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Item Open Access A fully coupled thermomechanical 3D model for all phases of friction stir welding(2016) Hoßfeld, MaxAlthough friction stir welding (FSW) has made its way to industrial application particularly in the last years, the FSW process, its influences and their strong interactions among themselves are still not thoroughly understood. The lack of understanding mainly arises from the adverse observability of the actual process with phenomena like material ow and deposition, large material deformations plus their complex thermo-mechanical interactions determining the weld formation and its mechanical properties. A validated numerical process model may be helpful for closing this gap as well as for an isolated assessment of individual influences and phenomena. Hereby such a model will be a valuable assistance for process and especially tool development. In this study a Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) approach with Abaqus V6.14 is used for modeling the whole FSW process within one continuous model. The resolution reached allows not only simulating the joining of two sheets into one and real tooling geometries but also burr and internal void formation. Results for temperature fields, surface and weld formation as well as process forces are shown and validated.Item Open Access Testing and evaluation of anchor channels under fatigue loading(2020) Fröhlich, Thilo; Lotze, DieterCast-in anchor channels are used to connect steel components to concrete structures e.g., for elevators, cranes or machines, where repeated load cycles require verification against fatigue failure. The fatigue resistance of anchor channels may be determined by tests according to the interactive method, which provides a complete description of the S/N curve from one to infinite load cycles according to the current assessment document. This procedure differs from conventional fatigue concepts, which do not consider loads that are part of low cycle fatigue, but also question the general existence of an endurance limit. An alternative approach presented in this paper is based on the assumption that the S/N curve can be approximated by a bilinear function. The procedure for the evaluation of fatigue tests on anchor channels embedded in concrete is described. A comparison with the current qualification criteria is given by a test example to discuss the applicability of the proposed method.Item Open Access Effect of weld length on strength, fatigue behaviour and microstructure of intersecting stitch-friction stir welded AA 6016-T4 sheets(2023) Walz, Dominik; Göbel, Robin; Werz, Martin; Weihe, StefanFriction stir welding is a promising joining process for boosting lightweight construction in the industrial and automotive sector by enabling the weldability of high-strength aluminum alloys. However, the high process forces usually result in large and heavy equipment for this joining method, which conflicts with flexible application. In order to circumvent this issue, a friction stir welding gun has been developed which is capable of producing short stitch welds-either stand-alone as an alternative to spot welds or merging into each other appearing like a conventional friction stir weld. In this study, the influence of the stitch seam length on the strength properties of intersecting friction stir welds is investigated, and the weld is characterized. For this purpose, EN AW-6016 T4 sheets were welded in butt joint configuration with varying stitch lengths between 2 and 15 mm. Both the static and dynamic strength properties were investigated, and hardness and temperature measurements were carried out. The results show a scalability of the tensile strength as well as the fatigue strength over the stitch seam length, while the substitute proof strength is not affected. Hereby, the tensile strength reached up 80% of the base materials tensile strength with the chosen parameter setup. Likewise, the stitch weld length influences the hardness characteristics of the welds in the transition area.Item Open Access Investigation of tool degradation during friction stir welding of hybrid aluminum-steel sheets in a combined butt and overlap joint(2024) Göbel, Robin; Schwertel, Stefanie; Weihe, Stefan; Werz, MartinFriction stir welding, as a solid-state welding technique, is especially suitable for effectively joining high-strength aluminum alloys, as well as for multi-material welds. This research investigates the friction stir welding of thin aluminum and steel sheets, an essential process in the production of hybrid tailor-welded blanks employed in deep drawing applications. Despite its proven advantages, the welding process exhibits variable outcomes concerning formability and joint strength when utilizing an H13 welding tool. To better understand these inconsistencies, multiple welds were performed in this study, joining 1 mm thick steel to 2 mm thick aluminum sheets, with a cumulative length of 7.65 m. The accumulation of material on the welding tool was documented through 3D scanning and weighing. The integrity of the resulting weld seam was analyzed through metallographic sections and X-ray imaging. It was found that the adhering material built up continuously around the tool pin over several welds totaling between 1.5 m and 2.5 m before ultimately detaching. This accretion of material notably affected the welding process, resulting in increased intermixing of steel particles within the aluminum matrix. This research provides detailed insights into the dynamics of friction stir welding in multi-material welds, particularly in the context of tool material interaction and its impact on weld quality.Item Open Access Experimental investigation on the fatigue design of anchor channels(2022) Fröhlich, Thilo; Lotze, DieterCast‐in anchor channels subjected to repeated cyclic actions need to be verified against fatigue failure. However, the fatigue behavior of these fasteners has rarely been investigated up to now. Consequently, the fatigue verification is not covered by the provisions of EN 1992‐4 and specific design rules apply for this product. This article gives a brief overview of the current design methods for anchor channels under fatigue loading and addresses its limitations. Results of experimental investigations within a recent research project are presented that focused on the fatigue resistance of fastenings under combined static and fatigue loading. Accompanying strain measurements provide insights about the distribution of cyclic tension loads through the channel profile to the anchors. In addition, tests under pulsating and alternating shear perpendicular to the channel axis were performed to outline the suitability under fatigue relevant shear loads. The test results obtained are discussed with respect to the existing state of knowledge. Finally, recommendations for the fatigue design of anchor channels are given.Item Open Access Anisotropy of the tribological performance of periodically oxidated laser-induced periodic surface structures(2023) Onufrijevs, Pavels; Grase, Liga; Padgurskas, Juozas; Rukanskis, Mindaugas; Durena, Ramona; Willer, Dieter; Iesalnieks, Mairis; Lungevics, Janis; Kaupuzs, Jevgenijs; Rukuiža, Raimundas; Kriūkienė, Rita; Hanesch, Yuliya; Speicher, MagdalenaLaser-induced periodic surface structures (LIPSS) enable advanced surface functionalization with broad applications in various fields such as micro- and nanoelectronics, medicine, microbiology, tribology, anti-icing systems, and more. This study demonstrates the possibility of achieving anisotropy in the tribological behavior of C45-grade steel structured by nanosecond laser radiation using the LIPSS method. The lateral surface of the steel roller was irradiated with a pulsed Nd:YAG laser at an optimum intensity I = 870 MW/cm2 for the formation of LIPSS. Two sets of samples were formed with LIPSS that were perpendicular and parallel to the roller’s rotational motion direction. The Raman intensity maps revealed that the LIPSS structure consisted of periodically arranged oxides at the top of hills. At the same time, the valleys of the LIPSS structures were almost not oxidized. These results correlated well with scanning electron microscopy energy dispersive X-ray spectroscopy mapping and atomic force microscopy measurements. A comparison of Raman and X-ray photoelectron spectroscopy spectra revealed that both the magnetite phase and traces of the hematite phase were present on the surface of the samples. Tribological tests were performed in two cycles with periodic changes in the normal clamping force and sliding speed. It was found that the LIPSS structures which were formed perpendicularly to the sliding direction on the roller had a significantly greater impact on the friction processes. Structures oriented perpendicular to the direction of motion had a positive influence on reducing the energy consumption of a friction process as well as increasing the wear resistance compared to LIPSS formed parallel to the direction of motion or ones having a non-texturized surface. Laser texturing to produce LIPSS perpendicular to the direction of motion could be recommended for friction pairs operating under low-load conditions.Item Open Access Analysis of hydrogen-induced changes in the cyclic deformation behavior of AISI 300-series austenitic stainless steels using cyclic indentation testing(2021) Brück, Sven; Blinn, Bastian; Diehl, Katharina; Wissing, Yannick; Müller, Julian; Schwarz, Martina; Christ, Hans-Jürgen; Beck, Tilmann; Staedler, Thorsten; Jiang, Xin; Butz, Benjamin; Weihe, StefanThe locally occurring mechanisms of hydrogen embrittlement significantly influence the fatigue behavior of a material, which was shown in previous research on two different AISI 300-series austenitic stainless steels with different austenite stabilities. In this preliminary work, an enhanced fatigue crack growth as well as changes in crack initiation sites and morphology caused by hydrogen were observed. To further analyze the results obtained in this previous research, in the present work the local cyclic deformation behavior of the material volume was analyzed by using cyclic indentation testing. Moreover, these results were correlated to the local dislocation structures obtained with transmission electron microscopy (TEM) in the vicinity of fatigue cracks. The cyclic indentation tests show a decreased cyclic hardening potential as well as an increased dislocation mobility for the conditions precharged with hydrogen, which correlates to the TEM analysis, revealing courser dislocation cells in the vicinity of the fatigue crack tip. Consequently, the presented results indicate that the hydrogen enhanced localized plasticity (HELP) mechanism leads to accelerated crack growth and change in crack morphology for the materials investigated. In summary, the cyclic indentation tests show a high potential for an analysis of the effects of hydrogen on the local cyclic deformation behavior.Item Open Access Micro-twinning in IN738LC manufactured with laser powder bed fusion(2023) Megahed, Sandra; Krämer, Karl Michael; Kontermann, Christian; Heinze, Christoph; Udoh, Annett; Weihe, Stefan; Oechsner, MatthiasComponents manufactured with Metal Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) are built in a layerwise fashion. The PBF-LB/M build orientation affects grain morphology and orientation. Depending on the build orientation, microstructures from equiaxed to textured grains can develop. In the case of a textured microstructure, a clear anisotropy of the mechanical properties affecting short- and long-term mechanical properties can be observed, which must be considered in the component design. Within the scope of this study, the IN738LC tensile and creep properties of PBF-LB/M samples manufactured in 0° (perpendicular to build direction), 45° and 90° (parallel to build direction) build orientations were investigated. While the hot tensile results (at 850 °C) are as expected, where the tensile properties of the 45° build orientation lay between those of 0° and 90°, the creep results (performed at 850 °C and 200 MPa) of the 45° build orientation show the least time to rupture. This study discusses the microstructural reasoning behind the peculiar creep behavior of 45° oriented IN738LC samples and correlates the results to heat-treated microstructures and the solidification conditions of the PBF-LB/M process itself.Item Open Access High speed friction stir welding of thick copper plates(2015) Hoßfeld, MaxWhen welding large copper parts, the process is strongly limited by the high thermal conductivity and capacity as well as the high temperature strength of copper. These slow down the welding process and require a large heat input. By this the process forces are high and probe failure is a severe issue. Typical welding speeds of thick copper plates today are around 50 to 150 mm/min under laboratory like conditions, requiring a spindle torque up to 1000 Nm, excluding usual multipurpose FSW-machines from this application. This study shows the process and tool development including the verification of a robust tool design. The process is carried out on a multipurpose machine reaching welding speeds up to 500 mm/min in 20 mm rolled Cu-OF. A significant reduction of the process forces, especially traverse force and spindle moment is reached. Due to the relatively low heat input good mechanical properties could be achieved. Tool design, parameters, microstructure, hardness profiles and tensile properties are shown.Item Open Access Experimentelle, analytische und numerische Untersuchungen des Rührreibschweißprozesses(2016) Hoßfeld, Max; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Mit dem Rührreibschweißverfahren steht seit einigen Jahren eine Fügetechnologie zur Verfügung, mit der viele fügetechnische Problemstellungen speziell beim Fügen von Aluminiumlegierungen gelöst oder vermieden werden können. Mittels Rührreibschweißen können sämtliche Aluminiumlegierungen zuverlässig, hocheffizient und mit einem sehr hohen Verbindungswirkungsgrad gefügt werden. Dabei weisen rührreibgeschweißte Verbindungen bereits ohne Nachbehandlung sehr gute statische und zyklische Festigkeiten auf, welche meist deutlich über jenen von Schmelzschweißverfahren liegen. Darüber hinaus ist das Verfahren hoch automatisierbar und kann direkt modular in andere Fertigungsverfahren integriert werden, wodurch große wirtschaftliche und prozesstechnische Potentiale entstehen. Auf Grund dieser positiven Eigenschaften wurde Rührreibschweißen in den letzten Jahren sehr schnell vom Anwender angenommen und findet aktuell eine rasche Verbreitung in den verschiedensten Branchen. Dabei erfolgte die Übernahme des Prozesses teils erheblich schneller als Forschung wie auch Anwendungsentwicklung der anwenderseitigen Umsetzung durch eine grundlegende Beschreibung des Prozesses folgen konnten. Dies wiederum führte dazu, dass heute noch teilweise erhebliche Lücken in Verständnis und wissenschaftlicher Beschreibung selbst elementarer Bestandteile des Prozesses bestehen. Ziel dieser Arbeit ist daher, zum erweiterten Verständnis des Rührreibschweißprozesses, seiner Wirkmechanismen und Phänomene von den physikalischen Grundlagen bis hin zum Bauteilverhalten beizutragen. Hierfür wird auf ein dreigliedriges Vorgehen aus analytischer und experimenteller Charakterisierung sowie numerischer Modellierung zurückgegriffen. Dabei dienen die erstgenannten Inhalte als Basis zur physikalischen Beschreibung und Abgrenzung der Prozessphänomene und zur späteren numerischen Beschreibung. Diese soll durch eine detaillierte und physikalisch korrekte Wiedergabe den Zugang zu den nicht direkt beobachtbaren Prozessphänomenen in der Fügezone ermöglichen. Da der Rührreibschweißprozess wesentlich durch Wechselwirkungen von mechanischer Prozesswirkung und Werkstoffverhalten dominiert wird, erfolgt nach der Darstellung prozesstechnischen Grundlagen zunächst eine Charakterisierung und Modellierung der verwendeten Aluminiumlegierungen Al Mg4,5Mn0,4 und Al Mg1SiCu (EN AW-5182 und 6061) und ihrer relevanten physikalischen Größen bei prozesstypischen Bedingungen. Hierauf bauen die analytischen und experimentellen Untersuchungen des Prozesses auf. Die Charakteristiken des Prozesses werden zunächst anhand der Entwicklung von Prozessleistung und Streckenenergie mit Überdeckungsgrad und Einschweißtiefe diskutiert, wobei die selbststabilisierenden Eigenschaften des Prozesses, die Kontaktinitiierung und die Rückwirkung der statischen und dynamischen Kräfte auf die Anlagentechnik gesondert berücksichtigt werden. Aus der Summe dieser Untersuchungen wird die Wichtigkeit des Reibkontaktes zwischen Werkzeug und Werkstück für Wärmeeinbringung und Materialfluss deutlich. Diesen Ergebnissen entsprechend folgt eine isolierte Untersuchung anhand von etwa 130 Reibversuchen mittels Telemetriesystem bei gleichzeitiger Messung der Temperaturen am Kontakt, welche durch entsprechende Schweißversuche ergänzt werden. Dabei kann nach dem Reibübergang eine Mehrlagenscherung sowie ein mitrotierender Verformungszylinder am Schweißwerkzeug festgestellt werden. Durch den dann werkstoffmechanisch dominierten Reibkontakt wird es möglich, das Grundprinzip der Viskoplastizität respektive das Werkstoffmodell zur Beschreibung des Reibkontaktes zu nutzen, wodurch typischerweise nötige Annahmen entfallen können. Auf der Basis der Untersuchungen der mechanischen Prozessinitiierung baut in der Arbeit die Analyse der beiden zentralen Prozessphänomene Wärmehaushalt und Materialfluss auf. Zur Analyse des Wärmehaushaltes erfolgt zunächst eine analytische Abgrenzung anhand von physikalischer Bilanzierung und Grundgleichungen. Dem schließen sich Untersuchungen von Fügetemperatur, typischen Temperaturprofilen wie auch konduktivem und konvektivem Wärmetransport in der Fügezone an. Ein weiterer Fokus liegt auf der Beschreibung von Kontakt, Wärmeübertragung und -aufteilung zwischen Werkstück, Spindel und Spanntechnik in Abhängigkeit von Pressung und Temperatur. Eng verbunden mit diesen Inhalten ist die Untersuchung des Materialflusses. Für diesen werden zunächst die Rand- und Kontinuitätsbedingungen hergeleitet und analysiert. Danach erfolgt eine experimentelle Untersuchung anhand von Querschliffen, Mikrostrukturentwicklung sowie eingebrachten Kupferfolien. Deren Verteilung in der Schweißnaht wird für verschiedene Einschweißtiefen Computertomographie analysiert, wobei die Selbstähnlichkeit der Materialströmungsregime am Werkzeug aber auch deren unterschiedliche Ausprägungen in Abhängigkeit der Einschweißtiefen deutlich werden. Aus den Untersuchungen resultieren detaillierte Aussagen zur Formierung der Fügezone mit bandförmigen Strukturen und Ablage des Werkstoffes hinter dem Werkzeug. Im Kontext erfolgt eine gesonderte Berücksichtigung von Einflussgrößen wie Rundlauftoleranz der Spindel, Werkzeuggeometrie und Prozessparametern. Da die Formierung quasi aller Schweißimperfektionen auf einen unzureichenden Materialfluss zurückgeführt werden kann, erfolgt eine Darstellung typischer Schweißfehler und deren Ursachen. Dabei kann durch die Analyse hochdynamischer Kraftanteile ein Zugang zu den lokalen Prozessphänomenen und eine Basis für eine Methodik zur Onlinefehlerdetektion aufgezeigt werden. Abgerundet werden diese Ergebnisse durch eine Beschreibung und Diskussion der Wirkung des Rührreibschweißprozesses auf die Festigkeits- und Bauteileigenschaften. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der prozessinduzierten Mikrostrukturentwicklung und der Beeinflussung der festigkeitssteigernden Mechanismen von Aluminiumlegierungen. Auf diesen Inhalten aufbauend erfolgt zur Erstellung der Simulationsmethodik zunächst eine Übersicht zu bestehenden Modellierungsansätzen sowie der zu berücksichtigenden Prozessphänomene. Die Modellierung erfolgt in der Arbeit mittels eines gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatzes (CEL) und der Volume-of-Fluid-Methode teilweise gefüllter Zellen. Hierdurch wird es erstmals möglich, alle Prozessphasen in einem durchgängigen Modell sowie eine reale Stoßgeometrie zu simulieren. Mit Hilfe der Simulationsmethodik können die zentralen Phänomene wie auch Details und Einflüsse des Rührreibschweißprozesses detailliert vorhergesagt und analysiert sowie in Abhängigkeit von Prozessparametern, Randbedingungen und Werkzeuggeometrien optimiert werden. Ebenso wird es möglich, die Wirkung des Prozesses mit geometrischer und mikrostruktureller Ausprägung der Schweißnaht und Fehlerformierung vorherzusagen, wodurch die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von rührreibgeschweißten Verbindungen möglich wird. Die simulativ ermittelten Prozesskräfte weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit Experimenten auf, wobei die Abtastrate der Kräfte modernen NC-gesteuerter Anlagen entspricht.