on high-strength fine-grained steels such as grades S690 or S960 is interesting, due to the low HAZ expansion of correspondingly large residual carrying cross-section of the substrate material. The adjustable hard phase refining by short arc GMAW is expected to have an increased resistance to abrasive and erosive wear, particularly the wear attack of fine and very fine dust particles over the conventional methods.
In particular, high-strength structural components have not yet been without a massive loss of specific material and strength properties coated by welding in a single layer process. Therefore, the purpose of this work is to make a technological development of coating processes depending on the basic and additional material characteristics, taking into account the later purpose of use. For this purpose, selected filling wires hard based alloys are processed using a short arc GMAW process and subsequently qualified by metallographic and tribological system wear technique and the type of material failure is represented. Since short arc GMAW process provide with respect to the welding process conditions special demands on the welding technology to be processed cored wire, therefore the development of special tubular wires for the production of wear-resistant coatings is presented. To qualify the abrasive-erosive wear properties of the generated layers sand blast wear tests (solid particle impingement) at room and elevated temperatures and a two body abrasive wear test is carried out with fine and very fine abrasive materials of different particle size, thereby the wear resistance of the metallurgical and welding technology of the set structure depending on the attacking particle can be analyzed and represented over a broad analysis spectrum. Additionally, the promising composite layer is subjected to a corrosion technical examination.
From the results obtained it is finally concluded, that under whatever conditions this method is used, it has technological and technical-economic benefits and thus its use seems worthwhile
Experimental studies on standardized flame straightening of high-strength construction steels by means of thermal screed figure
Full text linkDas Flammrichten von Stählen gehört seit vielen Jahrzehnten zur Endbearbeitung von Bauteilen, um entstandenen Verzug, der z.B. nach dem Verschweißen von Einzelbauteilen zu Teilbaugruppen oder Baugruppen entsteht, zu eliminieren. Ohne Flammrichten, das in vielen metallverarbeitenden Betrieben, wie z.B. im Stahlbau, Waggonbau und Maschinenbau eingesetzt wird, wäre eine wirtschaftliche Fertigung von Bauteilen nicht möglich. In vielen Fällen ist das Flammrichten das letzte und einzige Verfahren, um große Bauteile wieder in die geforderte Form zu bringen, da z.B. ein mechanisches Richten aufgrund der Bauteilgröße oder der Bauteilform überhaupt nicht möglich ist.
Aufgrund des vom Markt geforderten Leichtbaus wurden viele Varianten von hochfesten Baustählen entwickelt, um Produkte mit geringeren Blechdicken und damit geringeren Gewichten zu produzieren. Neben den herkömmlichen unlegierten Baustählen sind im Laufe der letzten Jahrzehnte eine Vielzahl neuer Werkstoffe im Segment der Baustähle entstanden, die deutlich höhere Festigkeiten bei gleichzeitig akzeptablen Dehnungswerten und guten Zähigkeiten als die klassischen unlegierten Baustähle aufweisen. Die in diesem Zusammenhang entwickelten hochfesten vergüteten Baustähle haben eine gute Schweißeignung, sind aber aufgrund ihrer Herstellungstechnologie deutlich empfindlicher gegenüber der Einbringung von Prozesswärme, die beim Schweißen oder beim Flammrichten entsteht.
Die derzeit verfügbaren Vorschriften und Regelungen des Flammrichtprozesses beschränken nur die Maximaltemperaturen beim Flammrichtvorgang. Gerade diese Temperaturen sind schwer zu messen und damit schwierig einzuhalten. Die eingebrachte Prozesswärme, die vor allen Dingen beim Flammrichten von hochfesten Baustählen von großer Bedeutung ist, wird durch diese Vorschriften nur ungenügend beschrieben. Der Flammrichter, der nur Glühfarben beobachten kann, sollte eine Vorschrift erhalten, die ihm eine Sicherheit des Flammrichtvorganges bei den verschiedenen hochfesten Baustählen gibt.
Diese vorliegende wissenschaftliche Arbeit soll diese Wissenslücke durch eine Vorschrift schließen, in dem ein Konzept erprobt wurde, welches bei der Flammrichtfigur „Wärmestrich“ einen Zusammenhang zwischen der Breite des Wärmestriches (Flammrichtspurbreite) in Abhängigkeit zur Werkstückdicke bei einem rein manuell durchgeführten Flammrichtvorgang mit visueller Temperaturkontrolle anhand der Glühfarben durch den Flammrichter hergestellt hat. Anhand von Reihenuntersuchungen an verschieden dicken Proben der Werkstoffe S355J2+N (Referenzwerkstoff), S460NL, S700MC, S960QL und S1100QL wurde dieses Konzept erprobt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass alle untersuchten Werkstoffe bis zu einer Flammrichtspurbreite, die der zweifachen Blechdicke entsprach, bei den vorgegebenen Blechdicken mit diesem Konzept sicher flammrichtbar waren. Die Verformung, und damit die Auslenkung der Probe, nahm mit zunehmender Flammrichtspurbreite zu. Die erzielten Verformungen waren bei dickeren Proben trotz gleichem Verhältnis der Spurbreite zur Blechdicke geringer als bei dünneren Proben. Die gemessenen Aufheiz- und Abkühlzeiten streuten innerhalb und zwischen den einzelnen Proben sehr stark, so dass über diese Parameter kaum eine Aussage möglich war, ob ein Flammrichtvorgang für die mechanischen Eigenschaften kritisch wurde. Die nach diesem Konzept entstandenen Wärmeeinflusszonen waren im Verhältnis zur Blechdicke nicht sehr tief. Dadurch waren große Teilbereiche der flammgerichteten Proben nicht wärmebeeinflusst. Die erzeugten Gefügeveränderungen in der Wärmeeinflusszone führten bei den vorgegebenen Parametern nicht zum Versagen der Werkstoffe.Flame straightening of steels has been part of the finishing of components for many decades in order to eliminate distortion that occurs, for example, after the welding of individual components into subassemblies or assemblies. Without flame straightening, which is used in many metalworking companies, such as in steel construction, wagon construction and mechanical engineering, the economic production of components would not be possible. In many cases, flame straightening is the last and only method to bring large components back into the required shape, as e.g. mechanical straightening is not possible at all due to the component size or shape.
Due to the lightweight construction demanded by the market, many variants of high-strength structural steels were developed to produce products with lower sheet thicknesses and thus lower weights. In addition to the conventional unalloyed structural steels, a large number of new materials have been developed in the structural steel segment over the past decades, which have significantly higher strengths with acceptable elongation values and good toughness than the classic unalloyed structural steels. The high-strength quenched and tempered structural steels developed in this context have good weldability, but due to their production technology, they are much more sensitive to the input of process heat generated during welding or flame straightening.
The currently available rules and regulations of the flame straightening process only limit the maximum temperatures during the flame straightening process. These temperatures in particular are difficult to measure and therefore difficult to maintain. The process heat introduced, which is of great importance above all for the flame straightening of high-strength structural steels, is only insufficiently described by these regulations. The flame straightener, which can only observe annealing colours, should be provided with a regulation that gives him a safety of the flame straightening process for the different high-strength structural steels.
The present scientific work is intended to close this knowledge gap by means of a regulation in which a concept was tested which, in the case of the flame straightening figure "heat screed", established a relationship between the width of the heat screed (flame straightening track width) as a function of the work piece thickness in a purely manual flame straightening process with visual temperature control by the flame straightener using the annealing colours. This concept was tested by means of serial tests on samples of different thickness of the materials S355J2+N (reference material), S460NL, S700MC, S960QL and S1100QL.
The results of this work have shown that all tested materials up to a flame straightening track width corresponding to twice the sheet thickness were reliably flame straightenable with this concept for the given sheet thicknesses. The deformation, and thus the deflection of the sample, increased with increasing flame direction track width. The deformations achieved were smaller for thicker specimens than for thinner specimens despite the same ratio of track width to plate thickness. The measured heating and cooling times scattered very strongly within and between the individual samples, so that hardly any statement could be made about these parameters as to whether a flame straightening process became critical for the mechanical properties. The heat-affected zones created according to this concept were not very deep in relation to the sheet thickness. This meant that large parts of the flame-directed samples were not affected by heat. The generated structural changes in the heat-affected zone did not lead to failure of the materials with the specified parameters
Untersuchung zur Flüssigmetallversprödung beim Widerstandspunktschweißen von hochmanganhaltigen Stählen
Full text linkAufgrund immer knapper und kostenintensiver werdender Ressourcen und klimapolitischer Ziele zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes ist die Automobilindustrie bestrebt, den Kraftstoffverbrauch trotz steigender Kundenanforderungen an Komfort, Sicherheit, Qualität und Langlebigkeit deutlich zu verringern. Gerade im Bereich der Karosserie wird deshalb werkstofflicher Leichtbau betrieben. Zur Realisierung dieser Anforderungen werden hochfeste Stähle mit guten Umform- und Crasheigenschaften gefordert. Eine Möglichkeit sind hochmanganhaltige Stähle, bei denen aufgrund des TWIP-Effektes (engl. Twinning Induced Plasticity) bei Verformung eine Zwillingsbildung stattfindet und dadurch Festigkeiten um 1000 MPa und Bruchdehnungen von über 60 % erreicht werden.
Beim Fügen dieser TWIP-Stähle im oberflächenveredelten Zustand tritt der Effekt der Flüssigmetallversprödung (engl. Liquid Metal Embrittlement (LME)) auf, bei dem das aufgeschmolzene Zink aus der Oberflächenbeschichtung an lokal besonders stark beanspruchten Stellen die Korngrenzen angreift, zwischen diese gelangt und zu einer Auftrennung und damit zu Rissen führt, die im schlimmsten Fall durch die gesamte Werkstoffdicke laufen.
Vor dem genannten Hintergrund ist das Ziel dieser Arbeit, nach der Charakterisierung der Werkstoffe hinsichtlich ihrer physikalischen und mechanisch-technologischen Kennwerte, Verarbeitungsrichtlinien für das Widerstandspunktschweißen von Mischverbindungen aus oberflächenveredelten hochmanganhaltigen TWIP-Stählen und ferritischen Feinkornbaustählen zu erarbeiten, sowie mit einer numerischen Simulation zu verifizieren. Der besondere Fokus liegt auf der Vermeidung oder zumindest Minimierung der induzierten LME-Risse in Widerstandspunktschweiß- sowie Warmzugversuchen, die weiterhin an zwei hochlegierten CrNi-Stählen als Referenzwerkstoffe durchgeführt wurden.
Durch die Verwendung einer geeigneten Kombination von Elektrodenkappendurchmesser und -kraft sowie einer eingebrachten Diffusionssperrschicht zwischen dem TWIP-Stahl-Grundwerkstoff und der Oberflächenbeschichtung lassen sich die auftretenden LME-Risse auf akzeptable Längen gegenüber der Ausgangssituation verkürzen. Eine komplette Rissunterdrückung lässt sich jedoch nach den aktuellen Forschungsergebnissen nicht erreichen.The automotive industry is continually looking for novel economic and ecological solutions for new passenger cars since the current climate policy imposes stricter emission regulations, while customers expect high comfort, quality and safety standards. To meet these demands, especially in the car body, lightweight construction with high-strength steels of good forming and crash characteristics is practiced. Here, a suitable approach is the use of high-manganese-content TWIP steels, which achieve strengths of around 1,000 MPa and fracture strains of more than 60 %.
Welding such surface-refined TWIP steels leads to liquid metal embrittlement (LME), when the molten zinc of the surface coating locally attacks the grain boundaries at particularly stressed areas. This effect produces cracks that at worst occur through the entire thickness of the material.
The aims of this thesis are to analyse the materials with regard to their physical and mechanical-technological properties and to elaborate processing guidelines for the resistance spot welding of mixed joints of surface-refined high-manganese TWIP steels with ferritic fine-grained steels. The focus is on the investigation of potential reduction up to non-existence of the induced LME cracks in spot welding as well as in hot tensile tests. Two high-alloyed CrNi steels are used for reference.
The study shows that the LME cracks can be shortened to at least acceptable lengths compared to the initial situation when using a large electrode cap diameter and a high electrode force, as well as a diffusion inhibiting layer between the TWIP steel base material and the surface coating. However, a complete prevention of the cracks cannot be achieved
Bewertung von Überlappverbindungen aus verzinktem Stahlfeinblech beim Metallschutzgasschweißen für Fahrwerksstrukturen
Full text linkDas Fahrwerk zählt zu den sicherheitsrelevanten Bauteilen eines Automobils, wodurch nicht nur die eingesetzten Werkstoffe und Komponenten spezifische Eigenschaften erfüllen müssen, sondern auch Fügeverbindungen hoher Qualität gefordert sind. Um einen passiven Korrosionsschutz zu ermöglichen, rücken bandverzinkte Stahlfeinbleche aus hochfesten Stählen immer mehr in den Fokus. Insbesondere die häufig in diesem Zusammenhang genutzte Kehlnaht am Überlappstoß stellt eine besondere Herausforderung dar. Deutliche Unterschiede in den Stoffeigenschaften des Stahlsubstrats und der Zinkbeschichtung begünstigen die Bildung von Poren bei der schweißtechnischen Verarbeitung, sodass die resultierende Naht den geforderten und hohen Ansprüchen nur schwer gerecht werden kann. Im Hinblick auf das Crashverhalten von Fahrzeugen nehmen schlagartige Lasten, neben statischen und zyklischen Lasten, eine besondere Stellung im Automobilbau ein. In Anlehnung an die für Fahrwerkskonstruktionen typische Stoßart wird die Scherzugprobe als charakteristische Probengeometrie gewählt. Unter Last resultieren verschiedenartige Kerben sowie komplexe Spannungszustände, aufgrund der unsymmetrischen Fügeverbindung, deren Auswirkungen insbesondere unter dynamischer Beanspruchung weitestgehend unbekannt sind. Daher war es von Interesse Überlappverbindungen aus bandverzinktem Stahlfeinblech beim Metallschutzgasschweißen für Fahrwerksstrukturen zu bewerten. Hierzu werden die Einflussgrößen auf die Festigkeitseigenschaften der als Kehlnaht am Überlappstoß geschweißten Scherzugprobe unter den im Fahrwerk herrschenden Beanspruchungen charakterisiert. Zur Erschließung der noch offenen Fragestellungen dienen die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen und Auswertungen. Es war möglich den für diese Verbindungsgeometrie spezifischen Mechanismus der Porenbildung für verschiedene Lichtbogenprozesse, Wärmeeinträge und Zinkauflagen zu verstehen und die daraus gewonnenen Erkenntnisse gezielt zur Herstellung von Scherzugproben mit unterschiedlichen Porengehalten zu nutzen. Anhand von Zugversuchen für verschiedene Prüfgeschwindigkeiten, unter Zuhilfenahme einer Hochgeschwindigkeitskamera sowie von Dauerschwingversuchen wird das Versagensverhalten der Scherzugprobe eindeutig über tiefergehende Bruchflächenanalysen abgebildet und die Beeinflussung durch Poren sowie weitere werkstoffliche und geometrische Größen zugeordnet. Abschließend wird der positive Einfluss hyperbarer Prozessbedingungen auf die Porenbildung durch Schweißversuche in einer Druckkammer bestätigt, wodurch die Grundlage für weiterführende Untersuchungen geschaffen wurde, um den hyperbaren Prozess gezielt zur Porenvermeidung nutzen zu können.The chassis is one of the safety-relevant components of an automobile, which means that not only the materials and components used must fulfill specific properties, but also high-quality joints are required. To allow passive corrosion protection, zinc-coated steel sheets made of high-strength steels are increasingly coming into focus. The fillet weld at the lap joint, which is frequently used in this context, poses a particular challenge. Significant differences in the material properties of the steel substrate and the zinc coating promote the formation of pores during the welding process, making it difficult for the resulting weld seam to meet the high standards required. In terms of the crash behavior of automobiles, impact loads play a special role in automotive engineering, beside static and cyclic loads. Based on the typical joint design for chassis constructions, the shear tensile sample is chosen as the characteristic sample geometry. Various types of notches and complex stress states result under loading due to the asymmetrical joint, and the effects of these are largely unknown, especially under dynamic loading. This is why it was of interest to evaluate lap joints of zinc-coated steel sheet in gas metal arc welding for chassis structures. For this purpose, the influencing variables on the strength properties of the shear tensile sample welded as a fillet weld at the lap joint are characterized under the stresses existing in the chassis. The investigations and evaluations carried out as part of the present work serve to answer the questions still open. It was possible to understand the specific mechanism of pore formation for this joint geometry for different arc processes, heat inputs and zinc coatings and to use the knowledge gained from this specifically to produce tensile shear samples with different pore contents. Using tensile tests for different test velocities with the help of a high-speed camera and fatigue tests, the failure behavior of the tensile shear sample is clearly shown using in-depth fracture surface analyses and the influence of pores and other material and geometric variables is assigned. Finally, the positive influence of hyperbaric process conditions on pore formation is confirmed by welding tests in a pressure chamber, thus creating the basis for further investigations to use the hyperbaric process specifically for pore prevention
Untersuchungen zum Ultraschallschweißen von hochgefüllten Graphit-Compounds mit Metallen zur Anwendung in PEM-Brennstoffzellen
Full text linkAufgrund des steigenden Wachstums der weltweiten Nachfrage nach Energiequellen unter
Berücksichtigung des beginnenden Klimawandels und der Freisetzung von Kohlenstoffdioxid
in der Atmosphäre bemüht sich die Welt darum, bei steigendem Warenkonsum den Einsatz
von fossilen Energierquellen durch regenerative Quellen zu stärken. Durch zunehmende
Forschung wurde Graphit – geprägt durch seine Fähigkeit, mit verschiedenen Werkstoffstrukturen
kombinierbar zu sein – ein unveräußerlicher Schlüsselwerkstoff in der
Brennstoffzellentechnik. Zwar weisen diese spröden Compounds im Vergleich zu Metallen
eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit, ein leichteres Gewicht und ein hohe
Korrosionsbeständigkeit auf, besitzen aber auch im Vergleich dazu schlechte mechanische
und thermische Eigenschaften.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, eine Lösung zur Herstellung einer formschlüssigen
Verbindung zwischen Metallen und hochgefüllten Graphit-Compounds darzustellen. Damit
wird eine Senkung des Kontaktwiderstandes zwischen Gasverteiler und Stromabnehmer in
einer Brennstoffzelle erreichbar, was zur Leistungssteigerung des Stacks und vor allem zu
einer Erweiterung des bisher bekannten Anwendungsspektrums des Ultraschallschweißens
führt. Eine zweite Untersuchung in diesem Zusammenhang ist das Ultraschallschweißen von
gleichen Compounds mit einer Gasdiffusionsschicht. Mit den metallografischen
Untersuchungen wird eine kraftschlüssige Verbindung nachgewiesen. Bei allen Zielgrößen
dominieren die Schweißzeit und die Vorwärmungstemperatur als wichtigste Faktoren. Die
Ergebnisse der mechanisch-technologischen Untersuchungen der mittels Ultraschallfügens
hergestellten Verbunde zeigen sich im Vergleich zu den Ergebnissen der konventionellen
Verbunde wie Kohlenstoff- und Glasfaserverbundwerkstoffen mit Metallen überlegen.
Die elektrischen Untersuchungen der geschweißten Verbunde haben eine Reduzierung des
elektrischen Widerstandes zwischen 15 und 30 % nachgewiesen.
Thermische Untersuchungen zeigten, dass 75 % der hergestellten Verbundproben eine
niedrigere Temperaturleitfähigkeit als normale Graphit-Compounds besitzen. Die Ergebnisse
der Wärmeleitfähigkeit zeigten ebenfalls eine Verbesserung der thermischen Eigenschaften
des Compounds durch die Verbindung zu Metall.Due to the increasing growth in global demand for energy sources, taking account of the
incipient climate change and the release of carbon dioxide from the atmosphere, the world
strives to strengthen with increasing consumption of goods the use of fossil Energy sources by
regenerative sources. By increasing research was graphite - characterized by its ability to be
combined with different material structures - an inalienable key material in fuel cell
technology. Although, these compounds brittle compared to metals have a lower electrical
conductivity, a lighter weight and a high corrosion resistance, but also in comparison, have
poor mechanical and thermal properties.
The main objective of this work is to present a solution for the preparation of a positive
connection between metals and highly filled graphite compounds. Thus, a reduction of the
contact resistance between gas distributors and a current collector in a fuel cell is reached,
resulting in the increase in performance of the stacks, and especially to an extension of the
previously known range of applications of ultrasonic welding. A second investigation in this
regard is the ultrasonic welding of the same compounds with a gas diffusion layer.
The metallographic investigations of the frictional connection were detected. For all target
variables the welding time and the heating temperature before the most important factors
dominate. The results of the mechanical and technological investigations of composites
produced by ultrasonic joining appear superior to metals compared to the results of
conventional composites such as carbon and glass fiber composite materials.
The electrical tests of the welded users have shown a reduction of electrical resistance
between 15 and 30%.
Thermal studies show that, have a lower thermal conductivity than ordinary graphite
compounds 75% of the manufactured composite samples. The results also showed an
improvement of the thermal conductivity of the thermal properties of the compound by the
compound to metal
Schweißen von Leichtbaurahmenkonstruktionen : funktionale Werkstoffauswahl und Schweißzusatzwerkstoffmodifikation
Full text linkDie nachhaltige Nutzung von Bodenflächen in der Land- und Forstwirtschaft unter ökologischen Aspekten ist,
ebenso wie die ökonomische Betriebsführung, eine der Kernanforderungen an die heutigen land- und
forstwirtschaftlichen Betriebe. Die Fülle der Gesetze und Zertifizierungen, wie z.B. das FSC-Gütesiegel, führen
heute dazu, dass die Anforderungen an die neuzeitlichen Agrar- und Forstgeräte immer weiter zu niedrigeren
Bodenbelastungen unter Steigerung der Nutzlasten führen.
Durch diese neuen gesetzlichen Rahmenbedingungen und dem Wunsch nach einer erhöhten Produktivität
sowie der Verringerung der Bodenverdichtung wird der Druck, Leichtbau auch bei forst- und
agrarwirtschaftlichen Maschinen umzusetzen, immer größer. Dabei spielt auch der Wunsch nach immer
größeren Nutzlasten für eine gesteigerte Produktivität eine entscheidende Rolle. Hierfür ist die Einführung von
Leichtbauaspekten und eine funktionale Werkstoffauswahl eine Möglichkeit.
Um das Ziel einer Leichtbaustrategie zu erreichen wird nachfolgend eine systematische Analyse der
Einflussfaktoren auf die Festigkeit von Schweißverbindungen unter unterschiedlichen Lastarten (statisch,
zyklisch und schlagartig-dynamisch) durchgeführt, um die Gewichtsreduktion über eine funktionale
Werkstoffauswahl und eine gezielte Modifikation von Schweißzusatzwerkstoffen zu erreichen.
Bei der funktionalen Werkstoffauswahl wird davon ausgegangen, dass sich das Verhalten von verschiedenen
Stählen, entsprechend ihrer chemischen Zusammensetzung, der Gefügeausprägung und der
Herstellungsmethode, im Gegensatz zum derzeit verbreiteten Kenntnisstand, voneinander unterscheiden
können.
Ziel der Arbeit ist es, durch das dargestellte Vorgehen, die Grundlagen für eine Gewichtsreduktion von
Rahmenkonstruktionen in der Agrartechnik, mit dem Fokus auf schweißtechnische Verbindungen und deren
Festigkeiten unter variierenden Belastungsarten, von 50% zu erarbeiten.
Beim detaillierten Vergleich der Verbindungseigenschaften von zwei unterschiedlichen
Feinkornbaustahlgruppen um eine funktionale Werkstoffauswahl für Leichtbaupotentiale identifizieren und
charakterisieren zu können, zeigte sich, dass trotz vergleichbarer mechanischer Ausgangseigenschaften
signifikante Unterschiede im Gefüge vor und nach dem Schweißen vorhanden sind. Diese führen dazu, dass
sich nach dem Schweißen deutlich andere Eigenschaften einstellen und so für eine der Stahlgruppen deutlich
höhere zyklische Lasten ertragbar sind.
Des Weiteren konnte über die Erarbeitung einer weiteren Methodik zur Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften der Schweißverbindung unter statischen, zyklischen und dynamisch-schlagartigen Belastungen
unter Modifikation des Schweißzusatzwerkstoffes, die technische Dauerfestigkeit noch weiter gesteigert
werden. Hierzu wurde gezielt die Fließfähigkeit der Schmelze durch eine Oberflächenbeschichtung mit Titan
beeinflusst und dadurch die geometrische Kerbwirkung am Nahtübergang vermindert.
Auf Basis der erhöhten technischen Dauerfestigkeit unter zyklischer Last und dem Erfüllen der an die
Verbindungen gestellten statischen und dynamisch-schlagartigen Festigkeitsanforderungen, ist ein
Leichtbaupotential von deutlich über 50% hinsichtlich des Rahmengewichts in der Agrartechnik antizipierbar,
da in jedem Fall die Grundwerkstofffestigkeit erreicht werden oder gängige Auslegungskriterien um mehr als
50% überschritten werden.The sustainable use of land in agriculture and forestry under ecological aspects, as well as economic management, is one of the core requirements for today's agricultural and forestry enterprises. The plethora of laws and certifications, such as the FSC seal of quality, mean that the demands placed on modern agricultural and forestry equipment are leading to ever lower soil loads and increased payloads.
Due to these new legal framework conditions and the desire for increased productivity as well as the reduction of soil compaction, the pressure to implement lightweight construction in forestry and agricultural machinery is becoming ever greater. The desire for ever greater payloads also plays a decisive role in increasing productivity. The introduction of lightweight construction aspects and a functional selection of materials is one way of achieving this.
In order to achieve the goal of a lightweight design strategy, a systematic analysis of the influencing factors on the strength of welded joints under different load types (static, cyclical and impact-dynamic) will be carried out in order to achieve weight reduction through functional material selection and targeted modification of filler metals.
The functional material selection is based on the assumption that the behaviour of different steels, according to their chemical composition, the microstructure and the manufacturing method, can differ from each other, in contrast to the currently widespread state of knowledge.
The aim of the work is to develop the basis for a weight reduction of 50% for frame constructions in agricultural engineering, with the focus on welding joints and their strengths under varying load types, by means of the procedure described.
A detailed comparison of the joining properties of two different fine-grained structural steel groups in order to identify and characterise a functional material selection for lightweight potential showed that, despite comparable mechanical initial properties, there are significant differences in the microstructure before and after welding and that these lead to significantly different properties occurring after welding and thus to significantly higher cyclic loads being bearable for one of the steel groups.
Furthermore, by developing a further methodology for improving the mechanical properties of the welded joint under static, cyclic and dynamic shock loads by modifying the filler metal, it was possible to further increase the technical fatigue strength. For this purpose, the flowability of the melt was specifically influenced by a surface coating with titanium, thereby reducing the geometric notch effect at the seam transition.
On the basis of the increased technical fatigue strength under cyclic load and the fulfilment of the static and dynamic strength requirements placed on the joints, a lightweight construction potential of well over 50% can be anticipated with regard to the frame weight in agricultural engineering, since in any case the base material strength is achieved or common design criteria are exceeded by more than 50%
Entwicklung eines alternativen Konzeptes zur Legierungsentwicklung von Schweißzusatzwerkstoffen mittels PVD Dünnfilmbeschichtung
Full text linkEin stetig wachsendes Interesse an der Anwendung additiver Fertigungsverfahren resultiert in der Notwendigkeit angepasste Zusatzwerkstoffe zu entwickeln. Im Fall der drahtbasierten additiven Fertigung, dem Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), ergibt sich das Problem, dass ein Massivdraht aus einer Metallschmelze entsteht. Diese muss im schmelzförmigen Zustand fertig legiert werden, der sogenannten Sekundärmetallurgier und kann in der Regel nach der Erstarrung nicht mehr in ihrer chemischen Zusammensetzung variiert werden. Die Schmelze wird Stranggepresst und im Anschluss über viele Arbeitsschritte in die letztendliche Drahtform gebracht. Eine Legierungsentwicklung ist somit sehr aufwendig und kostspielig. Aus diesem Grund soll ein alternatives Legierungskonzept, zur Erstellung modifizierter Schweißzusatzwerkstoffe mittels PVD Dünnfilmbeschichtung untersucht werden. Dazu wurde als Referenz ein DIN EN ISO 14341-A G 50 7 M21 4Mo Massivdraht Schweißzusatzwerkstoff verwendet. Dieser Basisdraht wurde unter Verwendung eines PVD-Prozesses mit Legierungselementen, die als Dünnfilmschicht auf der Oberfläche des Drahtes vorliegen, modifiziert. Die untersuchten Legierungselemente sind Aluminium, Chrom, Niob, Nickel und Titan. Es wurde ein Versuchsplan mit unterschiedlichen Schichtsystemen aufgestellt, welche in Einzelschichten und Mischschichten unterteilt werden. Bei den Einzelschichten liegt jeweils nur ein Element auf der Oberfläche vor und bei den Mischschichten werden mehrere Legierungselemente zeitgleich beschichtet. Dabei liegen alle beteiligten Legierungselemente in einer Schicht vor, um einen Einfluss unterschiedlicher Schichtreihenfolgen zu vernachlässigen. Bei den Beschichtungen handelt es sich um einen konstanten Schichtauftrag von 2 µm bei jedem Schichtsystem.
Schwerpunkt der Untersuchungen wird auf die Beeinflussung der Prozess- und Werkstoffeigenschaften gelegt. Bei der Untersuchung der Prozessbeeinflussung ist aufgefallen, dass sich durch die auf der Oberfläche vorliegenden Legierungselemente eine Veränderung des Lichtbogens und der Schweißnaht einstellt. Die Beeinflussung des Lichtbogens kann dabei über den Unterschied in der Ionisationsenergie beschrieben werden. Wird diese herabgesetzt, steigt die Leitfähigkeit im Plasma. Dadurch wird die notwendige Spannung zur Spaltüberbrückung herabgesetzt und es kann ein höherer Strom bei gleichzeitig größerer Lichtbogenlänge fließen. Dies ist jedoch abhängig von der Lichtbogentemperatur. Als Beispiel werden Aluminium und Titan verwendet. Bei diesen beiden Legierungselementen wurde die größte Lichtbogenlänge ermittelt. Aluminium weist im Vergleich zu Titan eine geringere Ionisationsenergie auf. Folglich wäre die Lichtbogenlänge bei dem Schichtsystem Aluminium am größten. Jedoch wird durch Aluminium die Temperatur des Lichtbogens herabgesetzt. Dadurch wird die thermische Ionisation verringert und die Leitfähigkeit sinkt. Daraus lässt sich schließen, dass der Einfluss auf den Lichtbogen in Abhängigkeit der Ionisationsenergie und der Beeinflussung der Lichtbogentemperatur bestimmt werden kann. Dies wirkt sich wiederum auf die Schweißnaht aus. Weiterhin wird die Schweißnaht durch den Einfluss der einzelnen Legierungselemente auf die Oberflächenspannung von Stahlschmelzen beeinflusst.
Durch die Untersuchungen der Werkstoffeigenschaften kann ein signifikanter Einfluss der Legierung durch das alternative Legierungskonzept auf die mechanischen Eigenschaften nachgewiesen werden. Es wurde zunächst der Einfluss auf die Gefügemorphologie betrachtet. Dabei wurde der Vergleich zu Schweißzusatzwerkstoffen gezogen, die mittels Sekundärmetallurgie hergestellt wurden. Dabei ist aufgefallen, dass sich die Legierungselemente unabhängig von ihrer Legierungsmethode gleich auf die Gefügeeigenschaften von HSLA Stählen auswirken. Weiterhin konnte ein Zusammenhang zwischen Härte, statischer Festigkeit und Schwingfestigkeit gezogen werden. Das Schichtsystem mit der höchsten Festigkeitssteigerung und den besten Zähigkeitseigenschaften ist Nickel. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe die Rissinitiierung erst bei einer höheren Anzahl an Belastungszyklen erfolgt.
Zur Qualifizierung des alternativen Leigerungskonzeptes wurde mit dem Referenzdraht durch entsprechende Modifikation ein bestehender, durch Sekundärmetallurgie hergestellter Schweißzusatzwerkstoff, in gleicher chemischer Zusammensetzung hergestellt. Bei dem Vergleich der Schweißgutgefüge konnte kein Unterschied zwischen den unterschiedlichen Legierungsmethoden festgestellt werden. Die mechanischen Eigenschaften bezogen auf Härte und statische Festigkeit haben marginale Abweichungen aufgezeigt. Diese können jedoch durch eine inhomogene chemische Zusammensetzung und unterschiedliche Schweißeinflussgrößen erklärt und somit vernachlässigt werden.
Es konnte aufgezeigt werden, dass das untersuchte Legierungskonzept im Bereich der HSLA Stähle als eine alternative Methodik zur Legierungsentwicklung verwendet werden kann. Hierdurch kann der Aufwand der Legierungsentwicklung im Hinblick auf die additive Fertigung mit hochfesten niedriglegierten Werkstoffen erheblich reduziert werden. Bei der Herstellung von Probenkörpern ist lediglich auf die Beeinflussung des Schweißprozesses im Hinblick auf die Veränderung der Lichtbogenlänge zu achten. Dieser Einfluss hat jedoch keine Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des vorliegenden Schweißgutes.A permanent growing interest in the application of additive manufacturing processes results in the necessity to develop adapted filler materials. In the case of wire-based additive manufacturing well known as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), the problem arises that a filler metal is created from a metal melt. This must be alloyed in the molten state, the so-called secondary metallurgy, and its chemical composition can usually no longer be varied after solidification. The melt is extruded and then shaped into the final wire form in many steps. Alloy development is therefore very complex and costly. For this reason, an alternative alloy concept for the production of modified welding consumables by means of PVD thin film coating is to be investigated. For this purpose, a DIN EN ISO 14341-A G 50 7 M21 4Mo solid wire welding consumable was used as a reference. This base wire was modified using a PVD process with alloying elements present as a thin film layer on the surface of the wire. The alloying elements investigated are aluminium, chromium, niobium, nickel and titanium. An experimental plan was set up with different layer systems, which are divided into single layers and mixed layers. In the case of single layers, only one element is present on the surface and in the case of mixed layers, several alloying elements are coated simultaneously. In this case, all the alloying elements involved are present in one layer in order to neglect the influence of different layer sequences. The coatings have a constant layer thickness of 2 µm for each coating system.
The focus of the investigations is on the influence of the process and material properties. During the investigation of the process influence, it was noticed that the alloying elements present on the surface cause a change in the arc and the weld seam. The influence on the arc can be described by the difference in ionisation energy. If this is reduced, the conductivity in the plasma increases. This reduces the voltage required to bridge the gap and a higher current can flow with a longer arc length. However, this depends on the arc temperature. Aluminium and titanium are used as examples. The longest arc length was determined for these two alloying elements. Aluminium has a lower ionisation energy compared to titanium. Consequently, the arc length would be the longest for the aluminium layer system. However, aluminium reduces the temperature of the arc. This reduces the thermal ionisation and the conductivity. From this it can be concluded that the influence on the arc can be determined as a function of the ionisation energy and the influence on the arc temperature. This in turn has an effect on the weld seam. Furthermore, the weld seam is influenced by the influence of the individual alloying elements on the surface tension of steel melts.
Through the investigations of the material properties, a significant influence of the alloy by the alternative alloy concept on the mechanical properties can be demonstrated. First, the influence on the microstructure morphology was considered. A comparison was made with filler metals produced by secondary metallurgy. It was found that the alloying elements have the same effect on the microstructural properties of HSLA steels, regardless of their alloying method. Furthermore, a correlation between hardness, static strength and fatigue strength could be drawn. The layer system with the highest increase in strength and the best toughness properties is nickel. Furthermore, it could be shown that by modifying the filler metals, crack initiation only occurs at a higher number of loading cycles.
In order to qualify the alternative leaching concept, an existing filler metal produced by secondary metallurgy with the same chemical composition was produced with the reference wire by appropriate modification. When comparing the weld metal microstructures, no difference was found between the different alloying methods. The mechanical properties related to hardness and static strength showed marginal deviations. However, these can be explained by an inhomogeneous chemical composition and different welding parameters and can therefore be neglected.
It could be shown that the investigated alloying concept in the field of HSLA steels can be used as an alternative methodology for alloy development. This can significantly reduce the effort of alloy development with regard to additive manufacturing with high-strength low-alloy materials. When manufacturing specimens, the only thing that needs to be taken into account is the influence of the welding process with regard to the change in arc length. However, this influence has no effect on the mechanical properties of the weld metal
Untersuchungen zum lokalen- und belastungsrichtungsabhängigen Stoffschluss durchsetzgefügter Verbindungselemente
Full text linkIm Rahmen dieser Arbeit wird ein Durchsetzfügeprozess mit einem lokalen Stoffschluss
erweitert, mit dem Ziel, die Verbindungsintegrität zu erhöhen sowie gezielt anzupassen. Als
Fügeverbindung kommt eine artgleiche Werkstoffkombination aus EN AW-5754 mit einer
Stärke von jeweils 1 mm zum Einsatz. Die Herstellung des Stoffschlusses erfolgt dabei über
ein Pressschweißverfahren, nämlich das Widerstandspunktschweißen und alternativ über ein
Schmelzschweißverfahren, wobei das Laserstrahlschweißen zum Einsatz kommt. Mit beiden
Kombinationsvarianten können die Festigkeitseigenschaften einer reinen Durchsetzfügung
unter statischer Belastung verbessert werden und gleichzeitig der negative Einfluss des
Stoffschlusses unter zyklischer Belastung kompensiert werden. Die Untersuchungen zeigen,
dass das Laserstrahlschweißen gegenüber dem Widerstandspunktschweißen eine bessere
Modifizierbarkeit als auch eine höhere Festigkeit des Stoffschlusses erzielt. Durch weitere
Anpassungen des Laserstrahlschweißprozesses sowie des Durchsetzfügeprozesses und
einer Kombination beider Prozesse konnte eine neuartige Fügeverbindung generiert werden.
Der so hergestellte Tailored Point überzeugt sowohl durch hohe statische als auch zyklische
Festigkeiten und übertrifft dabei die Eigenschaften des konkurrierenden Halbhohlstanznietens
bei einem gleichzeitigen Verzicht auf ein Hilfsfügeelement.In this work, a clinch joining process is extended with a local material closure, with the aim of
increasing the joint integrity as well as specifically adapting it. A material combination of EN
AW-5754 with a thickness of 1 mm is used as the joint. The material joint is produced by a
pressure welding process, namely resistance spot welding, and alternatively by a fusion
welding process, in which laser arc welding is used. With both combination variants, the
strength properties of a pure clinch joint under static load can be improved and, at the same
time, the negative influence of the material closure under cyclic load can be compensated. The
investigations show that, compared with resistance spot welding, laser beam welding achieves
better modifiability as well as higher strength of the material joint. By further adapting the laser
beam welding process as well as the clinching process and a combination of both processes,
a novel joining joint could be generated. The tailored point produced in this way impresses with
both high static and cyclic strengths and surpasses the properties of the competing self
piercing riveting while at the same time dispensing with an auxiliary joining element
- …
