A systematic analysis of maximum tolerable tool wear in friction stir welding. - In: Welding in the world, ISSN 1878-6669, Bd. 67 (2023), 2, S. 325-339
Friction stir welding (FSW) is a solid-state joining process with a wide range of applications in the E-mobility, automotive, aerospace and energy industries. However, FSW is subjected to specific challenges including comparatively high process forces and high requirements on the clamping technique as well as tool wear resulting from the tool-workpiece interaction and thermo-mechanical stresses. Geometric-related tool wear can cause premature tool failure, process instabilities or weld seam irregularities. Therefore, tool wear in general, wear limits and tool life are essential factors for the efficient and sustainable implementation of friction stir welding. Against this background, this study analysed areas of significant tool wear on the shoulder and probe as a function of process temperature, weld seam length and weld seam quality. This provided functional correlations for determining limiting conditions on maximum tolerable tool wear. Geometrical deviations of the tool, induced by wear, were detected experimentally at different measuring points on the probe and shoulder and varying weld seam length. The investigations were carried out using a force-controlled robotized welding setup in which AA-6060-T66 sheets with a thickness of 5 mm were joined by weld seams up to 500 m in length. To identify the maximum tolerable tool wear, the weld seam properties were determined by visual and metallographic inspections and by tensile tests at 50-m intervals on the weld seam. It was shown that a 50% reduction in rotational speed (lower temperatures) resulted in less wear and thus in an increase of tool life of up to 150%. In addition, it was shown that the shoulder, like the probe, was also subject to significant wear. These results can be incorporated into FSW maintenance schedules to maximize tool life and minimize scrap rates.
https://doi.org/10.1007/s40194-022-01407-0
Development of evaluation strategies for ultrasonically welded aluminium strands/copper arrester joints :
Erarbeitung von Bewertungsstrategien für ultraschallgeschweißte Aluminiumlitzen-Kupferableiter-Verbindungen. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 74 (2022), 5, S. 260-266
Der Beitrag thematisiert die Erarbeitung von Bewertungsstrategien für ultraschallgeschweißte Litze-Ableiter-Verbindungen unter besonderer Berücksichtigung der Litzenverdichtung als zentralen Punkt der Gesamtverbindungsbildung. Dabei wurde gezeigt, dass unabhängig von der Schwingungswirkrichtung (linear, torsional) eine hinreichende Verdichtung und Anbindung der Litzen an den Ableiter und dadurch sehr gute mechanische und elektrische Eigenschaften erzielt werden können. Zur Untersuchung der Möglichkeiten einer erweiterten Prozessüberwachung wurden zudem die maschinenseitigen Anlagendaten (Schweißkurven) ausgewertet und mit den Verbindungsfestigkeiten verglichen. Hierbei konnte die zusammengesetzte Kenngröße der Sonotrodeneindringgeschwindigkeit eingeführt und mit verschiedenen Kompaktierungszuständen (zum Beispiel „überschweißte“ Verbindungen) korreliert werden. Ebenso konnten eine Methodik zur eindeutigen Bewertung des Prozesses und der Schweißergebnisse erarbeitet sowie der Einfluss verschiedener bauteil- und werkstoffspezifischer Einflussgrößen sowie dessen Auswirkungen auf die Litzenverdichtung und Verbindungsbildung betrachtet werden. So zeigte sich, dass für verschiedene herstellerspezifische Litzenverseilungen Anpassungen der Prozessparameter erforderlich sind, um für jeden Litzentyp sehr gute mechanische Eigenschaften zu erzielen. Als weiterer werkstoffspezifischer Einfluss wurden verschiedene Oberflächenbeschaffenheiten des Litzenkabels untersucht.
Characterization of gas-shielded metal arc welding with small wire diameters - Micro-MSG :
Charakterisierung des Metall-Schutzgasschweißens mit geringen Drahtdurchmessern - Mikro-MSG. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 74 (2022), 5, S. 276-282
Das Metall-Schutzgasschweißen (MSG) ist ein weit verbreitetes Fügeverfahren, dessen Leistungsbereich durch die kommerziell eingesetzten Drahtdurchmesser (0,8 bis 1,6 mm) bislang eingegrenzt wird. Zur Verringerung des Energieeintrags und des Schmelzbadvolumens ist daher der Einsatz geringerer Drahtdurchmesser, beispielsweise für das Fügen von Feinblech, von hohem Interesse. Im hier vorgestellten Forschungsvorhaben wurde das Metall-Schutzgasschweißen mit dünnen Drahtdurchmessern von 0,8 bis 0,4 mm (Mikro-MSG) grundlegend untersucht. Hierbei erfolgten neben der Analyse des Lichtbogenverhaltens und des Wärmeeintrags ebenso Untersuchungen zu schweißtechnischen Kenngrößen wie Lichtbogenleistung oder abgeschmolzener Drahtmasse. Dabei konnte eine Reduzierung der Lichtbogenleistung um bis zu 80% und eine damit einhergehende Reduzierung des Wärmeeintrags in den Grundwerkstoff erreicht werden. Diese Erkenntnisse wurden modellhaft für das Fügen von Feinblech (t = 0,5 mm) mit verschiedenen Stoßarten (zum Beispiel I-Naht am Stumpfstoß, Kehlnaht am Überlappstoß) mittels Mikro-MSG-Verfahren eingesetzt.
Highly productive GMAW joint welding using filler wire and magnet-induced twodimensional arc deflection :
Hochproduktives MSG-Verbindungsschweißen durch den Einsatz von Zusatzheißdraht und einer magnetinduzierten zweidimensionalen Lichtbogenauslenkung. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 74 (2022), 4, S. 204-211
Der Schwerpunkt der hier vorgestellten Untersuchungen zum MSG-Verbindungsschweißen mit dem Einsatz von Zusatzheißdraht lag auf der Verringerung der thermischen Beanspruchung durch die Separierung des Werkstoff- und Wärmeeintrags sowie auf der flächenmäßigen Verteilung des Energieeintrags durch eine magnetinduzierte zweidimensionale Lichtbogenauslenkung. Dabei wurde die Auslenkung des Lichtbogens zum einen über einen Gleichstrom(DC)-Heißdraht und eine eigens entwickelte Magneteinheit, zum anderen über das Wechselspiel zweier Wechsel-strom(AC)-Heißdrähte erzeugt. Somit wurden Abschmelzleistungen größer als 15 kg/h ermöglicht und eine davon unabhängige Einstellung der mechanisch-technologischen Eigenschaften erzielt. Hierzu erfolgte eine umfangreiche Charakterisierung der Prozesse am niedriglegierten Baustahl S355 (Zusatzwerkstoff: G4Si1) sowie am hochlegierten, rostfreien Stahl X5CrNi18-10 (Zusatzwerkstoff: G19-9-LSi). Die Abschmelzleistung wurde hinsichtlich des Energieeintrags und des resultierenden Temperatur-Zeit-Verlaufs variiert, um Erkenntnisse zu geometrischen und metallurgischen Eigenschaften zu erarbeiten. Weiter wurden der Einfluss des Heißdrahts auf die Verbindungsausbildung bewertet und geeignete Drahtvorschubverhältnisse erarbeitet. Abschließend wurden unterschiedliche Auslenkmuster untersucht, um die Anbindung der Werkstoffe zueinander sowie das Benetzungs- und Einbrandverhalten gezielt anzupassen. Das Forschungsvorhaben liefert erstmalig Erkenntnisse zum heißdrahtunterstützten MSG-Verbindungsschweißen mit zusätzlicher magnetinduzierter Lichtbogenauslenkung.
Development of an arc-based additive manufacturing of near-net-shape Ti6Al4V components using wire under controlled heat input and removal :
Entwicklung einer lichtbogenbasierten, additiven Herstellung endkonturnaher Ti6Al4V-Bauteile mit Draht unter kontrollierter Wärmezu- und -abfuhr. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 74 (2022), 7/8, S. 472-478
Untersucht wurde der additive Fertigungsprozess von Bauteilen aus Ti-6Al-4V unter Verwendung des Metall-Schutzgas-Schweißens (MSG). Der Schwerpunkt des Projektes lag auf der systematischen Erarbeitung wirtschaftlicher additiver Aufbaustrategien und der Analyse der Temperatur-Zeit-Verläufe während des Aufbauprozesses sowie der Untersuchung der resultierenden Eigenschaften. Hierbei erfolgte die Aufstellung eines Schweißbereichsdiagramms mit Empfehlungen von Prozesseinstellungen für die additive Fertigung mit dem geregelten Kurzlichtbogen sowie eine Darstellung möglicher Fehlerbilder außerhalb des aufgezeigten Bereichs. Zum Herstellen dickwandiger Strukturen wurden durch Modifikation des Schweißpfads verschiedene Aufbaustrategien untersucht und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet. Aufbauend auf den Ergebnissen konnten additive Strukturen unter Variation des Temperatur-Zeit-Verlaufs hergestellt werden, um Erkenntnisse zu ausgewählten geometrischen, metallurgischen und mechanisch-technologischen Eigenschaften zu erarbeiten. Verwendet wurden hierfür unterschiedliche Streckenenergien, Strukturabmessungen und Zwischenlagentemperaturen. Das Forschungsvorhaben lieferte umfangreiche Erkenntnisse zur additiven Verarbeitung des Werkstoffs Ti6Al4V unter Verwendung des MSG-Schweißens, insbesondere hinsichtlich des Temperatur-Zeit-Verlaufs und der daraus resultierenden Eigenschaften.
Entwicklung und Validierung einer Methodik zur anwendungsnahen Beschreibung des Werkzeugverschleißes an Rührreibschweißwerkzeugen. - In: DVS Congress 2022 - Große Schweißtechnische Tagung - DVS Campus, (2022), S. 62-68
Optimization of the ultrasonic crimping process of high-frequency litz wires by using process data monitoring. - In: 2022 12th International Electric Drives Production Conference (EDPC), (2022), insges. 7 S.
From a technological point of view, the contacting process of insulated wires to contact elements is one of the most complex steps in electromechanical engineering. To establish an electrical and mechanical connection of winding ends and contact elements, commonly the wire is stripped before the actual contacting process. However, for high-frequency litz wires, consisting of up to several thousand insulated single wires, the stripping process cannot be carried out in advance. Therefore, processes such as hot crimping or ultrasonic crimping, in which the insulation is thermally removed during the crimping process, are used. The latter is characterized by a significantly lower process energy consumption compared to the hot crimping process. It is therefore most attractive for future applications, but process optimization strategies have hardly been addressed in the literature. Within the scope of this publication, several possibilities of optimizing the process of ultrasonic crimping are investigated by means of systematic process data analysis. For this analysis, directly available data from the control system like the required process energy as well as additionally acquired sensor data, such as the sonotrode oscillation, are taken into account and a variation of process control variables as well as the cable lug clamping is conducted.
https://doi.org/10.1109/EDPC56367.2022.10019751
Entwicklung einer lichtbogenbasierten, additiven Herstellung endkontur-naher Ti-6AI-4V-Bauteile mit Draht unter kontrollierter Wärmezu- und -abfuhr. - In: #additivefertigung: Metall in Bestform, (2022), S. 135-142
A study for laser additive manufacturing quality and material classification using machine learning. - In: IEEE SENSORS 2022, (2022), insges. 4 S.
This paper demonstrates the use of acoustic emissions (AEs) to monitor the quality, and material used, for the laser additive manufacturing (LAM) process with steel and copper wire. Layers of deposited material (steel or copper) were created using LAM. The quality of these layers was either good or unstable. The AEs were recorded using three sensors, one microphone, and two structure-borne sound probes. The recorded signals were processed and transformed using the fast Fourier method. Then models were trained with the processed data and evaluated using a fivefold cross-validation. Results show that it is possible to accurately classify the materials used during LAM (up to a balanced accuracy [BAcc] score of 0.99). Also, the process quality could be classified with a BAcc score of up to 0.81. Overall, the results are promising, but further research and data collection are necessary for a proper validation of our results.
https://doi.org/10.1109/SENSORS52175.2022.9967311
Evaluation of the effect of local gas flows on keyhole geometry by means of a half-section setup. - In: 12th CIRP Conference on Photonic Technologies, (2022), S. 385-390
Increasing beam power of solid-state lasers enables high welding speeds for laser welding processes. However, increasing welding speeds lead to imperfections, especially spatter formation while processing high-alloy steels. A recent and novel approach to reduce the spatter formation is the utilization of a local gas flow to manipulate the keyhole pressure balance beneficially. To get a better understanding of the effect of the gas flow on the keyhole and its geometry during deep penetration welding, a half-section setup was developed. The laser beam was positioned partially on a glass plate and the metal sheet to provide an insight into the processing zone by means of high-speed recordings. Thus, it was possible to measure the keyhole geometry and to quantify the effect of different welding speeds and gas flows on keyhole length for full penetration welds.
https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.08.172