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000808705 245__ $$aAn investigation of microstructure and mechanical properties of low carbon steels subjected to welding$$cvorgelegt von Herrn Krishna Chaitanya Komerla, M.Sc.$$honline
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000808705 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021
000808705 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2020$$gFak05$$o2020-11-11
000808705 5203_ $$aSchweißen ist ein komplexer thermomechanischer Prozess, bei dem unter transienten und Ungleichgewichtsbedingungen mehrere metallurgische Phänomene gleichzeitig auftreten können. Die Wärmezyklen bei dem Schweißvorgang führen zu erheblichen Änderungen der Mikrostruktur des Materials und beeinflussen dadurch die mechanischen Eigenschaften der Schweißteile. Um eine stabile Verbindung herzustellen, ist es wichtig, die Auswirkungen der verschiedenen Prozessparameter auf die Schweißgefüge und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht zu verstehen. Neben konventioneller Prozessparameter wie, Beschleunigungsspannung, Stromstärke, Schweißgeschwindigkeit und angewandten Außendruck, ein tieferes Verständnis des Einflusses von Schweißparameter wie Werkzeugversatz, Strahloszillationen und Oszillationstrajektorien erforderlich ist um langlebige und nachhaltige Verbindungen herzustellen. In dieser Studie wird die Wirkung solcher unkonventioneller Prozessparameter zur Qualität von Schweißnähten vorgestellt. Zu diesem Zweck wurden die beiden folgenden Schweißverfahren untersucht 1.Schmelzschweißverfahren – Hochenergiestrahlschweißen 2.Druckschweißen – Reibrührschweißen. Kohlenstoffarme Stähle wie der Dualphasenstahl für die Automobilindustrie (DP1000) und der tiefziehbare DC04, die jeweils 1 mm dick, sowie ein 5 mm dicker Baustahl S235JR wurden untersucht. Zusätzlich wurde für das ungleiche Reibrührschweißen eine 1,12 mm dicke lösungsbehandelte und gealterte Aluminiumlegierung AL6016-T4 ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei gleichem Wärmeeintrag die Anwendung der unkonventioneller Prozessparameter können eine Reihe von verschiedener Schweißgefüge ergeben, die verbesserte mechanische Eigenschaften der Schweißnaht aufweisen. Bei den Hochenergiestrahlschweißen wurden Strahlschwingungen angewendet, um eine dynamische Leistungsverteilung um die stationäre Position des Strahls herum zu erzeugen, die den Wärmefluss im „Keyhole“ verbessert und breitere Schmelz- und Wärmeeinflusszonen erzeugte. Eine Reduzierung der Größe von Schweißkronen konnte durch einfaches Oszillieren der Energiequelle erreicht werden. Infolge dieser dynamischen Leistungsverteilung zeigte die Schweißmikrostruktur große säulenförmige Körner in der Schmelzzone und gleichachsige Körner mit unterschiedlicher Größe in der Wärmeeinflusszone. Diese Variation der Korngröße über die Schweißverbindung könnte auf den steilen Temperaturgradienten zurückgeführt werden, der bei dem Elektronenstrahlschweißen erzeugt wird. Typischerweise wird bei Schweißnähten eine hohe Härte beobachtet, da beim herkömmlichen Schweißen abgeschreckter Martensit auftritt. Schweißproben, die unter Verwendung von Strahloszillationen hergestellt wurden, besaßen jedoch nicht nur eine geringere Härte, sondern zeigten auch eine erhöhte Zugfestigkeit, eine geringere Restspannung und minimalen Verzug im Vergleich zu den durch stationäres Strahlschweißen erzeugten Fugen. Diese Abnahme der Härte ergab sich aus einem verstärkten Kornwachstum und einer zusätzlichen Diffusion von Kohlenstoff aus dem Austenit Gitter, die durch Strahlschwingungen verursacht wurden. Im Falle des Reibrührschweißens, der Werkzeugversatz führte zu einem Schweißmodus, bei dem sich minimale Scherdehnungen im Stahl akkumulierten und eine vollständige dynamische Rekristallisation der Mikrostruktur im Aluminium erreicht wurde. Zusätzlich wurden makroskopisch defektfreie und intermetallische verbindungsfreie Verbindungen erzielt. Wobei, nur ein kleiner Teil der Fe-Späne in die Aluminiummatrix eingebettet war. Durch plastische Verformung und thermische Effekte wurden signifikante Unterschiede in der Korngröße und Mikrohärte in der Schweißverbindung erzeugt. Hohe Temperaturen und extreme Dehnraten, die bei dem Schweißprozess auftreten, aktivierten die dynamische Rekristallisation der Mikrostruktur in der Aluminiumlegierung. Die kernel average misorientation (KOM) karte zeigte den Mangel an gespeicherter Deformationsenergie, was auf das vollständige rekristallisation hinweist. Aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität rekristallisierte Stahl jedoch nicht, sondern wies sowohl in der thermomechanisch beeinflussten Zone als auch in der Wärmeeinflusszone ein marginales Kornwachstum auf. Es enthielt auch eine sehr feine Kornstruktur in der Schweißzone. Die für die Schweißzone der Fe-Legierung aufgetragenen Texturkarten zeigten eine schwache Schertextur, was auf eine minimale Scherdehnungsakkumulation hinweist. Durch die Anwendung solcher Prozessparameter und das Verständnis ihrer Auswirkungen auf die Mikrostruktur können Verbindungen mit verbesserter Lebensdauer zu niedrigen Kosten hergestellt werden. Die experimentelle Erforschung solcher Parameter ist jedoch sowohl zeitaufwendig als auch teuer. Daher besteht ein großer Bedarf an numerischen Modellen, die den mechanischen Endzustand der Schweißverbindungen vorhersagen. Daher wird in diesem Projekt auch ein solcher Versuch unternommen, einen metallurgischen Rahmen zu entwickeln, um den Prozess des Schweißens, seine Metallurgie und Mikrostruktur zu untersuchen und zu analysieren. Zur Simulation des Schmelzschweißprozesses wurde eine sequentiell gekoppelte Finite-Element-Formulierung angenommen. Um die scharfen Temperaturgradienten über die verschiedenen Schweißzonen genau vorherzusagen, wurde ein bewegliches volumetrisches Wärmequellenmodell entwickelt, das eine konisch und eine kugelförmige Wärmeflussverteilung kombiniert. Die mit diesem Wärmequellenmodell berechneten Temperaturprofile stimmten hervorragend mit den experimentell gemessenen Daten überein. Zusätzlich wurde durch einen Vergleich der optischen Schliffbilder mit den simulierten Schweißgeometrien, die Basis des entwickelten Rahmens weiter gestärkt.$$lger
000808705 520__ $$aWelding is a complex thermo-mechanical process in which, under transient and non-equilibrium conditions multiple metallurgical phenomena can occur simultaneously. The weld thermal cycles introduce significant alterations to the microstructure of material and thereby, affect the mechanical properties of the weldments. In order to create a sound joint, it is essential to understand the impact of various process parameters on the weld microstructure and weld mechanical properties. Beyond conventional process parameters like, acceleration voltage, amperage, welding speed and applied external pressure, a deeper understanding of the influence of welding parameters like tool offset, beam oscillations and oscillation trajectories is necessary to produce long lasting and sustainable joints. In this study, the effect of such uncommon process parameters on the quality of welds is presented. To that end, the two following welding methods have been investigated 1.Fusion welding - High energy beam welding 2.Pressure welding - Dissimilar friction stir welding. Low carbon steels like the automotive dual phase steel (DP1000) and deep drawable mild steel DC04 each possessing 1 mm thickness, along with a 5 mm thick structural steel S235JR were investigated. Additionally, for dissimilar friction stir welding, a 1.12 mm thick solution treated and aged aluminum alloy AL6016-T4 was also studied. Results indicate that, for the same weld heat input, the application of uncommon process parameters can yield a range of different weld microstructures that exhibit improved weld mechanical properties. In the case of high energy beam welding, beam oscillations were applied to create a dynamic distribution of power around the stationary position of the beam that enhanced the flow of heat inside the keyhole and created wider fusion and heat-affected zones. A reduction in the size of welding crowns could be achieved by simply oscillating the energy source. As a consequence of this dynamic power distribution, the weld microstructure exhibited large columnar grains in the fusion zone and equiaxed grains of varying size in the heat-affected zone. This variation in grain size across the weld joint could be attributed to the steep temperature gradient produced during electron beam welding. Typically high hardness is observed in welds due to the occurrence of quenched martensite during conventional welding. However, weld samples fabricated using beam oscillations possessed not only lower hardness but also exhibited good tensile strength, lower residual stress and minimal distortion in comparison to the joints produced by stationary beam welding. This decrease in hardness arose from enhanced grain growth and additional indirect tempering like effect caused by beam oscillations. While in the case of friction stir welding, the tool offset resulted in a mode of welding where, minimal shear strain was accumulated in steel and complete dynamic recrystallization of microstructure in aluminum was achieved. Additionally, macroscopic defect free and inter-metallic compound free joints were obtained, with only a small fraction of Fe chips embedded in the aluminum matrix. Through plastic deformation and thermal effects, significant differences in grain size and micro-hardness were created in the weld joint. High temperatures and extreme strain rates inherent to the welding process, activated the dynamic recrystallization of microstructure in the aluminum alloy. The kernel average misorientation map revealed the lack of stored deformation energy, indicating the presence of fully recrystallized grains. However, due to its high thermal stability, steel did not recrystallize but, exhibited marginal grain growth in both thermo-mechanically affected zone and heat-affected zone. It also contained a highly refined grain structure in the weld zone. The texture maps plotted for the weld zone of Fe alloy showed weak shear texture indicating minimal shear strain accumulation. Thus, by adopting such process parameters and understanding their impact on the microstructure, joints with enhanced life can be produced at low costs. However, experimental research of such parameters is both time consuming and expensive. Hence, there is a strong need for numerical models that predict the final mechanical state of the weldments. Therefore, such an attempt is also made towards the development of a metallurgical framework in this project to study and analyse the process of welding, its metallurgy and microstructure. A sequentially coupled finite element formulation was adopted to simulate the fusion welding process. To accurately predict the sharp temperature gradients across the different weld zones, a moving volumetric heat source model, combining a spherical and a conical thermal flux distribution was developed. The temperature profiles computed with this heat source model were found to be in excellent agreement with the experimentally measured data. Additionally, a comparison of the optical micrographs with the simulated weld geometries further strengthened the basis of the developed framework.$$leng
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