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Numerical and experimental assessment of liquid metal embrittlement in externally loaded spot welds

2024-01-30 , Prabitz, Konstantin , Antretter, Thomas , Rethmeier, Michael , El-Sari, Bassel , Schubert, Holger , Hilpert, Benjamin , Gruber, Martin , Sierlinger, Robert , Ecker, Werner

Zinc-based surface coatings are widely applied with high-strength steels in automotive industry. Some of these base materials show an increased brittle cracking risk during loading. It is necessary to examine electrogalvanized and uncoated samples of a high strength steel susceptible to liquid metal embrittlement during spot welding with applied external load. Therefore, a newly developed tensile test method with a simultaneously applied spot weld is conducted. A fully coupled 3D electrical, thermal, metallurgical and mechanical finite element model depicting the resistant spot welding process combined with the tensile test conducted is mandatory to correct geometric influences of the sample geometry and provides insights into the sample’s time dependent local loading. With increasing external loads, the morphology of the brittle cracks formed is affected more than the crack depth. The validated finite element model applies newly developed damage indicators to predict and explain the liquid metal embrittlement cracking onset and development as well as even ductile failure.

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Process advantages of laser hybrid welding compared to conventional arc-based welding processes for joining thick steel structures of wind tower

2023-12-22 , Brunner-Schwer, Christian , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

The most common welding processes when joining thick-walled steels in the industry are arc-based welding processes such as GMAW or SAW. For this purpose, the sheets are joined in multi-layer technique, which can lead to productivity losses due to high welding times. The process-specific challenges in welding thick steels using multi-layer technique relate to the high heat input from the process. Therefore, alternative welding processes are being actively sought. A suitable alternative is provided by beam-based welding processes such as the laser hybrid welding processes, which are characterized by deep penetration welds and lower heat input. With implementation of the laser hybrid welding process in the heavy industry, such as the wind tower industry, economic benefits can be reached such as the increase in productivity by reducing the layer number, and the lower consumption of filler material and energy. When comparing SAW welded 25 mm thick steels in five to six layers and single-pass laser hybrid welding, the welding time can be reduced more than 80 % and the costs of filler material, flux and energy can be saved up to 90 %. However, the industrial use of the laser hybrid welding process is still limited to applications, where the material thickness does not exceed 15 mm due to some process-specific challenges such as the sagging, sensitivity to manufacturing tolerances such as gaps and misalignment, limited filler wire mixing, and deteriorated mechanical properties resulting from high cooling rates. To overcome these challenges, a contactless electromagnetic backing based on an externally applied AC magnetic field was used. Eddy currents are induced due to the oscillating magnetic field, and an upward-oriented Lorentz force is generated to counteract the droplets formed due to gravitational forces. It allows to weld up to 30 mm thick structural steels in a single-pass with a 20-kW fiber laser system. Additionally, the gap bridgeability and the misalignment of edges were increased to 2 mm when welding 20 mm thick steels. With the aid of the AC magnetic field, a vortex was formed in the weld root, which had a positive effect on the filler wire mixing.

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Tailor Welded Blanking Digital

2023-11-30 , Weber, Joshua , Daniel, González , Höfemann, Matthias , Joos, Paul , Rys, Anastasia , Lemke, Josefine

Der immer effizientere Einsatz von Energie und Ressourcen bleibt eine große Herausforderung, die nur mit innovativen Lösungen zu bewältigen ist. Ein schneller, günstiger und ressourcenschonender Ansatz ist die Anwendung von digitalen Methoden. Vor allem bei anspruchsvolleren Fertigungsketten, wie die Herstellung von Karosseriebauteilen aus Tailor Welded Blanks, ist es sinnvoll, die Produktauslegung bzw. die Prozessauslegung vor der eigentlichen Produktion digital und ganzheitlich zu simulieren, um Werkzeuganpassungen und unnötige Versuche zu verhindern. Dies funktioniert mit der Benutzung eines sogenannten digitalen Zwillings für die Fertigungskette durch die Verknüpfung von numerischen Simulationen, die die einzelnen Prozessschritte abbilden.

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Kosteneinsparung in der Schweißtechnik

2023-10-26 , Seitz, Georg

Die schweißtechnische Entwicklung und Fertigung neuer Bauteile erfordert viele aufwendigeSchweißversuche und Fachwissen. Die Parameter auf Anhieb zu finden, gleicht der Suche nachder Stecknadel im Heuhaufen. Trotz aller Bemühungen muss oft noch nachbearbeitet werden,um maßhaltige Bauteile zu gewährleisten. Mithilfe von Simulationen kann diesesexperimentelle und teure Trial and Error stark reduziert werden.

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KI zur Prozessüberwachung im Unterpulverschweißen

2024-01-15 , El-Sari, Bassel , Gook, Sergej , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Beim Unterpulverschweißen sind die Prozessgeräusche ein Indikator für eine gute Fügequalität. Diese Beurteilung kann i.d.R. nur von einer erfahrenen Fachkraft durchgeführt werden. Eine kürzlich entwickelte künstliche Intelligenz kann automatisch das akustische Prozesssignal anhand vortrainierter Merkmale klassifizieren und die Fügequalität anhand des Geräuschs beurteilen. Der Algorithmus, einmal richtig trainiert, kann den Prüfaufwand beim Unterpulverschweißen deutlich reduzieren.

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Laserstrahlhybridschweissen von Türmen für Windkraftanlagen - Ökonomische und ökologische Vorteile

2023-12-19 , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Brunner-Schwer, Christian , Knöfel, Frieder , Gook, Sergej , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

Das Laserstrahlhybridschweißen ist beim Schweißen von Türmen für Windkraftanlagen eine Alternative zum Unterpulver schweißen von Dickblechen in Mehrlagentechnik und bietet hier ökonomische und ökologische Vorteile. Der industrielle Einsatz des Verfahrens ist jedoch durch prozessspezifische Herausforderungen eingeschränkt. Die im Beitrag beschriebene kontaktlose elektromagnetische Badstütze dient zur Erweiterung des Verfahrenspotenzials im Dickblechbereich >15 mm.

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Laser-Pulver-Auftragschweißen von funktional gradierten Materialien auf Cobalt-Chrom Basis

2023-11 , Marquardt, Raphael , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Um Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen werden Beschichtungen aus resistenteren Materialien aufgetragen. Hierzu zählen unter anderen die Legierungen auf Cobalt-Chrom Basis. Der diskrete Materialsprung ist jedoch unter thermischen und mechanischen Belastungen häufig Ursache für das Versagen der Beschichtung. In dieser Arbeit werden daher Materialgradierungen von verschiedenen Stahllegierungen zu einer Cobalt-Chrom Basislegierung untersucht. Die Ergebnissen werden dafür auch mit Resultaten zu vorangegangenen Untersuchungen verglichen. Kern der Arbeit bilden geätzte Schliffbilder der Materialpaarungen und Auswertungen mittels Farbeindringprüfung sowie die metallografische Bestimmung der Porosität. Ziel der Arbeit ist ein defektfreier Aufbau der funktional gradierten Materialpaarungen.

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Implementing human-robot collaboration in highly dynamic environments: Assessment, planning and development

2024 , Bastidas Cruz, Arturo , Jaya, T. , Thiele, Gregor , Krüger, Jörg

Human-robot collaboration (HRC) applications have been slowly making their path in the industry. Although the required hardware and the methods for the planning and development of collaborative robotic applications are mostly already developed, some industrial branches still struggle to implement HRC. This is the case in motorcycle production, where, unlike car production, the assembly line has been optimized for manual work. Based on the use case described above, this paper identifies new requirements of HRC for automated screwing assembly operations in flexible production environments. In order to compensate deviations in the position of the tool relative to the workpiece, a screwing strategy based on force control is proposed. Parameter sensitivity is considered and supported experimentally with a screwing task performed by a cobot, where a method for contact detection between the nutrunner and the screw head is analyzed. This paper brings a guideline for experts from the manufacturing system engineering to implement HRC in highly dynamic assembly environments.

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Wire Electron Beam Additive Manufacturing von niedriglegierten Zinnbronzen – Erreichbare Bauteileigenschaften und Prozessmerkmale

2023-12-05 , Raute, Maximilian Julius , Seitz, Georg , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Die Additive Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Verarbeitung von Kupferwerkstoffen im industriellen Umfeld. Hierbei wird verstärkt auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits aus der Schweißtechnik bekannt sind und sich zumeist durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich unter den drahtbasierten Verfahren der Directed-Energy-Deposition (DED) eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die Technologie Wire Electron Beam Additive Manufacturing (DED-EB) besondere Vorteile gegenüber anderen DED-Prozessen für die Anwendung an Kupfer. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel der Legierung CuSn1MnSi. Über mehrstufige Testschweißungen werden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. An verschiedenen additiv gefertigten Probekörpern werden anschließend Kennwerte für Aufbaurate, Härte, Mikrostruktur, Oberflächenqualität sowie mechanische Festigkeitswerte ermittelt. Es zeigt sich, dass das die durch DED-EB hergestellten Proben, trotz des groben Gefüges sowie der thermischen Belastung im Aufbauprozess, in ihren Eigenschaften gut mit den Spezifikationen des Ausgangsmaterials übereinstimmen.

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Fraunhofer IPK reports research on functionally graded materials in Additive Manufacturing

2023-10-27 , Marquardt, Raphael

To improve wear properties, the Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology (IPK) in Berlin is researching the Additive Manufacturing of functionally graded materials. This enables components with customised material properties and aims to improve the service life, reports Raphael Marquardt, Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology IPK.