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03|12 Lasertechnik aktuell Für Kfz-Rahmenstrukturen aus Alu mi ni um-Strang press pro fi len und Druck guss teilen wird im großen Umfang das Metall-Inertgas- Schweißen (MIG) eingesetzt. Der Wär me eintrag führt zum Auftreten unerwünschter Verzüge, die insbesondere bei dünn wan di gen Leichtbau teilen aus Alu mi ni um eine erhebliche Be ein träch tigung für die form- und maßgenaue Fer ti gung bedeuten können. In einem Trans ferpro jekt des DFG- Sonder for schungsbe reichs 570 „Distortion Engineering“ wurde deshalb am Beispiel einer Pkw-Bo den gruppe gemeinsam mit dem Partner Daimler AG ein systematischer, pro zess ketten über greifender Ansatz zur Ver zugs be herr schung Quelle: Daimler AG Bild 1: Geschweißte Bodengruppen vorbereitet für die abschließende KTL-Wärmebehandlung am Ende der Prozesskette | Fig. 1: Welded fl oor structures prepared for the fi nal CDC heat treatment cycle at the end of the process chain ■ For automotive frame structures made of aluminum extrusions and castings, Metal Inert Gas (MIG) welding is widely used. This is related with a heat input and resulting distortions may become an issue particularly for the dimensionally accurate manufacturing of thin-walled light weight structures. A process chain oriented approach for distortion control in MIG welding was therefore investigated together with partner Daimler AG in a transfer project within the collaborative research center SFB 570. Using advanced MIG welding processes enabled a signifi cant reduc- Verzugsbeherrschung beim Lichtbogenschweißen von Aluminium beim MIG-Schweißen untersucht. Durch den Einsatz wärmearmer MIG-Verfahren wurde eine deutlich geringere Streckenenergie benötigt als bei standardmäßigen Impulslicht bogen prozessen. Dies wirkte sich jedoch nicht immer positiv auf den resultierenden Verzug aus. In einem Ver fah rens vergleich an einfachen Blechen zeigte sich, dass bei Über lapp ver bindungen, die vorgegebenen geometrische Anforderungen genügen mussten, der Winkel verzug vor allem mit der erzielten Ein schweiß tiefe korrelierte, und dabei mit ab neh men der Streckenenergie sogar zunahm. BIAS ID 121609 In-line measurement of shrinkage tion of heat input compared to standard pulse welding processes; however this was not always benefi cial for the resulting distortion. For overlap joints fulfi lling specifi c geometrical requirements the angular distortion was primarily correlated to the resulting weld depth, and even increased with reduced heat input. The effects of preceding heat treatments, tolerances of the cwomponents, welding sequences, torch oscillation, and a fi nal heat treatment were investigated using different sample geometries from castings and extrusions as well as real components from the Mercedes R231 Der Einfl uss un ter schiedlicher Wär mebe hand lungs zu stände, Bau teil to le ranzen, Schweiß folgen und Bren ner führungen sowie einer ab schlie ßen den Wär me behandlung wurde an unterschied lichen Tech no lo gie trä gern aus Guss teilen und Strang press pro fi len sowie an Real bau teilen des Roadsters R231 (Bild 1) betrachtet. Dabei waren zumindest bei den kom plexeren Bau teilen die Beiträge vor aus gehender und nachfolgender Pro zess schritte ver gleichs weise ge ring, so dass wirksa me Maß nahmen zur Verzugs vermei dung in diesem Fall immer am coordinate measurement of shrinkage Bild 2: Verhältnis der in der Spanvorrichtung gemessenen Verformung zu Messwerten der taktilen Koordinatenmessung im ausgespannten Zustand (offene Symbole: linear geschweißt, geschlossene Symbole: pendelnd geschweißt; unterschiedliche Symbolformen für 3 verschiedene Messstellen am Bauteil) | Fig. 2: Correlation of deformation detected in the clamping device and distortion determined on a tactile coordinate measuring machine after unclamping (open symbols: linear weld, solid symbols: oscillating weld; symbol geometries represent 3 different measuring points on the welded component) ■ Distortion in Arc Welding of Aluminum BIAS ID 121610 roadster (Fig. 1). At least for the more complex geometries the contributions of preceding and subsequent processing steps to the welded component’s distortion were relatively small, so that effective measures to avoid distortion must preferably address the welding procedure itself. To this end, the welding sequence and the presence of an air gap had a substantial impact on the resulting distortion, in contrast to edge offset and torch oscillation. When welding cast hat profi les to extruded hollow profi les with a total of eight welds it was observed that the deformation of the hollow profi le in the clamping Schweiß ver fahren selbst ansetzen müs sen. Hierbei hatten die gewählte Schweiß folge sowie ein auftretender Füge spalt eine erhebliche Aus wirkung auf den Verzug, wohingegen ein Kan ten versatz und ein Pen deln des Bren ners kaum Einfl uss zeigten. Beim Schwei ßen von Druck guss- Hut pro fi - len an ein strang ge press tes Hohl profi l mit insgesamt acht Nähten fi el besonders auf, dass die im eingespannten Zu stand beobachtete Verformung des Hohl profi ls stets mit dem nach dem Aus spannen gemessenen Maß än derung korrelierte, die über alle Vari ationen von Spalt, Kan ten ver satz und Bren ner füh rung hinweg etwa das Dop pel te der Verformung betrug, siehe Bild 2. Eine sinn volle Kom pen sa tions stra te gie kann somit darin bestehen, durch maß liches Vorhalten der Ein zel teile oder Vorspannen der Bautei le in den Fer ti gungs ein rich tun gen dem Verzug gezielt entgegenzuwirken. Wir danken der DFG für die Förderung des Transferprojektes T6 im SFB 570. (Dr. Thomas Seefeld) ■ device was closely correlated with its dimensional change recorded after unclamping which was typically twice the value of the former deformation, independent of gap, edge misalignment and torch oscillation variations (Fig. 2). Thus it can be reasonable to consider a dimensional adaptation of the components to be welded or applying a pre-strain in the clamping device as an effective distortion compensation strategy. We gratefully acknowledge DFG funding of the transfer project T6 within SFB 570. (Dr. Thomas Seefeld) ■ 2
L aserstrahlschweißen von Misch verbindungen ist in der Industrie aufgrund seiner guten Wirtschaftlichkeit ein allgemein anerkanntes und weit verbreitetes Verfahren. Durch Simulationen ist es möglich bei der Entwicklung von laserstrahlgeschweißten Hybridstrukturen Entwicklungszeit und –kosten einzusparen. Allgemeine Bemessungsansätze speziell für tragende hybride Bauteile sind zurzeit noch nicht verfügbar. Insbesondere bei hybriden Verbindungen fi ndet in und um die Fügezone ein nur schwer vorhersagbarer Spannungsausgleich statt. Unterschiedliche Materialeigenschaften und daraus resultierende Festigkeitssprünge in der Fügezone erschweren das Schweißen. Ziel des am BIAS, ZeTeM und IWT bearbeiteten Projektes war, die Erarbeitung eines Modell ansatzes zur Beurteilung der quasi-statischen Nahtfestig keit laserstrahlgeschweißter Hybrid verbindungen über die Kopplung von Prozess-, Gefüge- und Struktursimulation unter Due to its economic advantages, laser welding of hybrid materials is a well-accepted and wide spread joining method within the industry. By applying simulation methods in the development of laser welded hybrid structures it is possible to save a lot of costs and time. A complete numerical model has not been realized up to now. Advanced calculation and measurement methods, especially for hybride supporting parts have not been developed yet. Resulting from well-known strength variations by the welding procedure, i.e. high residual stresses compared to local yield strength, an unpredictable stress relieve occurs in the vicinity of hybrid joints. In practice, joining different materi- Simulation von Hybridverbindungen zur Versagensortvorhersage Berücksichtigung der lokalen Werkstoffzustände und der sich ausbildenden Nahtgeometrie. Dadurch wird es möglich eine Bewertung von Schweißnähten unter Ausnutzung einer entsprechenden ganzheitlichen Prozess modellierung vorzunehmen. Relevanz hatte in diesem Modell nicht nur der Spannungs- und Dehnungszustand nach dem Schweißen, sondern auch dessen weiteres lokales Verhalten a) b) als is diffi cult because of their differing material properties and the resulting jumps in strength within the joint. Recently, a model approach for evaluating quasi static weld seam strength of laser welded hybrid joints has been developed. For this purpose, we use a coupled process, microstructural and structural simulation taking local metallurgical properties and the development of local weld seam geometry into account. By this means it is possible to evaluate the quality of welding joints using a corresponding modeling of the welding process. Not only residual stresses as well as strains after welding are relevant parameters in order to estimate the strength of the welding joint in this in modellierten Zugversuchen. Zunächst wurde die Nahtgeometrie in 2D berechnet. Diese 2D Geometrie wurde anschließend in 3D extrudiert und für die thermomechanischen Simulationen erweitert (Bild 1a). Nach den thermomechanischen Simulationen erfolgte ein Mikrostruktur-Postprocessing zur Anpassung der Festigkeiten. Anschließend wurde die gesamte Bauteilhistorie nach der Schweißsimulation auf Failure prediction by simulation of hybrid joints BIAS ID 120403 Bild 1: a) Extrusion von 2D zu 3D, b) Versagensortvorhersage | Fig. 1: a) 2D-3D Extrusion, b) failure location prediction ■ model, but also local behavior of the material during the tensile test simulation. At fi rst, the geometry of the welding seam was calculated in a 2D-simulation. Results of this calculation were transferred into a 3D-thermo-mechanical-simulation of the welding process itself (Figure 1a). After the thermo-mechanical simulation a post-processing routine was used to consider microstructural changes in the material. The complete material history is then transferred to the modeled tensile-test. During this tensile test simulation the strain of the material is observed and compared to the fracture strains in every calculation step. In this way it is possible to predict the position of failure. Together eine modellierte Zugprobe übertragen. Bei der Durchführung der Zugversuchssimulation wurde über ein Abbruchkriterium (Bruchdehnung) der Versagensort ermittelt. Mit den am BIAS durchgeführten Simulationen in Zusammen arbeit mit unseren Kooperations partnern vom ZeTeM und IWT war es erstmals möglich in 2D berechnete Nahtgeometrien auf 3D-Modelle zu übertragen und diese für die Vorhersage des Versagensortes zu nutzen. Weiterhin ist es möglich den Versagensort entsprechend des hinterlegten Materialmodells vorherzusagen (Bild 1b). Das IGF-Vorhaben 360 ZN der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS wurde über die AiF mit den Projektpartnern IWT Bremen und Zentrum der Techno mathematik, ZeTeM an der Universität Bremen gefördert. Wir danken den Fördermittelgebern sowie unseren Industriepartnern für die Unterstützung des Forschungsprojektes. (Dipl.-Ing. Maral Kowalschuk) ■ with our cooperation partners ZeTeM and IWT it was possible to transfer calculated 2D-geometries into a 3D-model and to use them to predict the failure behavior during a simulation for the fi rst time (Figure 1b). The research work (IGF 360 ZN) of the Research Association “Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS” was supported via the AiF. Included cooperation partners are IWT Bremen, as well as ZeTeM at the University of Bremen. We would like to thank the fi nanciers of the project as well as industrial partners for their support. (Dipl.-Ing. Maral Kowalschuk) ■ 3
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Seite 5 und 6: Neue Spitze im DVS-Bezirksverband B

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