This dissertation deals with solidification cracking in high-power single-run laser-GMA hybrid welding of parts with wall thicknesses between 9mm and 14.5mm. It focuses on the influence of process parameters on the one hand and the effect of mechanical boundaries on the other hand. Experimental and numerical examinations were conducted.
Laser-GMA hybrid welds, using a disc laser with a maximum power output of 16kW were produced on tubes made of fine grain structural steels. The influence of the process paramters was investigated by a variation of welding velocity, wire feed speed and laser beam power within a design of experiments approach.
Varying longitudinal and transversal stiffnesses and different levels of applied pre-load and material strength were used to examine the effect of the mechanical boundary conditions on weld solidification cracking. The influence of restraint was analyzed by comparing full and partial penetration welds.
A welding simulation model granted access to the transient stresses and strains in the critical zones during welding. This allows to interprete the experimentally acquired results. A model of laser beam welding in the IRC-test provides the opportunity to analyze a case from the literature having a high exterior restraint. Simplified models of shrinking welds helped to classify the complex reactions in the welds.

1 Einleitung 1

2 Stand der Technik 3

2.1 Laser-MSG-Hybridschweißen 3

      2.1.1 Anwendungen 4

2.2 Erstarrungsrisse 6

      2.2.1 Phänomenologie 7

      2.2.1.1 Werkstoffeinfluss 8

      2.2.1.2 Einfluss der mechanischen Randbedingungen 9

      2.2.1.3 Prozessparametereinfluss bei Hochleistungsstrahlverfahren 13

      2.2.1.4 Prozessparametereinfluss beim Laser-MSG-Hybridschweißen 14

      2.2.2 Die Ursache von Erstarrungsrissen 15

      2.2.2.1 Hypothesen auf Basis des Temperaturfeldes 15

      2.2.2.2 Hypothesen auf Basis kritischer Deformationen 16

      2.2.2.3 Hypothesen auf Basis von Bilanzgleichungen 17

      2.2.2.4 Hypothesen auf Basis von Spannungen 19

      2.2.3 Der Zeitpunkt der Erstarrungsrissentstehung 20

2.3 Schweißsimulation 20

      2.3.1 Unterschiedliche Teilbereiche der Schweißsimulation 20

      2.3.2 Struktursimulation 21

      2.3.2.1 Werkstoffmodellierung von hochfesten Stählen 22

      2.3.2.2 Verfügbare Werkstoffeigenschaften für hochfeste Stähle 24

      2.3.2.3 Werkstoffmodellierung von Metallschmelze und mushy zone 25

      2.3.2.4 Anwendungsbeispiele zur Evaluation von Erstarrungsrissen 28

2.4 Zusammenfassung 29

3 Durchführung 31

3.1 Werkstoffe 31

3.2 Experimenteller Aufbau 33

      3.2.1 Lasertechnik 33

      3.2.2 Spann- und Zentriervorrichtungen für Rohre 34

      3.2.3 Messtechnik 36

      3.2.4 Prüfung 36

      3.2.5 Software 38

3.3 Experimentelle Parameter 38

      3.3.1 Durchschweißungen 39

      3.3.2 Einschweißungen 40

      3.3.2.1 Weiterführende Untersuchungen 43

      3.3.2.2 Einfluss der mechanischen Randbedingungen 44

3.4 Schweißsimulation 45

      3.4.1 Vernetzung 46

      3.4.2 Randbedingungen 47

      3.4.3 Varianten 48

      3.4.4 Werkstoffmodellierung 48

      3.4.4.1 Festkörperphasenumwandlung 49

      3.4.4.2 Thermo-physikalische Wekstoffparameter 49

      3.4.4.3 Lineare mechanische Werkstoffparameter 50

      3.4.4.4 Nichtlineare mechanische Werkstoffmodellierung 51

3.5 Stark vereinfachtes Berechnungsmodell 56

4 Ergebnisse 57

4.1 Experimentelle Ergebnisse 57

      4.1.1 Durchschweißungen 57

      4.1.2 Einschweißungen 61

      4.1.2.1 Prozessparametereinfluss bei S890QL 61

      4.1.2.2 Prozessparametereinfluss bei S460NH 66

      4.1.2.3 Weiterführende Untersuchungen 69

      4.1.2.4 Einfluss der mechanischen Randbedingungen 70

      4.1.3 Risscharakterisitik 71

4.2 Ergebnisse der numerischen Analyse 72

      4.2.1 Untersuchungen der Schweißungen im IRC-Rahmen 72

      4.2.1.1 Temperaturfeldabgleich 72

      4.2.1.2 Spannungen 72

      4.2.1.3 Dehnungen und Dehnraten 75

      4.2.2 Untersuchungen der Schweißungen an Rohren 77

      4.2.2.1 Temperaturfeld 77

      4.2.2.2 Schmelzbereich 79

      4.2.2.3 Standardfall 83

      4.2.2.4 Modell mit verringerter Lichtbogenleistung 87

      4.2.2.5 Modell mit erhöhter Lichtbogenleistung 89

      4.2.2.6 Modelle mit erhöhter Laserleistung 91

      4.2.2.7 Modell mit erhöhter Werkstofffestigkeit 93

      4.2.2.8 Durchschweißung 94

      4.2.3 Stark vereinfachtes Berechnungsmodell 96

5 Diskussion 99

5.1 Evaluation der Schweißsimulationsmodelle 99

      5.1.1 2D-Ansatz 99

      5.1.2 Temperaturfeldabgleich 99

      5.1.2.1 Berechnungen der IRC-Versuche 99

      5.1.2.2 Berechnungen der Rohrschweißungen 100

      5.1.3 Schmelzmodelle 100

      5.1.3.1 Berechnungen der IRC-Versuche 100

      5.1.3.2 Berechnungen der Rohrschweißungen 101

      5.1.4 Mechanisches Ergebnis 101

      5.1.5 Evaluation verschiedener Heißrisskriteria 102

      5.1.6 Vergleich der Rohrmodelle 106

5.2 Mechanische Einflüsse auf die Erstarrungsrissbildung 107

      5.2.1 Heftereinfluss 107

      5.2.2 Einfluss der Schrumpfbehinderung 108

      5.2.2.1 Allgemein 108

      5.2.2.2 Einfluss der äußeren Einspannung 109

      5.2.2.3 Einfluss der Nahthöhe auf das Spannungsniveau 110

      5.2.2.4 Einfluss des Strahlschweißverfahrens 112

      5.2.2.5 Einfluss von Einschweißungen auf die Nahtwurzel 113

      5.2.2.6 Einfluss einer erhöhten Werkstofffestigkeit 114

      5.2.2.7 Einfluss der Einschweißung auf die Bulgingregion 115

      5.2.2.8 Einfluss der Rohrform 116

      5.2.3 Einfluss äußerer Randbedingungen, ohne Schrumpfbehinderung 117

5.3 Prozessbedingte Einflüsse auf die Erstarrungsrissbildung 118

      5.3.1 Einfluss des Bulgings bei der Erstarrungsrissentstehung 118

      5.3.2 Einfluss der Lichtbogenleistung 119

      5.3.3 Einfluss der Laserleistung 124

      5.3.4 Einfluss der Schweißgeschwindigkeit 125

6 Zusammenfassung 127

Symbolverzeichnis 131

Abbildungsverzeichnis 133

Tabellenverzeichnis 135

Literatur 137

Lebenslauf 147

Eigene Veröffentlichungen 149

中国计量科学院文献馆