Among the multiple advantages of beam welding processes the high longitudinal residual stresses in beam welds ranging till the local yield stress are one disadvantage. These high stresses can influence the service life of the welded components. The residual stresses in other welding processes exist in an equal high level but primarily in the transverse direction to the weld. To mitigate the high residual stresses a couple of methods were developed for these welding processes in the last decades. However these methods need large contact surfaces next to the welds for the installation of matched heating and cooling elements and other additional equipment. Furthermore, the previous developed stress mitigating processes offer a low efficiency for the small beam welds.
The stress reduction by using the welding source after the welding process for a remote heat treatment of the welded components afford a flexible tool for the stress mitigation in beam welds. This method does not need any additional equipment and it is applicable for complex welding and component geometries. During this post welding heat treatment the material next to the weld is heated by the defocused electron or by the defocused laser beam, respectively, to temperatures of some hundreds degree Celsius. Hereby low plastic deformations in these regions are generated. While cooling down due to the thermal shrinkage the material between the weld and the heat treated region is compressed in longitudinal direction to the weld. This intermediate material zone constrained the shrinkage of the weld while cooling down from the melting temperature and leads to the high longitudinal residual stresses in the weld. In consequence of the compression of this intermediate zones by the heat treated zones the resistance to the shrinkage of the weld is lowered and the longitudinal stresses in the weld are reduced.
In the process the quantity of the stress reduction is controlled by the selection of the process parameters. The used beam radius and the travel speed of the heat treatment have a large influence in this method. However, the right selection of the transversal distance of the heat treatment to the weld is important. This distance depends on the used beam radius.
For the qualitative and quantitative analyses of the reduction of the longitudinal weld stresses in this method a great many of finite element simulations were performed. The simulation results help to define the stress reduction mechanism and to analyze the parameters, which influence this method. Experimental investigations on different materials and weld geometries with the electron beam and with the laser beam verify that this method can reduce the longitudinal stresses in the weld. Depending on the used process parameters the stress reduction can lead to compressive stresses in the weld.
Due to a larger stress reduction by performing the heat treatment in a separate process after the weld could cool down to ambient temperature this method is very advantageous for the laser beam application, which does not permit an in situ heat treatment while welding.

I. Zusammenfassung v

II. Abstract vii

III. Danksagung ix

IV. Inhaltsverzeichnis xi

1 Einleitung 1

2 Stand der Forschung 3

2.1 Eigenspannungen - Entstehung und Folgen für Strahlschweißverfahren 3

2.2 Möglichkeiten der Eigenspannungsreduzierung 10

2.3 Möglichkeiten der Strahlschweißsteuerung 18

2.4 Simulation der Schweißeigenspannungen 25

3 Versuchsdurchführung 29

3.1 Versuchswerkstoffe 30

      3.1.1 Ferritischer Baustahl S355J2+N 30

      3.1.2 Austenitischer Stahl X8CrMnNi19-6-3 31

      3.1.3 Feinkornbaustahl S690 32

      3.1.4 Materialien des Anwendungsbeispiels 33

3.2 Prüfkörper 33

3.3 Schweißanlagen und Messgeräte 35

      3.3.1 Versuchsaufbau 39

      3.3.1.1 Elektronenstrahlschweißen 39

      3.3.1.2 Laserstrahlschweißen 40

      3.3.2 Strahlvermessung zur Strahlradiuseinstellung 41

      3.3.2.1 Elektronenstrahl 41

      3.3.2.2 Laserstrahl 42

      3.3.3 Strahlpositionierung 43

      3.3.4 Temperaturmessung 45

      3.3.4.1 Elektronenstrahl 45

      3.3.4.2 Laserstrahl 45

      3.3.5 Eigenspannungsmessung 46

      3.3.6 Bestimmung der Ferrit-/Martensitgehalte 47

      3.3.7 Messung der Verzüge 47

3.4 FEM-Simulation der Schweißversuche 47

      3.4.1 Modellierung und Vernetzung des Werkstücks 48

      3.4.2 Werkstoffmodell 49

      3.4.2.1 S355J2+N 49

      3.4.2.2 X8CrMnNi19-6-3 51

      3.4.3 Berechnung des Temperaturfeldes 52

      3.4.4 Berechnung der Spannungen 53

      3.4.5 Simulationsprogramm 54

4 Ergebnisse 57

4.1 FEM-Simulation 58

      4.1.1 Schweißnahtsimulation 58

      4.1.2 Ergebnisse zum Mechanismus der Spannungsreduktion 61

      4.1.3 Einflüsse der Prozessparameter auf die Spannungsreduktion 64

      4.1.3.1 Erzeugte Temperatur bei der Wärmebehandlung 64

      4.1.3.2 Räumlicher Abstand zwischen Schweiß- und Wärmprozess 67

      4.1.3.3 Einfluss der weiteren Prozessparameter der Wärmebehandlung 69

      4.1.4 Einfluss der Werkstoffeigenschaften auf die Wärmebehandlung 72

      4.1.5 FEM-Untersuchungen zu anderen Wärmbehandlungen 78

4.2 Experimentelle Schweißversuche 79

      4.2.1 Elektronenstrahlversuche 79

      4.2.1.1 Linearnähte an S355J2+N-Prüfkörpern 80

      4.2.1.2 Linearnähte an X8CrMnNi19-6-3-Prüfkörpern 85

      4.2.1.3 Axiale Rundnähte an S355J2+N-Ronden 88

      4.2.1.4 Anwendung der Methode auf Verbindungsschweißungen an I-Stößen 92

      4.2.2 Laserstrahlversuche 94

      4.2.2.1 Linearnähte an S355J2+N-Prüfkörpern mit RLSK-Scanneroptik 94

      4.2.2.2 Linearnähte an S355J2+N-Prüfkörpern mit PFO-Scanneroptik 97

      4.2.2.3 Linearnähte an X8CrMnNi19-6-3-Prüfkörpern mit PFO-Optik 103

      4.2.2.4 Linearnähte an S355J2+N-Prüfkörpern mit Schweißkopf 108

      4.2.2.5 Linearnähte an 10 mm dicken S355-Prüfkörpern 109

      4.2.2.6 Radiale Rundnähte an S690-Rohren mit PFO-Optik 111

      4.2.2.7 Anwendungsbeispiel Getriebewellen 113

5 Diskussion der Ergebnisse 116

5.1 FEM-Simulation 116

      5.1.1 Schweißnahtsimulation 116

      5.1.2 Mechanismus der Spannungsreduktion 122

      5.1.3 Einflüsse der Prozessparameter auf die Spannungsreduktion 129

      5.1.3.1 Erzeugte Temperatur bei der Wärmebehandlung 129

      5.1.3.2 Räumlicher Abstand zwischen Schweiß- und Wärmprozess 133

      5.1.3.3 Einfluss der weiteren Prozessparameter der Wärmebehandlung 136

      5.1.4 Einfluss der Werkstoffeigenschaften auf die Wärmebehandlung 138

      5.1.5 FEM-Untersuchungen zu anderen Wärmbehandlungen 141

5.2 Experimentelle Schweißversuche 142

6 Zusammenfassung 154

7 Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen 158

8 Abbildungsverzeichnis 164

9 Tabellenverzeichnis 178

10 Literatur 181

11 Eigene Veröffentlichungen 191

中国计量科学院文献馆