FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.

FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.

Die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) ist eine gemeinnützige und rechtlich selbstständige Forschungsvereinigung innerhalb des Stahlsektors.

Die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) ist eine gemeinnützige und rechtlich selbstständige Forschungsvereinigung innerhalb des Stahlsektors. Als Gemeinschaftsorganisation vertritt sie die Interessen der Stahlindustrie in der Forschungsarbeit auf dem Gebiet der Anwendungsforschung zusammen mit den Anwendern für den Werkstoff Stahl und seiner unterschiedlichen Produktformen.
Die Forschungsschwerpunkte der FOSTA umfassen ein großes Themenspektrum. Dabei orientiert sich die Forschungsarbeit auch immer an der öffentlichen Diskussion.

Themen wie beispielsweise CO2-Reduzierung und Ressourceneffizienz sind auch für die FOSTA von Bedeutung. Folgende Schwerpunkte prägen das Profil der FOSTA:

  • Werkstoffverhalten
  • Be- und Verarbeitung
  • Verkehrstechnik
  • Bauwesen
  • Umwelttechnik

Im Rahmen des Forschungsmanagements werden Anwendungen und Weiterentwicklungen für den Werkstoff Stahl kontinuierlich vorangebracht. Neben der Bereitstellung der nötigen Finanzmittel für Forschungsvorhaben aus öffentlichen nationalen und europäischen Quellen sowie der Industrie, berät die FOSTA im Bereich der Ideenfindung. Darüber hinaus unterstützt sie bei der Bildung von passenden Konsortien für neue Forschungsprojekte, führt die Projektbearbeitung mit den Forschungsstellen zusammen, führt mit den Industriepartnern im Projekt den begleitenden Ausschuss (PbA) durch und trägt zur Verbreitung der Forschungsergebnisse im Netzwerk von über 7.000 Fachleuten bei.

 

FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Sohnstraße 65
40237 Düsseldorf

Telefon +49 211 6707-856
Fax +49 211 6707-840
www.stahlforschung.de

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Rainer Salomon (Geschäftsführer)
Be- und Verarbeitung, Umformtechniken, Schweißen, Automotive, Transportwesen, Maschinen- und Anlagenbau

Telefon: +49 211 6707-853
Telefax: +49 211 6707-840
rainer.salomon@stahlforschung.de
Dr. Gregor Nüsse M. Sc. (Bauingenieur)
Bauwesen, Anlagenbau, Umwelttechnik, Korrosionsschutz, Nachhaltigkeit, Standardisierung

Telefon: +49 211 6707-839
Telefax: +49 211 6707-840
gregor.nuesse@stahlforschung.de
   
Dipl.-Ing. Franz-Josef Heise
Umformtechniken, kalte Fügetechniken (Kleben, mechanisches Fügen), Anlagen- und Maschinenbau, Kranbau, Transportwesen

Telefon: +49 211 6707-837
Telefax: +49 211 6707-840
franz-josef.heise@stahlforschung.de
Dr.-Ing. Christoph Keul
Werkstofftechnik/Prüftechnik, Werkstoffe, Maschinen- und Anlagenbau, Energietechnik

Telefon: +49 211 6707-424
Telefax: +49 211 6707-840
christoph.keul@stahlforschung.de
   

 

Forschungsstelle Hochschule für angewandte Wissenschaften München Fakultät 02 Bauingenieurwesen Fachgebiet Stahlbau und Baustatik

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.12.2019 - 30.11.2022

Projektnummer P 1413

Förderung durch BMWi/AIF

Formoptimierung von aufgeschweißten Lamellen unter Ermüdungsbeanspruchung / Form Optimization of Welded Steel Plates (lamellae) under Fatigue Loading

Aufgeschweißte Lamellen sind eine Standardausführung für Stahlkonstruktionen. Diese werden dabei branchenübergreifend zur Gewichtsoptimierung und als Verstärkungsmaßnahme im Stahl- und Brückenbau, im Stahlwasserbau, im Kran-, Nutzfahrzeug- sowie im Landmaschinenbau eingesetzt. Diese typischen Anwendungsbereiche von aufgeschweißten Lamellen unterliegen allerdings einer wechselnden Beanspruchung und sind daher gegen Materialermüdung auszulegen.

Das Kerbdetail des Lamellenendes ist aufgrund der hohen Kerbschärfe häufig bemessungsmaßgebend für die Dimensionierung und damit für die Wirtschaftlichkeit der Gesamtkonstruktion mitentscheidend. Die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit ist umso wichtiger, desto höher die Festigkeit des verwendeten Werkstoffs ist, da die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit in den derzeitigen Normen und Richtlinien sich lediglich auf den Kerbfall beschränkt. Die Vorzüge der höheren Festigkeit von modernen, gut verarbeitbaren höher- und hochfesten Stahlsorten können daher nicht ausgenutzt werden. Eine Optimierung des Kerbdetails des Lamellenendes ist daher eine entscheidende Maßnahme, um leichte und ökomische Stahlkonstruktionen zu erhalten.

Im Rahmen des geplanten Forschungsprojekts werden neben numerischen Untersuchungen zur Formoptimierung des Lamellenendes über 120 Ermüdungsversuche und 6 Großversuche zur Übertragbarkeit auf reale Abmessungen durchgeführt.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Bereitstellung von form- und fertigungsoptimierten Lamellenendkonstruktionen und die Entwicklung eines anwenderfreundlichen Nachweiskonzepts, um die Lebensdauer von geschweißten Stahlkonstruktionen zu erhöhen und leichtere, wirtschaftlichere Konstruktionen zu ermöglichen. Für KMU im Stahl- und Brückenbau, bzw. für die Zulieferbetriebe, die im Kran- und Landmaschinenbau tätig sind, wird so eine Möglichkeit gegeben, besonders wirtschaftlich zu fertigen, während Ingenieurbüros frühzeitig Planungssicherheit bei der Auswahl der Werkstoffe erlangen.

 

 

Welded steel plates (lamellae) on beams are and have been standardly executed for steel constructions. They are used intersectionally for the purpose of weight optimization and as enhancement for steel and bridge structures, crane and steel hydraulics constructions, commercial vehicles as well as for agricultural machineries.
In above mentioned application areas, often cyclic loads need to be considered. Therefore, respective constructions and structural details have to be designed against fatigue loading. The end of welded plates is frequently governing the design because of its significant notch sharpness. Thus, this detail is a decisive factor in respect to the economics of the whole structure.
The higher the material strength, the more important it is to improve the fatigue strength of the whole structure. This is due to the fact that the evaluation of fatigue strength according to relevant standards and guidelines is related to structural details and stress ranges of welded structures but not to material characteristics. The advantages of modern, easily workable, high/higher-strength steel materials are not taken into account yet and consequently respective benefits currently can not be used for steel structures subjected to fatigue. Optimizing the end of welded plates (lamellae) in respect to fatigue therefore is a crucial measure to realize lightweight and economical steel structures.
The project includes numerical investigations for optimizing the form of the structural detail. In addition, 120 small-scale static and fatigue tests with standard specimen and 6 large-scale fatigue tests are carried. The latter are undertaken to ensure the transferability to real dimensions in practice.
The objective of this research project is, to provide optimized structural details for welded steel plates (lamellae) in terms of form and fabrication. A user-friendly design concept will be developed to increase the lifetime and economics of welded lightweigh steel structures.

Forschungsstelle KoRoH GmbH – CCTH Kompetenzzentrum für Rohre und Hohlprofile

Ansprechpartner Heise

Laufzeit 01.12.2019 - 31.05.2022

Projektnummer P 1442

Förderung durch Stiftung

Erhöhung der Ermüdungsfestigkeiten von Hohlprofilanschlüssen aus hochfesten Stählen durch formoptimierte Knotenbleche / Increase of fatigue strength of hollow section joints made of high strength steels by shape-optimized gusset plates

Sowohl Kreishohlprofile (KHP) als auch Rechteckhohlprofile (RHP) finden breiten Einsatz in unterschiedlichsten, meist ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen und Tragwerken. Negativ auf die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Hohlprofilknoten wirken sich sekundäre Biegemomente und das Schweißen in hochbeanspruchten Bereichen aus, insbesondere in den Eckbereichen der RHP. Bei Hohlprofilanschlüssen mit formoptimierten Knotenblechen werden die sekundären Biegemomente reduziert und das Schweißen in hochbeanspruchten Bereichen wird vermieden. Die versagensmaßgebenden Stellen, sog. Hot-Spots, werden in weniger relevante Bereiche verlagert und die auftretenden Spannungsgradienten erheblich reduziert. Eine an den Spannungsverlauf angepasste Konturierung der Knotenbleche ermöglicht eine Reduzierung des Gewichts und kann darüber hinaus als Montagehilfe dienen (schnelle Montage, genaue Positionierung). Das optimierte Knotendesign soll sowohl unter fertigungstechnischen als auch unter bemessungsrelevanten Gesichtspunkten untersucht werden. Dafür werden verschiedene Fertigungstechniken, wie z.B. Laserschneiden, und Stähle mit einer Streckgrenze bis zu 700 MPa berücksichtigt. Die methodische Vorgehensweise erfolgt unter Kombination experimenteller und numerischer Untersuchungen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Bereitstellung von Empfehlungen für die Ausführung und Bemessung von form- und fertigungsoptimierten Hohlprofilknoten mit Knotenblechen und die Entwicklung eines anwenderfreundlichen Nachweiskonzepts für die Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit dieser Anschlüsse. Damit werden leistungsfähige und wirtschaftliche Konstruktionen ermöglicht, wovon viele Branchen profitieren werden, z.B. der Kran-, Brücken-, Landmaschinen- und Nutzfahrzeugbau. In diesen Branchen sind sehr viele KMU als Hersteller und Zulieferer tätig, die oft nicht in der Lage sind, aufwändige Versuche und/oder umfangreiche Studien durchzuführen. Diese werden von den Ergebnissen direkt profitieren können.

 

Circular hollow sections (CHS) as well as rectangular hollow sections (RHS) are widely used in a variety of constructions and structures. Decisive for the design are usually the joints. On one hand secondary bending moments, on the other welding in high-stress areas, such as RHP nodes in the corners, has a negative effect on the fatigue strength of welded hollow sections joints. In hollow section joints with shape-optimized gusset plates, the secondary bending moments are reduced and welding in highly stressed areas is avoided. This shifts the highly stressed areas, the so-called hot spots, into less relevant areas and significantly reduces the stress gradients that occur. A contouring of the gusset plates, which is adapted to the stress distribution, also allows a reduction of weight and can also serve as an assembly aid. In the proposed research project, the innovative joint design is to be examined both from a manufacturing and from a design-relevant point of view. For this purpose, various production techniques, as well as steels with a yield strength of up to 700 MPa, supplemented by individual tests on steels with yield strengths of 355 MPa are considered. This is done by combining experimental and numerical investigations. The aim of the research project is to provide recommendations for the design and dimensioning of form and production-optimized hollow section joints with inserted gusset plates, and to develop a user-friendly design concept for the determination of the fatigue strength of such connections. This will allow for more efficient and cost-effective designs, which will benefit many industries, e.g. crane, bridge, agricultural machinery and commercial vehicle construction. Especially SMEs, which are often unable to carry out elaborate experiments and / or extensive studies, will be able to benefit directly from the project results.

 

Forschungsstelle Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Chemnitz

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.12.2019 - 30.11.2021

Projektnummer P 1379

Förderung durch BMWi/AIF

Ermittlung von Grenzformänderungskurven bei erhöhten Temperaturen (ehemals VP 1230) / Determination of forming limit curves at elevated temperatures

Für den Werkstoffleichtbau spielen höchstfeste Bor-Mangan-Stähle und die zugehörige Presshärtetechnologie eine wichtige Rolle im Fahrzeugbau und in der blechverarbeitenden Industrie. Derzeit werden in Fahrzeugen ca. dreißig pressärtete Bauteile (bspw. A- und B-Säulenverstärkungen, Stoßfänger, Schweller, Dach- und Querträger) verbaut, was einem jährlichen Bedarf von ca. 600 Mio. Bauteilen weltweit entspricht. Anwender der Presshärtetechnologie stehen vor der Herausforderung, diese Prozesse unter Berücksichtigung aller relevanten, prozessspezifischen Einflussfaktoren mittels simulationsbasierter Methoden robust auszulegen. Dafür sind geeignete Materialmodelle erforderlich, die auch das Werkstoffversagen (üblich über Formänderungskurven) unter erhöhten Temperaturen abbilden. Momentan liegen keine gesicherten Messergebnisse für diese Formänderungskurven vor, die eine temperatur- und dehnratenabhängige Versagensprognose erlauben.
Zielstellung des Vorhabens ist die reproduzierbare messtechnische Ermittlung des Grenzformänderungsverhaltens von Stählen bei erhöhten Temperaturen bis 900 °C.
Das Kernstück bildet die Konzipierung und Umsetzung einer geeigneten Versuchseinrichtung, die die Aufnahme der Grenzformänderungskurven bei Temperaturen bis 900 °C unter reibungsfreien Bedingungen erlaubt. Dies beinhaltet die Gewährleistung einer homogenen Temperaturverteilung im Messbereich und eine zuverlässige Online-Messung der Formänderungen und Temperatur während der gesamten Prüfdauer. Essenziell ist die Entwicklung geeigneter Probengeometrien die mittels numerischer Simulationen erfolgt. Anhand umfangreicher experimenteller Untersuchungen wird der Machbarkeitsnachweis für die neue Vorgehensweise erbracht. Dies beinhaltet auch die Validierung der Ergebnisse durch den Vergleich mit der konventionellen Grenzformänderungsermittlung. Abschließend erfolgt der Eignungsnachweis durch Gegenüberstellung der Ergebnisse aus Simulation und Experiment für Demonstratorbauteile.

 

High-strength boron-manganese steels and the associated press hardening technology play an important role in the lightweight design of vehicle construction and in sheet metal processing industries. Currently, about thirty press-hardened components (eg A and B pillar reinforcements, bumpers, sills, roof and cross members) are installed in vehicles, which corresponds to an annual requirement of around 600 million components worldwide. Users of press hardening technology are faced with the challenge of designing these processes robustly by simulation-based methods. Therefore suitable material models are required which also predict the material failure (usually via forming limit diagrams) under elevated temperatures. Nowadays there are no reliable measurement results for these forming limit diagrams, which allow a temperature and strain rate dependent failure prediction.
The aim of the project is the development of a method for contact-free, reliable and robust determination of the forming limit diagrams for steel materials at elevated temperatures up to 900°C.
Main aim of the project is the design and implementation of a suitable test facility that allows the determination of forming limit diagrams at temperatures up to 900 ° C under frictionless conditions. This includes a homogeneous temperature distribution in the measuring area and a reliable online measurement of the deformation and temperature during the entire test period. Essential is the development of suitable test specimen geometries by means of numerical simulations. On the basis of extensive experimental investigations the feasibility proof for the new procedure is provided. This also includes the validation of the results by comparison with the conventional forming limit diagram detection with a tempered tool geometry. Finally, the proof of suitability is carried out by comparing the results from simulation and experiment for demonstrator components.

Forschungsstelle RWTH Aachen Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.11.2019 - 30.04.2022

Projektnummer P 1415

Förderung durch BMWi/AIF

Tragfähigkeitsanalyse geschweißter Stahlbauteile mit Hilfe der Schädigungsmechanik / Load capacity analysis of welded steel components with the aid of damage mechanics

Die in den aktuellen Regelwerken des Stahlbaus verankerten Festigkeitskriterien für geschweißte Stahlbauteile basieren auf einfachen Ingenieurmodellen, bei denen die Grenzlastvorhersage näherungsweise mit der Zugfestigkeit des Materials verknüpft wird. Gleichwohl die Parameter dieser Tragfähigkeitsfunktion an Versuchen kalibriert wurden, weisen sie nur begrenzte Vorhersagegenauigkeiten auf, da das tatsächliche Versagensverhalten durch die zugrundeliegende Modellvorstellung nicht erfasst wird. Die derzeit vorhandenen Streuungen entstammen größtenteils dieser Nichtberücksichtigung des tatsächlichen Bruchmechanismus und der vorausgehenden Schädigungsgeschichte, die maßgebend von den tatsächlichen Zähigkeitseigenschaften des Werkstoffs abhängen. Im geplanten Forschungsvorhaben sollen deswegen neue Festigkeitskriterien für geschweißte Stahlbauteile entwickelt werden. Bislang kommen hochfeste Stähle grundlos kaum zum Einsatz, da die Bemessungsnorm aufgrund mangelnder Kenntnis der Versagensmechanismen zu restriktive Anforderungen stellen. Der methodische Ansatz beruht auf der mikromechanischen Erfassung des wahren Bruchverhaltens durch Implementierung eines geeigneten Rissinitiierungskriteriums zur Versagensdetektion. Für geschweißte Bauteile erfordert das schädigungsmechanische Konzept die Berücksichtigung unterschiedlicher Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften von Grundmaterial, Schweißnaht und Wärmeeinflusszone. Hiermit können neue, verbesserte Festigkeitskriterien abgeleitet werden, was ökonomische und ökologische Vorteile bietet.

 

The strength criteria for welded steel components established in the current rules and regulations for steel constructions are based on simple engineering models in which the limit load prediction is approximately linked to the tensile strength of the material. Although the parameters of this loading capacity function have been calibrated in tests, they have only limited prediction accuracy, since the actual failure behaviour is not captured by the underlying concept. The currently existing scatters originate largely from this disregard of the actual fracture mechanism and the preceding damage history, which depend decisively on the actual toughness properties of the material. New strength criteria for welded steel components are therefore to be developed in the planned research project. So far, high-strength steels have not been used for steel components, since the design standard places too restrictive requirements due to a lack of knowledge of the failure mechanisms. The methodical approach is based on the micromechanical recording of the true fracture behaviour by implementing a suitable crack initiation criterion for failure detection. For welded components, the damage-mechanical concept requires the consideration of different strength and toughness properties of the base material, weld seam and heat-affected zone. This allows new, improved strength criteria to be derived, which offers economic and ecological advantages.

Forschungsstelle Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Department Maschinenbau Lehrstuhl für Fertigungstechnologie

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.11.2019 - 31.10.2021

Projektnummer P 1291

Förderung durch BMWi/AIF

Werkstückseitige Beeinflussung der tribologischen Bedingungen beim Presshärten / Workpiece-side impact on and modelling of tribological conditions within hot stamping

Die Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens besteht darin, die Wirkzusammenhänge zwischen den Halbzeugeigenschaften und dem resultierenden tribologischen Einsatzverhalten mithilfe von Streifenziehversuchen unter Presshärtebedingungen zu erforschen. Mithilfe dieser Erkenntnisse wird das Prozessverständnis für den Presshärteprozess verbessert. Aufbauend darauf werden Maßnahmen abgeleitet, mit denen die resultierende Bauteilqualität erhöht sowie die Genauigkeit der numerischen Prozessauslegung verbessert werden. Die Halbzeugeigenschaften werden für den etablierten Werkstückwerkstoff 22MnB5 mit AlSi-Beschichtung und den neu entwickelten Werkstückwerkstoff 20MnB8 mit Zn-Beschichtung analysiert.
Zu Beginn des Projektes wird der Einfluss der Austenitisierungsparameter Haltezeit, Aufheizgeschwindigkeit und Ofentemperatur auf die resultierenden Halbzeugeigenschaften bestimmt. Das Reibverhalten der ausgewählten Halbzeuge wird in Flachbahnstreifenziehversuchen für unterschiedliche Prozessparameter untersucht. Auf Basis der quantifizierten Reibzahlen werden funktionale Zusammenhänge zwischen den Halbzeugeigenschaften und dem Reibverhalten ermittelt. Im Anschluss an die Versuchsdurchführung erfolgen qualitative und quantitative Charakterisierungen der Werkstück- und der Werkzeugtopografie sowie metallographische Untersuchungen der Versuchsproben, um Ursache-Wirkzusammenhänge abzuleiten. Die analysierten Zusammenhänge werden basierend auf Exponential- und Logarithmusfunktionen beschrieben und in ein vorhandenes Reibmodell, das die Reibung in Abhängigkeit der Prozessparameter beim Presshärten abbildet, integriert. Die erweiterte Reibungsmodellierung wird an einer seriennahen Geometrie anhand der Kriterien Blechausdünnung und Kraft-Weg-Verlauf validiert.

 

The aim of this project is to investigate the relations between the characteristics of the workpiece and the resulting tribological behavior based on strip drawing experiments under hot stamping conditions. With these findings the understanding of the hot stamping process will be significantly improved. Thereby, measures for improving the quality of hot stamped components and the robustness of the numerical process design will be developed. The characteristics of the workpiece will be analyzed for the well-established boron manganese steel 22MnB5 with AlSi coating and the newly developed steel grade 20MnB8 with Zn coating.
At the beginning of this project, the influence of the austenitization parameters holding time over Ac3, heating rate and furnace temperature on the resulting characteristics of the workpiece will be determined. The frictional behavior of the workpiece will be analyzed with flat strip drawing tests for varied process parameters. Based on the quantified friction coefficients functional relations between the workpiece characteristics and the frictional behavior will be developed. In a second step, qualitative and quantitative measurements of the workpiece and tool topography will be carried out for analyzing the cause-effect relations. These relations will be described by exponential and logarithm functions and integrated into an existing friction model that calculates the friction coefficient in dependency of the process parameters within hot stamping. The enhanced friction model will be validated with a serial component geometry based on the criteria thinning and force-displacement curve.

 

Forschungsstelle TU Paderborn, Prozesst./ Werkstoff-u. Fügetechnik

Ansprechpartner Heise

Laufzeit 01.11.2019 - 30.04.2022

Projektnummer P 1399

Förderung durch BMWi/AIF

Entwicklung einer Methode zur Bewertung einer stahlintensiven Mischbau-Klebverbindung eines Batteriegehäuses gegenüber mechanischer und medialer Belastung unter Berücksichtigung der Interphas / Developement of a methodology for evaluating the bonded joint of a steel intense multimaterial battery tray at mechanical and medial load in consideration of the interphase structure

Eine der Hauptanforderungen an die Klebverbindung der Batteriegehäusestrukturen sind die Sicherstellung der Dichtheit und Korrosionsbeständigkeit im Nassbereich des Fahrzeugs. Diese Anforderungen lassen sich auf weitere, stark KMU geprägte, Branchen wie beispielsweise dem Anlagen- und Behälterbau übertragen. Hier besteht am Markt eine große Unsicherheit, wie eine verlässliche Auslegungsmethode, basierend auf experimentellen Prüfungen einer entsprechenden Stahl-Klebverbindung, sowie deren Nachweisführung und Qualitätssicherung aussehen kann. Deshalb wollen die Forschungseinrichtungen eine anwendungsorientierte und grundlegend wissenschaftlich abgesicherte Methode erarbeiten, um das Langzeitverhalten der Stahl-Klebverbindung unter den gegebenen Anforderungen vorauszusagen. Dazu werden zunächst relevante Werkstoff-Klebstoff-Medium-Kombinationen ausgewählt, bevor betriebsrelevante Belastungen in Bezug auf Dichtheitsanforderungen, die Medienbeständigkeit und mechanische Belastungsarten bestimmt werden. Anschließend wird anhand von Klebstoffsubstanzproben die Langzeitbeständigkeit des Klebstoffsystems gegenüber den definierten Medien ermittelt. Darauffolgend wird der Einfluss der Belastung auf stahl-intensive Mischverbindungen identifiziert, sowie ein Versuchsstand entwickelt, welcher eine Dichtheitsprüfung unter überlagerter medialer und mechanischer Belastung ermöglicht. Die Ergebnisse der Dichtigkeitsprüfung werden mit der Struktur der Klebstoff/Metall-Interphase sowie ihrem belastungsabhängigen Degradationsverhalten korreliert. Aus den gewonnen Erkenntnissen soll neben einem Modell zum Schädigungsmechanismus eine Versuchsmethodik zur Bestimmung der Beständigkeit entwickelt werden. Zur Validierung der Methode wird eine bauteilähnliche Probengeometrie entwickelt, anhand welcher die Übertragbarkeit der Prüfmethode auf komplexere Bauteile verifiziert werden soll, bevor eine Richtlinie zur Bestimmung des Langzeitverhaltens unter überlagerter Belastung formuliert wird.

One of the key requirements to the bonded joint of a battery tray is to guarantee the leakproofness and corrosion resistance in the wet area of the vehicle. These requirements can be transfered in other strongly SME marked industries as the plant and tank construction. There is great uncertainty in the market, on how a safe desgin method based on experimental tests of a corresponding steel composite, the verification management and the quality assurance can look like. Therefore the research organisations want to develop an application-oriented and fundamental scientiffically based method, to predict the long-term behaviour of the bonded steel composite under the given requirements. To that, we choose relevant material-adhesive-medium-combinations, before relevant loads in relation to leakproofness requirements, media resistance and mechanical stress are defined. Afterwards, we determine the long-term resistance of the adhesive system against the defined media on the base of adhesive substance samples. Following, we indentify the influence of the load to the steel-intense composite and develop a test station, which enables to do leak tests unter superimposed medial and mechanical load. The results will be correlated with the structure of the adhesive/metall-interphase and the load-dependent degradation. In addition to a model to the damage mechanism, we develop test methods to determine the resistance. To validate the test method, we develop component-like samples. With this, we veryify the transferability of the test method on complex parts. In the end, we formulate a guideline to determine the long-term behaviour unter overlapping loads.

Forschungsstelle Universität Siegen Department Bauingenieurwesen Lehrstuhl für Stahlbau

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.11.2019 - 31.10.2021

Projektnummer P 1403

Förderung durch BMWi/AIF

Detektion von Vorspannkraftverlusten in Schrauben auf Basis elektromechanischer Impedanzspektren / Detection of preload losses in bolting assemblies based on electromechanical impedance spectra

Die Betriebssicherheit planmäßig vorgespannter HV-Verbindungen wird maßgeblich von der Höhe der Vorspannkraft beeinflusst; jedoch gelingt das Erzeugen und Erhalten der erforderlichen Vorspannkraft nicht immer hinreichend. Das wissenschaftliche Forschungsziel ist daher die Entwicklung und Qualifizierung eines statistisch abgesicherten Verfahrens zur dauerhaften Vorspannkraftüberwachung an Schrauben auf Grundlage elektromechanischer Impedanzspektren (EMI) sowie Guided Wave-Messungen (GW). Die EMI-Methode beruht auf der Messung der mechanischen Impedanz der Schraube, welche den Widerstand beschreibt, den diese den einwirkenden Kräften entgegensetzt, und welche stark über die Frequenz variiert. Ein auf dem Schraubenkopf appliziertes Piezo-Element regt die Schraube im hochfrequenten kHz-Bereich in einem breiten Frequenzband an und misst gleichzeitig die Antwort der Struktur. Die Auswertung dieser Messungen im Frequenzbereich weist eine signifikante Änderung der charakteristischen lokalen Peaks bei abnehmender Schraubenkraft auf. Die Piezo-Elemente werden auch beim GW-Verfahren verwendet, welches auf einer Messung des Ultraschall-Laufzeitverhaltens beruht.
Im Rahmen des Projektes werden HV-Schraubensätze M16 und M20 unter verschiedenen Vorspanngraden bei unterschiedlichen Temperaturen (20°C-70°C) untersucht. Die Versuche werden (nach Temperaturkompensation) statistisch ausgewertet um so Vorspannkraft-Verlustindikatoren zu ermitteln. Um eine Übertragbarkeit auf größere Abmessungen zu ermöglichen werden ergänzend Versuche an Schrauben M72 durchgeführt. Zur Erweiterung der Versuchsmatrix werden FE-Untersuchungen durchgeführt. Auch wird ein Verfahren angewandt, welches Schäden am Sensor selbst sicher erkennt. Abschließend wird ein Leitfaden erstellt, welcher die Grundlagen der Schraubenkraftmessung auf EMI / GW-Basis vorstellt sowie die Durchführung und Auswertung der Messungen unter Berücksichtigung des Temperatureinflusses bei gleichzeitiger Sensorüberwachung erläutert.

 

The level of preload force significantly influences the operational reliability of preloaded bolted HV connections; however, the generation and maintenance of the required preloading force is not always sufficient. The scientific research goal is therefore the development and qualification of a statistically validated method for permanent preload monitoring on bolts based on electromechanical impedance spectra (EMI) and guided wave measurements (GW). The EMI-method is based on measuring the mechanical impedance of the bolt, which describes it's resistance to the acting forces and which varies significantly over the frequency. A piezo element applied to the bolt head excites the bolt in the high-frequency kHz-range in a wide frequency band and simultaneously measures the response of the structure. The evaluation of these measurements in the frequency domain shows a significant change of the characteristic local peaks with decreasing bolt force. The piezo elements are also used for the GW-method, which is based on a time of flight measurement.
Within the scope of the project, structural bolting assemblies of the system HV (M16 and M20) are tested under different degrees of preloading at different temperatures (20°C-70°C). The tests are statistically evaluated (after temperature compensation) to determine preload loss indicators. In order to enable transferability to larger dimensions, additional tests are carried out on M72 bolts. FE investigations are carried out to extend the test matrix. A method is also used that reliably detects damage to the sensor itself. Finally, a guideline is prepared which presents the basics of bolt force measurement on EMI / GW basis and explains the execution and evaluation of the measurements taking into account the influence of temperature while simultaneously monitoring the sensors.

Forschungsstelle Technische Universität Braunschweig Institut für Füge- und Schweißtechnik

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.11.2019 - 31.10.2021

Projektnummer P 1423

Förderung durch BMWi/AIF

Qualifizierung numerischer Simulationen für die Charakterisierung und Bewertung des Randschichtzustandes freier thermischer Schnittflächen (QuaSiTherm) / Qualification of numerical simulations for characterization and evaluation of the surface layer state of free thermal cut edges

Bei der Auslegung von Stahltragwerken nach DIN EN 1090 ist die Messung der Härte Bestandteil der normgerechten Bauteilprüfung. Dabei wird bei der Erzeugung von thermischen Schnittflächen an höherund hochfesten Stählen ein oberer Härtegrenzwert vorgeschrieben, der bei ermüdungsbeanspruchten und kaltrissempfindlichen freien Schnittflächen einzuhalten ist. Die allgemeine Verfahrensprüfung für die Hersteller den Härtewert zu überprüfen ist jedoch bei der Vorbereitung der Schnittflächen sehr unpräzise. Durch die großen messtechnischen Herausforderungen resultiert der Wunsch nach neuen Methoden, um die Qualitätsmerkmale der Randschicht an thermischen Schnittflächen nach der DIN EN 1090 zu bestimmen und nachzuweisen. Das vorrangige Ziel des Vorhabens ist mithilfe der numerischen Simulation Modelle sowie Ersatzwärmequellen zu definieren, um den Schneidprozess abzubilden und die charakteristischen Kenngrößen des Randschichtzustandes, d.h. Härte und Eigenspannungen, zu berechnen. Dazu erfolgt eine systematische Bestimmung des Randschichtzustands, dessen Kennwerte im Anschluss mit den Ergebnissen der numerischen Simulation verglichen werden. Über Schwingfestigkeitsversuche werden unter Berücksichtigung verschiedener Schnittkantenzustände sowie Nachbehandlungsverfahren und unter Einbeziehung unterschiedlicher Materialien die jeweiligen Zusammenhänge erarbeitet. Dabei soll explizit der Einfluss einzelner Merkmale separat voneinander untersucht werden. Die Empfehlungen bezüglich der numerischen Simulation des Schneidprozesses sind direkt überall dort anwendbar, wo bereits Schweißstruktursimulationen durchgeführt werden. Durch die angestrebten Empfehlungen zur angemessenen Berücksichtigung des Randschichtzustands von thermischen Schnittflächen bei der Festigkeitsbewertung von Bauteilen wird gerade für KMU eine Entscheidungsgrundlage geschaffen, anhand derer die konstruktive Auslegung wirtschaftlicher gestaltet werden kann.

 

Designing steel structures according to DIN EN 1090, measuring the hardness is part of the standardized component testing. Therefore, a upper hardness limit exists for thermal cut edges of high strength steels, which must be respected. The general instruction for the manufactures to verify the hardness value is very imprecisely. Especially for the preparation. Due to the large measurement effort, new methods are sought to determine and prove the quality characteristics of the surface layer of thermal cut edges according to DIN EN 1090. The primary goal of the project is to define models and heat sources using numerical methods to simulate the cutting process and to calculate the characteristic parameters of the boundary layer, i.e. hardness and residual stresses. Therefore, a systematic determination of the boundary layer will be done to compare the characteristic values with the results of the numerical simulation. Fatigue strength tests will be carried out to define the correlation between the surface characteristics and the fatigue strength. The influence of individual characteristics will be investigated separately. The recommendations regarding the numerical simulation of the cutting process are directly applicable. Also recommendation supposed to be developed for the consideration of thermal cut edges in the strength evaluation of components. it provides a basis for an economic structural design, especially for small and mid-sized companies.

Forschungsstelle Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, Berlin

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.10.2019 - 31.03.2022

Projektnummer P 1336

Förderung durch BMWi/AIF

Einfluss von Oberflächenbeschichtungen auf die flüssigmetallinduzierte Rissbildung beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stahlfeinblechen (ehemals VP 1276) / Influence of surface coatings on liquid metal embrittlement during resistance spot welding of advanced high strength steel sheets

Der Einsatz von anti-korrosionsbeschichteten, hochfesten Stahlwerkstoffen im Fahrzeug- sowie Maschinenbau stieg in den vergangenen Jahren kontinuierlich an. Auch zukünftig werden konstante Zuwachsraten prognostiziert.
Vor allem in Kombination mit verschiedenen Oberflächenbeschichtungen auf Zinkbasis lässt sich bei einigen dieser Werkstoffe eine verstärkte Rissbildung beobachten, welche in der Regel als flüssigmetallinduziert charakterisiert werden kann.
Eine qualitativ hochwertige, rissfreie Punktschweißverbindung liegt im Interesse der gesamten metallverarbeitenden Industrie; vor allem jedoch in Bereichen hochbeanspruchter bzw. sicherheitsrelevanter Bauteile und Konstruktionen, wie zum Beispiel Automobilkarosserien, wird hierauf besonderen Wert gelegt.
Deshalb soll ein Anlauf genommen werden, um die umfangreichen, zum heutigen Tage vorliegenden Beschichtungsarten auf ihren Einfluss auf diese Form der Rissbildung hin zu analysieren. Abgeleitete Handlungsempfehlungen werden über Normungsgremien in Regelwerke eingearbeitet, und kommen so dem Endanwender zugute – die Verarbeitungssicherheit wie auch die rechtliche Sicherheit erhöht sich.
Knapp 3000 kleine und mittelständische Unternehmen sind in der Automobilzulieferindustrie angesiedelt, weitere im Wirtschaftszweig Metallerzeugung und -bearbeitung.
In Hinblick auf die große Gruppe der Nutznießer erscheint eine Umsetzung in einem über die FOSTA von der AiF geförderten Forschungsprojektes sinnvoll. Aus der öffentlichen Zugänglichkeit der Ergebnisse ergeben sich im Vergleich zu einer unternehmensinternen Umsetzung Synergieeffekte. Ohnehin sind die Forschungskosten für ein solches Projekt für KMU i.d.R. nicht, bzw. nur schwer finanzierbar.
Die Forschungsstelle besitzt sowohl das Know-How, als auch die benötigte Anlagentechnik. Die aufgestellte Arbeitshypothese, der Versuchsplan, und die anschließende statistische Auswertung sind robust und zielführend.
Für den Transfer in die Wirtschaft sind keine Investitionen nötig.

 

The debonding of bonded steel joints in automotive structural applications remains a major challenge. Small and medium-sized companies that specialize in bodywork repair can often only carry out de-joining operations efficiently and in a manner that is gentle on materials by increasing the amount of work involved. The high strength and toughness of both the steel materials and the adhesives make it difficult to carry out economic and gentle removal in the case of body repairs. The removal of adhesive joints at low temperatures below the usual application limit of established adhesives of -40 °C is being investigated in this project. The embrittlement of the adhesives leads to a reduction of the necessary removal force. Within the framework of the project, a demonstrator tool for debonding at low temperatures will be developed based on real joint geometries. This should serve as proof of the applicability of the method of low-temperature de-joining in workshop applications. Workshop operators, which are mostly run as SME, are thus enabled to apply the scientifically established findings in practice. In order to analyse the necessary removal parameters, the failure behaviour of the bonded joint is investigated and analysed in detail as a function of the influencing variables temperature, type and speed of loading as well as the component material used. The physical processes in the adhesive and material must be systematically examined using proven methods (microscopy, scanning electron microscopy, computer tomography). In addition, a simple test for the analysis of adhesives is to be developed, which will make it possible to characterize new adhesive systems in relation to the selected removal mode.

Forschungsstelle TU Paderborn, Prozesst./ Werkstoff-u.Fügetechnik

Ansprechpartner Heise

Laufzeit 01.10.2019 - 30.09.2021

Projektnummer P 1396

Förderung durch BMWi/AIF

Analyse des Versagensverhaltens geklebter Stahl-Verbindungen beim werkstoffschonenden Entfügen in der Karosserieinstandsetzung (ehemals VP 1375) / Failure behavior of bonded steel joints when debonding for automobile body repair

Das Entfügen von geklebten Stahlverbindungen in automobilen Stukturanwendungen stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Kleine und mittelständische Unternehmen, die sich auf die Karosserieinstandsetzung spezialisiert haben, können häufig nur durch erhöhten Arbeitsaufwand Entfügeoperationen effizient und werkstoffschonend durchführen. Die hohen Festigkeiten und Zähigkeiten sowohl der Stahlwerkstoffe, als auch der Klebstoffe, erschweren ein ökonomisches und schonendes Entfügen im Falle einer Karosserieinstandsetzung. Das Entfügen von Klebverbindungen bei tiefen Temperaturen unterhalb der gängigen Einsatzgrenze etablierter Klebstoffe von -40 °C wird in diesem Projekt untersucht. Die Versprödung der Klebstoffe führt zu einer Reduktion der notwendigen Entfügekraft. Im Rahmen des Projektes wird ausgehend von realen Verbindungsgeometrien ein Demonstratorwerkzeug zum Entfügen bei tiefen Temperaturen entwickelt. Dieses soll als Nachweis der Anwendbarkeit der Methode des Tieftemperaturentfügens in der Werkstattanwendung dienen. Werkstattbetriebe, die meist als KMU geführt werden, werden somit in die Lage versetzt, die wissenschaftlich ergründeten Erkenntnisse in der Praxis anwenden zu können. Zur Analyse der notwendigen Entfügeparameter wird das Versagensverhalten der Klebverbindung in Abhängigkeit der Einflussgrößen Temperatur, Belastungsart und -geschwindigkeit sowie des verwendeten Fügeteilwerkstoffes untersucht und detailliert analysiert. Die physikalischen Vorgänge im Klebstoff und Werkstoff sind dazu systematisch anhand erprobter Methoden (Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Computertomographie) zu untersuchen. Zudem soll ein einfacher Test zur Analyse von Klebstoffen entwickelt werden, der es ermöglicht, neue Klebstoffsysteme in Bezug auf den auszuwählenden Entfügemodus zu charakterisieren.

 

The debonding of bonded steel joints in automotive structural applications remains a major challenge. Small and medium-sized companies that specialize in bodywork repair can often only carry out de-joining operations efficiently and in a manner that is gentle on materials by increasing the amount of work involved. The high strength and toughness of both the steel materials and the adhesives make it difficult to carry out economic and gentle removal in the case of body repairs. The removal of adhesive joints at low temperatures below the usual application limit of established adhesives of -40 °C is being investigated in this project. The embrittlement of the adhesives leads to a reduction of the necessary removal force. Within the framework of the project, a demonstrator tool for debonding at low temperatures will be developed based on real joint geometries. This should serve as proof of the applicability of the method of low-temperature de-joining in workshop applications. Workshop operators, which are mostly run as SME, are thus enabled to apply the scientifically established findings in practice. In order to analyse the necessary removal parameters, the failure behaviour of the bonded joint is investigated and analysed in detail as a function of the influencing variables temperature, type and speed of loading as well as the component material used. The physical processes in the adhesive and material must be systematically examined using proven methods (microscopy, scanning electron microscopy, computer tomography). In addition, a simple test for the analysis of adhesives is to be developed, which will make it possible to characterize new adhesive systems in relation to the selected removal mode.

Forschungsstelle Technische Universität Berlin Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.10.2019 - 31.03.2022

Projektnummer P 1438

Förderung durch BMWi/AIF

Entwicklung und Erprobung eines Modellrahmens zur prädiktiven Aufklärung von erosivem Verschleiß in pneumatischen Förderungen … (ehemals VP 1321)… WVL bei AiF / Development and testing of a model frame for the predictive elucidation of erosive wear in pneumatic conveyors

Erosion ist ein Phänomen, das insbesondere in pneumatischen/hydraulischen Förderungen ein schwerwiegendes Problem darstellt, da in diesen hohe Geschwindig-keiten der Schüttgutmaterialien vorliegen. Gerade bei der Umlenkung von Partikeln erfahren diese intensive Kontakte mit den Wänden, was häufig zum Verschleiß führt. Maßnahmen zur Verschleißreduzierung erfolgen bisher meistens empirisch. Kopplungen der Diskreten Elemente Methode (DEM) mit Verfahren zur numerischen Strömungssimulation (CFD) erlauben es Förderzustände in pneumatischen Förderungen insbesondere bei hoher Partikelbeladung zu beschreiben und im Detail zu verstehen. Auch das Verhalten von Partikeln in Krümmern, die hier dichte Strähnen ausbilden, kann damit für beliebige Partikelformen untersucht werden. CFD-DEM Simulationen können prinzipiell mit entsprechenden Modellen zum erosiven Verschleiß gekoppelt werden, die duktiles/sprödes Materialverhalten abbilden. Bisher ist dieser Schritt noch nicht auf der Skala der Prozessebene erfolgt; auch die numerischen Verfahren und Teilmodelle sind bisher unzureichend numerisch abgesichert; erst dies ermöglicht es jedoch, Verschleiß beim pneumatischen Transport in Zukunft zuverlässig vorhersagen zu können. Ziel des Vorhabens ist die Schaffung eines umfassenden Lö-sungsansatzes für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die für ihre jeweilige Problemstellung im Bereich erosiver Strömungen und Prozesse nach gezielten Lösungen suchen. Der hier verfolgte Lösungsansatz setzt sich aus drei Komponenten zusammen: (I) Der experimentellen Bestimmung der relevanten Messgrößen zur Kalibrierung der Modellparameter, (II) der numerischen Simulation zur Optimierung von Geometrie und Prozessführung, und (III) der Zusammenführung in einen mehrskaligen Modellrahmen, wobei am Ende dieses Forschungsvorhabens zusätzlich ein einfaches numerisches Modell stehen soll, mit dem die KMUs grundsätzlich in die Lage versetzt werden Verschleißprozesse prädiktiv abschätzen zu können.

 

Erosion is a phenomenon which is a serious problem, especially in pneumatic / hydraulic conveyors as high speeds of the bulk material are required in these systems. Particularly during the rebound of particles in systems for pneumatic / hydraulic conveying, particles are in contact with the walls which often leads to wear. Measures for reducing wear have so far been mostly empirical. Couplings of the discrete element method (DEM) with numerical flow simulation (CFD) methods allow the detailed description and understanding of transport states in pneumatic conveyors, particularly in the case of high particle loadings. Also, the behavior of particles in elbows where they form dense ropes can thus be investigated for arbitrary particle shapes. In principle, CFD-DEM simulations can be coupled with corresponding models for erosive wear which represent ductile / brittle material behavior. So far, this step has not been done on the scale of process simulations; also, the numerical methods and partial models have been insufficiently tested both numerically and experimentally; only by this it is possible to reliably predict wear in pneumatic transport in the future. The aim of the project is to create a comprehensive approach for small and medium-sized enterprises (SMEs) who require tailor-made solutions for their respective problems in the area of erosive flows and processes. This approach consists of three components: (I) The experimental determination of the relevant parameters for the calibration of the model parameters, (II) the numerical simulation to optimize geometry and process control and (III) the combination of them into a prototypical model frame. Additionally at the end of this research project, a simple prototype of a numerical model is developed which enables SMEs to predict possible wear processes.

Forschungsstelle Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik

Ansprechpartner Heise

Laufzeit 01.10.2019 - 31.03.2022

Projektnummer P 1393

Förderung durch BMWi/AIF

Steigerung der Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Stahl-Klebungen im Offshorebereich / Increasing the strength and durability of adhesively bonded steel joints in the offshore sector

Offshore-WEA verfügen über zahlreiche sekundäre Anbauteile (Halterungen für den kathodischen Korrosionsschutz, J-Tubes, Leitern etc.). Die Befestigung erfolgt derzeit mechanisch oder schweißtechnisch. Dabei entstehen metallurgische und geometrische Kerben, die zu einer reduzierten Schwingfestigkeit der Primärstrukturen führen. Zudem stellt die starke korrosive Belastung hohe Anforderungen an Materialauswahl und Verbindungsausführung. Ziel des Vorhabens ist die Erweiterung des bestehenden Kenntnisstands zum Kleben von sekundären Anbauteilen unter Wasser sowie in der Spritzwasser- und Wasserwechselzone. Durch die Vermeidung von schädlichen Kerben in der Primärstruktur, einer Verbesserung der Dauerhaftigkeit von Offshore-Klebungen sowie die Möglichkeit eines nachträglichen schädigungsfreien Anbringens von Sekundärbauteilen soll eine leistungsfähige, alternative Fügetechnik für alle Beanspruchungszonen offshore entwickelt werden. Im Rahmen des Projektes werden systematische Untersuchungen an ausgewählten Klebstoffen zur Auswirkung unterschiedlicher Oberflächenvorbehandlungen auf die Langzeitbeständigkeit der Klebverbindung durchgeführt. Zur Verkürzung der Prozesszeit erfolgt die Entwicklung eines Schnellhärteverfahrens. Erkenntnisse über robuste Klebprozesse für Kleinbauteile werden auf Großstrukturen übertragen. Zudem erfolgen ein Nachweis der Anwendbarkeit im Feld sowie eine Validierung der Verbindungstragfähigkeit durch Bauteilversuche. Durch die Vermeidung ungünstiger Kerben in der Primärstruktur können geringere Wanddicken eingesetzt und höherfeste Stahlwerkstoffe eingesetzt werden. Somit können Material- und Transportkosten sowie Emissionen in der Herstellung und im Transport reduziert werden. Aufgrund der Möglichkeit einer nachträglichen Montage wird eine flexible Fertigungsabfolge erreicht. KMUs profitieren durch die Erweiterung des Produktportfolios um Nachrüstlösungen sowie durch das Angebot klebtechnischer Dienstleistungen.

 

Offshore wind turbines and transformer platforms have numerous secondary attachments (mounts for cathodic corrosion protection, J-Tubes, ladders etc.). The attachment is currently done using welding and mechanical joining techniques. This produces metallurgical and geometric notches, resulting in a reduced fatigue strength of the primary structures. In addition, the strong corrosive load makes high demands on material selection and connection execution. The objective of the project is to extend the existing knowledge of adhesive bonding of secondary attachments under water as well as in the intertidal and splash zone under offshore conditions. By avoiding harmful notches in the primary structure and an improvement in durability of adhesive bonding offshore as well as the possibility of a subsequent damage-free attachment of secondary components a powerful alternative joining technology for all relevant stress zones in the offshore sector shall be developed.

Forschungsstelle Materialforschungs- und Prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar

Ansprechpartner Dr. Keul

Laufzeit 01.10.2019 - 30.09.2021

Projektnummer P 1318

Förderung durch BMWi/AIF

Steigerung der Werkstoff- und Ressourceneffizienz beim Einsatzhärten durch beanspruchungskontrollierte Kohlenstoff- und Härteprofile / Increasing the material and resource efficiency in case hardening by means of load-controlled carburizing and hardening depth profiles

Die Funktionsfähigkeit von Stahlbauteilen wird durch die entsprechende Werkstoffauswahl in Verbindung mit einer kerbarmen Konstruktion sichergestellt. Sind funktionsbedingt Konstruktionsdetails, deren Gestalt bei Beanspruchung zu lokalen Spannungsüberhöhungen (Kerbwirkung) führt nicht zu vermeiden, kann die erforderliche lokale Werkstofffestigkeit durch das thermochemische Wärmebehandlungsverfahren Einsatzhärten erhöht werden. Als Bewertungsmaßstab für die Güte der Einsatzhärtung sowie die erreichte Festigkeitssteigerung werden Aufkohlungs- und Härtetiefenprofile herangezogen. Die bauteilbezogene Vorgabe von Aufkohlungs- und Härtetiefenprofilen erfolgt überwiegend auf der Grundlage von Erfahrungswerten oder Expertenwissen. Nur für spezielle Bauteile, wie beispielsweise Zahnräder, existieren Normen oder Richtlinien.
Forschungsziel ist es, die aus der lokalen Spannung im Bereich versagensmaßgebender Konstruktionsdetails realer Stahlbauteile abgeleitete lokale Werkstoffmindestfestigkeit mittels numerischer Verfahren in beanspruchungskontrollierte Aufkohlungs- und Härtetiefenprofile zu überführen. Damit können dann, optimale technologische Parameter für die praktische Einsatzhärtung der Stahlbauteile generiert werden.
Das Innovationspotential der angestrebten Forschungsergebnisse besteht darin, die bisher empirisch basierte Festlegung von Aufkohlungs- und Härtetiefenprofilen durch ein geschlossenes Konzept zur numerisch basierten Ermittlung beanspruchungskontrollierter Aufkohlungs- und Härtetiefenprofile zu ersetzen.
Zuerst wird unter Berücksichtigung des Beanspruchungszustandes für das versagensmaßgebende Konstruktionsdetail die lokale Werkstoffmindestfestigkeit bestimmt. Diese korreliert mit der lokalen Werkstoffhärte (Härtetiefenprofil). Für ein ebenes Modell (Scheibenprobe) wird ein Einheitsaufkohlungsprozess mit dem Ziel festgelegt, ein definiertes Aufkohlungsprofil einzustellen. Die Parameter der Einheitsaufkohlung werden dann auf das versagensmaßgebende Konstruktionsdetail übertragen. Aus den numerischen Ergebnissen der Einheitsaufkohlung der Scheibenprobe sowie des Konstruktionsdetails wird eine geometrieabhängige Übertragungsfunktion abgeleitet. Damit besteht die Möglichkeit, das lokale Aufkohlungsverhalten des Konstruktionsdetails direkt auf die Verhältnisse einer ebenen Scheibenprobe zu überführen. Auf der Basis der Scheibenprobe wird mittels numerischer Verfahren ein optimiertes Aufkohlungsprofil für den verwendeten Einsatzstahl des Stahlbauteiles ermittelt welches sicherstellt, dass das erforderliche Härtetiefenprofil des versagensmaßgebenden Konstruktionsdetails durch die praktische Einsatzhärtung erreicht werden kann. Die Überführung der beanspruchungskontrollierten Aufkohlungs- und Härtetiefenprofile in optimale technologische Parameter der Einsatzhärtung erfolgt abschließend mittels eines modular aufgebauten Methodenträgers auf Grundlage der Programmiersprache R (R-Routine).
Durch die Anwendung des geschlossen Konzeptes zur numerisch basierten Ermittlung beanspruchungskontrollierter Aufkohlungs- und Härtetiefenprofile in der betrieblichen Praxis wird erwartet, dass auf der Basis optimierter Aufkohlungsprofile signifikante Reduzierungen der Kohlenstoffpegel und Aufkohlungsprozesszeiten (Gasaufkohlung) bzw. der Aufkohlungs- und Diffusionszeiten (Niederdruckaufkohlung) vorgenommen werden können. Damit wird ein entscheidender Beitrag zur Ressourceneffizienz geleistet. Die Ableitung lokaler Werkstoffmindestfestigkei¬ten erleichtert beispielsweise die Auswahl derjenigen beanspruchungsgerechten Einsatzstahlsorte mit den geringsten Beschaffungskosten. Damit kann ein Beitrag zur Werkstoffeffizienz geleistet werden.

 

The functional capability of steel components is ensured by the appropriate material selection in combination with construction low on notch effects. If function related construction details which shape does lead to local stress increases (notch effect), cannot be avoided, the required local material strength can be increased by the thermochemical heat treatment case hardening. Carburizing and hardening depth profiles are used as a criterion for assessing the quality of the application hardening as well as the achieved strength increase. The component-specific specification of carburizing and hardening depth profiles is predominantly based on empirical values or expert knowledge. Standards or guidelines only exist for special components such as gears.
The aim of the research project is to convert the local material strengths derived from local stress in the range of failure relevant construction details of real steel components into load-controlled carburizing and hardness deep profiles by numerical methods. This allows a generation of optimal technological parameters for the practical case hardening of the steel components.
The innovative potential of the expected research results consists in replacing the previously empirically based determination of carburizing and hardening depth profiles by means of a consistent approach for numerically based determination of load-controlled carburizing and hardening depth profiles.
First, the local material minimum strength is determined taking into account the stress condition for the failure relevant construction detail. This correlates with the local hardness of the material (hardness depth profile). For a flat model (sample), a unit carburizing process is defined with the aim of setting a defined carburizing profile. The parameters of the unit carburizing process are then transferred to the failure relevant construction detail. From the numerical results of the unit carburizing of the flat sample as well as of the design details, a geometry-dependent transfer function is derived. This makes it possible to convert directly the local carburizing behavior of the design detail to the conditions of a plane flat sample. On the basis of the flat sample, an optimized carburizing profile for the steel used of the steel component is determined by means of numerical methods. This ensures that the required hardening depth profile of the failure-relevant construction detail can be achieved by practical case hardening. The transfer of the load-controlled carburizing and hardening depth profiles into optimal technological parameters of the case hardening is finally achieved by means of a modular software system based on the programing language R (R routine).
The application of the closed concept for the numerically based determination of load-controlled carburizing and hardening depth profiles in industrial practice is expected to result in significant reductions in carbon levels and carburizing process times (gas carburizing) or carburizing and diffusion times (low pressure carburizing) on the basis of optimized carburizing profiles. This makes a decisive contribution to resource efficiency. The derivation of local minimum material strengths simplifies, for example, the selection of the load-related grades of case hardening steels with the lowest acquisition costs. This can contribute to material efficiency.

Forschungsstelle TU Paderborn, Prozesst./ Werkstoff-u.Fügetechnik

Ansprechpartner Heise

Laufzeit 01.09.2019 - 31.08.2021

Projektnummer P 1348

Förderung durch BMWi/AIF

Methodenentwicklung zur Versagensanalyse aufgrund der Aushärtung vorgeschädigter Klebverbindungen in stahlintensiven Mischbaustrukturen / Methods Development for Failure Analysis of Pre-Damaged Adhesive Joints due to Cure in Mixed-Material-Design

Der anhaltende Einzug der metallischen Mischbauweise in die Entwicklung leichter und effizienter Produkte stellt neue Anforderungen an die Auslegung gefügter Mischbaustrukturen mit artverschiedenen Werkstoffen. In diesem Zusammenhang spielen insbesondere Klebverbindungen mit warm härtenden strukturellen 1K-Klebstoffen auf Epoxidharzbasis eine wichtige Rolle, da diese innerhalb des Fertigungsprozesses in der Mischbaustruktur unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Die unterschiedlichen thermischen Dehnungskoeffizienten der Fügepartner induzieren dabei eine mechanische Beanspruchung in der Klebschicht, die zur Veränderung der Materialeigenschaften bis hin zur Schädigung führt. Bei einer Folgebelastung der Klebverbindung ist neben der Vorschädigung eine Änderung der Festigkeit in Abhängigkeit der Deformationshistorie während des Fertigungsprozesses zu beobachten. Im Zuge dessen ist die Richtung der Folgebelastung ausschlaggebend für die Beanspruchbarkeit der Klebschicht. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur Versagensanalyse von Strukturklebverbindungen in metallischen Mischbaustrukturen unter Crashbelastung mit Vorschädigung aufgrund der Aushärtung. Dabei wird der zuvor beschriebene Einfluss aus dem Fertigungsprozess auf die mechanischen Eigenschaften der Klebschicht berücksichtigt. Für eine möglichst genaue Auslegung metallischer Leichtbaustrukturen wird eine verbesserte Prognosegüte für die Crashanalyse angestrebt. Dafür wird eine experimentelle Prüfmethodik entwickelt, welche die relevanten Materialeigenschaften sowohl während des Fertigungsprozesses als auch bei Folgebeanspruchung charakterisiert. Die Erkenntnisse der experimentellen Prüfmethodik dienen der Weiterentwicklung des TAPO Modells, um die Vorschädigung und den Einfluss des Fertigungsprozesses in der Crashberechnung zu berücksichtigen. Damit erhalten Ingenieurbüros – die häufig KMU sind – ein Werkzeug, das Ihnen die optimale Auslegung gefügter Strukturen ermöglicht.

 

The expanding application scope of metallic multi material components requires new methods for the design of efficient lightweight structures. Especially, focus is laid on adhesively bonded joints consisting of toughened structural adhesives, which are cured at high temperatures. In the manufacturing process, mixed materials induce mechanical loading in the adhesive layer leading to material property changes and damage by reason of different thermal expansion coefficients. It can be observed that the deformation history during the manufacturing process influences the strength of the adhesive joint depending on the direction of subsequent loadings. The objective of the project is to develop methods for failure analysis of pre-damaged adhesive joints due to cure in metallic mixed material structures subjected to crash conditions. Furthermore, the aforementioned influence on the mechanical properties is considered, which is caused by the deformation history in the manufacturing process. The characterisation of the required material properties is accomplished by developing experimental test methods. Afterwards, the findings of these tests are used for further development of the Toughened Adhesive Polymer (TAPO) model. Specifically, both the pre-damage and the influence of the deformation history due to manufacturing are taken into account for crash analysis. For engineering offices, which are often SMEs, the developed method enables a better failure prediction and thus improves the design of adhesively joined structures in the framework of computer aided design.

Forschungsstelle Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH (BIAS)

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.08.2019 - 31.07.2021

Projektnummer P 1215

Förderung durch BMWi/AIF

Verteilung intermetallischer Phasen beim Laserstrahlschweißen von pressgehärteten Stählen (Wiedereinreichung VP 1174) / Distribution of intermetallic phases in laser beam welding of presshardened steel sheets

Beim Presshärten von 22MnB5 kommt es durch den Al-Si-Überzug zur Bildung von intermetallischen Phasen. Im Stand der Technik ist belegt, dass diese sich während des Schmelzschweißens an den Schmelzkanten anlagern und rissinitiierend wirken können. Die hohen Festigkeiten der Stähle können bisher nicht ausreichend ausgenutzt werden, da es mit den aus der Literatur bekannten Verfahrensvarianten nicht gelingt die intermetallischen Phasen zu verteilen. Ein innovatives Fügekonzept, welches diese Problematik adressiert, soll in diesem Forschungsvorhaben umgesetzt werden. Durch eine gezielte Einflussnahme auf die Schmelzbadströmung sollen die intermetallischen Phasen innerhalb der Schmelze homogener verteilt werden. Zum einen soll dies über geeignete Prozessparameter, zum anderen aber auch durch Systemparameter wie eine angepasste Strahlmodulation unterstützt werden. Diese Untersuchungen stellen eine Erweiterung der bereits bekannten Erkenntnisse dar. Zusätzlich soll eine mechanische Beeinflussung der Schmelze durch Ultraschall dazu genutzt werden, um gezielt auf das Schmelzbad einzuwirken und die Agglomerationen durch eine Zerrüttung zu minimieren. Resultierend aus der Kombination aus modifizierter Schmelzbadströmung und gezielter Ultraschalleinkopplung soll eine verbesserte Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften in Konstruktionen aus pressgehärteten Stählen umsetzbar sein und damit nachhaltig die Einsatzbereiche dieser Stähle erweitern. Das Forschungsthema gewinnt durch aktuelle Entwicklungen auf dem Werkstoffmarkt zusätzlich an Relevanz, da mit dem Werkstoff 38MnB5 eine neue pressgehärtete Stahlsorte auf den Markt drängt, die eine noch höhere Festigkeit erreicht.

 

The Al-Si coating of 22MnB5 is transformed into intermetallic phases throughout presshardening. It is well-known that these intermetallic phases accumulate at the fusion line during welding which is supporting crack formation consequently reducing the ultimate weld strength. The superior mechanical properties of presshardened steels cannot be retained since it is not possible with the state of the art welding techniques to distribute the intermetallic phases. This research aims to establish an innovative joining concept that addresses this problem. The intermetallic phases are intended to be distributed homogeneously by controlled alteration of the melt flow. This shall be achieved by appropriate process parameters and supported by adapted system parameters including a suitable laser beam modulation strategy. Investigations are expanding the knowledge in the field of beam modulation. Moreover an additional mechanical impact on the weld pool by means of ultrasound shall be applied to shatter accumulations of intermetallic phases thus minimizing their influence. The combination of modified melt flow and welldefined mechanical impact shall result in an improved utilization of presshardened steels in welded constructions and sustainably foster the application of these steels.

Forschungsstelle Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.07.2019 - 31.08.2021

Projektnummer P 1311

Förderung durch BMWi/AIF

Beanspruchungsgerechte Reparatur von Schweißverbindungen bei der Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen / Appropriate repair of weld seams during manufacturing of high-strength fine-grain structural steel components

Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Die Verarbeitungsregelwerke empfehlen das lokale thermische Ausfugen betroffener Bereiche und erneutes Schweißen, geben aber aufgrund fehlender wissenschaftlich fundierter Untersuchungen kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten. Dies betrifft insbesondere die Berücksichtigung und Optimierung resultierender schweißbedingter Beanspruchungen durch hohe Schrumpfbehinderungen der Ausfugenuten sowie der Gefügedegradation angrenzender Bereiche durch das Ausfugen und erneute Schweißen. Gerade bei hochfesten Stahlgüten ergeben sich dadurch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften und zusätzliche schweißbedingte Beanspruchungen sowie erneut auftretende Nahtdefekte.
Deshalb sind für das Forschungsvorhaben systematische bauteilrelevante Untersuchungen der schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen reparierter Schweißnähte in Abhängigkeit von der Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie von der Reparaturzyklenanzahl geplant, mit dem Ziel Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte ab-zuleiten. Hierfür sind gerade Analysen an hochfesten Stahlgüten S500 für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau interessant, die zur Errichtung und Fertigung hocheffizienter Konstruktionen wie Windenergieanlagen notwendig sind. Die Erkenntnisse bieten eine Grundlage für entsprechende Normen und Regelwerke. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade auch KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.

 

When fabricating steel constructions, inadmissible imperfections are detected occasionally despite suitable welding conditions. Processing guidelines recommend local gouging of areas containing flaws and repeated welding of the resulting grove. These guidelines hardly provide any information regarding adequate repair concepts, since almost no evidence based data is available. This concerns especially the consideration and optimisation of resulting welding stresses due to high shrinkage restraints of the repair weld as well as of the degradation of the microstructure in the areas adjacent to gouging and repeated welding. Particularly in high-strength steel welds frequently the results are reduced mechanical weld properties, additional welding stresses and even a recurrence of imperfections in the weld.
Hence, for this research project systematic component-relevant analyses of welding stresses and microstructural alteration of repair welds as a subject to the restraint conditions and the applied heat control during welding and gouging as well as the number of the repair cycles is targeted. With that, a derivation of recommendations for appropriate repair concepts with respect to the stressing and the applied materials can be accomplished. For this purpose in particular analyses at the high-strength steel grades S500 for offshore-applications and S960QL for mobile crane components are of interest, since these grades are necessary for installation and fabrication of highly efficient structures like wind power plants. The findings of this project provide a basis for corresponding rules and standards concerning welding fabrication. Thus, damages and mostly expensive reworking are avoidable and an improved utilisation of the high-strength steel potential is achievable. With regard to expenses for manufacturing, welding and material, especially SMEs are able to benefit using these findings when applying high-strength steels for an effective energy transition in Germany.

Forschungsstelle Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Department Maschinenbau, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie

Ansprechpartner Heise

Laufzeit 01.07.2019 - 30.06.2021

Projektnummer P 1305

Förderung durch BMWi/AIF

Entwicklung eines lernenden Umwandlungs- und Dilatometermodells zur virtuellen Prozessauslegung von Presshärtprozessen / Development of a learning phase transformation and dilatometer model for the virtual process design of press hardening processes

Thermomechanische Umformprozesse wie das partielle Presshärten erfordern aufwändige Werkstoffuntersuchungen für die Auslegung von Prozessen und Werkzeugen, die für KMU eine erhebliche finanzielle Belastung darstellen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Aufwand für die Auslegung von Presshärteprozessen durch die Entwicklung eines Datenbasierten Vorhersagemodells zu reduzieren. Konkret sollen Daten, die im Rahmen von Dilatometerversuchen und begleitenden Untersuchungen gewonnen wurden, auf Basis geeigneter Modelle in ein lernendes „virtuelles Umformdilatometer“ überführt werden. Ein kalibriertes virtuelles Umformdilatometer ersetzt reale Dilatometerversuche. Mit dem virtuellen Umformdilatometer sollen besonders die isothermen Umwandlungsvorgänge nach Umformung des unterkühlten Austenits des Stahls 22MnB5 in Ferrit, Perlit und Bainit für die numerische Simulation des partiellen Presshärtens genauer abgebildet werden, um die Bauteileigenschaften nach der Umformung besser vorhersagen zu können. Aufbauend auf experimentellen Daten aus Warmzug- und Dilatometerversuchen soll eine Datenbasis für das virtuelle Dilatometer erstellt werden. Für die Extrapolation zu Versuchsbedingungen, die nicht durch Interpolation der Daten abbildbar sind, werden im virtuellen Dilatometer ein Modell des Umwandlungsverhaltens und ein Datenbasiertes Modell aus dem Bereich der Systemidentifikation implementiert. Auf Basis von Gütekriterien sollen falls erforderlich Versuchsbedingungen für weitere Versuche bestimmt und der Versuchsumfang für die Kalibrierung des virtuellen Dilatometers bei neuen Stahlvarianten oder thermomechanischen Routen drastisch reduziert werden. Um die erarbeiteten Modelle für KMU nutzbar zu machen, wird das virtuelle Dilatometer als Stand-Alone Programm erzeugt und eine Exportschnittstelle für Dilatometerkurven, UZTU und ZTU-Diagramme programmiert. Zudem wird das kalibrierte Modell für die Implementierung in bestehende FEM Systeme vorbereitet.

 

Thermomechanical forming processes such as tailored tempering in hot stamping require extensive materials characterization for process and tool design, which represent a considerable financial burden for SMEs. The aim of the research project is to reduce the effort for process design of hot forming operations by the development of a data-driven model. Data obtained from dilatometer tests as well as accompanying examinations will be transferred to a virtual dilatometer which is able to learn based on suitable models. An already calibrated virtual dilatometer replaces real experiments. Specifically, a precise prediction of the isothermal transformation processes of 22MnB5 from the austenite phase into ferrite, pearlite and bainite shall be achieved for the numerical simulation of tailored tempering, in order to improve the final part properties. Based on experimental results concerning the phase transformations gained from hot tensile tests and dilatometer tests, a data base for the virtual dilatometer will be created. For the extrapolation to experimental conditions which do not permit interpolation of the existing data, a model for the phase transformations and a data-driven model from the field of system identification will be used in the virtual dilatometer. Based on quality criteria, testing conditions for further tests will be determined, if necessary, and the number of experiments for the calibration of the virtual dilatometer for new steel variants or thermomechanical routes will be reduced significantly. The virtual dilatometer will be generated as a stand-alone program and an export interface for dilatometer curves, DTTT and TTT diagrams will be programmed to make the developed models usable for SMEs. In addition, the calibrated model will be prepared for implementation in existing FEM systems.

Forschungsstelle Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Lehrstuhl Fügetechnik

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.07.2019 - 31.12.2021

Projektnummer P 1323

Förderung durch BMWi/AIF

Erweiterung der Konstitutionsschaubilder für hoch Mn-haltige Stähle in Mischschweißverbindung durch Gefährdungsbereiche / Indication of weld defects in constitution diagreams for dissimilar metal welding of high Mn steels

Im Forschungsantrag geht es um vorwettbewerbliche, anwendungsorientierte Grundlagenuntersuchungen zur Verbesserung der schweißtechnischen Verarbeitung von hoch Mn-haltigen Stählen in Mischverbindung. In Deutschland stehen derzeit mehrere hoch Mn-haltige Legierungskonzepte als Stähle bzw. Schweißzusatzwerkstoffe entweder kommerziell zur Verfügung bzw. kurz vor der Markteinführung. Die Herausforderung für die thermische Fügetechnik liegt in der Integration der FeMn-Stähle in bereits bestehende Konstruktionen aus bewährten hochfesten ferritischen bzw. martensitischen Karosseriestählen. In Abhängigkeit von Fügepartner, Schweißprozess, Zusatzwerkstoff und Aufmischung kann es zu unerwünschten Erscheinungen, wie Martensitbildung, hohe Härte bzw. hohe Härtegradienten als auch schweißbedingter Rissbildung, im Mischschweißgut kommen. Um diese Gefährdungen im Voraus abschätzen und möglichst vermeiden zu können, besteht das Ziel des Vorhabens darin, die im FOSTA-Projekt P1108 entwickelten Konstitutionsschaubilder für MSG-Mischschweißverbindungen hoch Mn-haltiger Stähle durch Bereiche zu erweitern, in denen mit für das Schweißgut kritischen Gefügen und Erscheinungen zu rechnen ist. Mit der Angabe dieser Gefährdungsbereiche soll den Anwendern ein hinreichendes Mittel zur Bewertung der Schweißeignung der betreffenden Legierungen und zur Herstellung eines möglichst gefährdungsarmen Schweißgutes bereitgestellt werden (ähnlich dem Schaeffler-Diagramm). Dies erleichtert u. a. die Auswahl und Entwicklung angepasster Zusatzwerkstoffe und Schweißtechnologien für die Verarbeitung der FeMn-Stähle in Mischschweißverbindung. Nutznießer der Ergebnisse sind kmU aus dem Bereich der Zuliefererindustrie der Fahrzeugbranche, die im Rahmen der Prototypenfertigung, aber auch im Serienprozess immer häufiger mit neu entwickelten hochfesten Stählen konfrontiert werden, sowie der Schweißzusatzwerkstoffentwicklung und -herstellung.

 

This proposal is about pre-competitive, application-oriented basic research for improving the dissimilar welding of high manganese TWIP steels. In Germany there are currently several high manganese steel concepts (steel sheets as well as filler metals) which are already commercial available or on the verge of being launched onto the market. Particular challenges in thermal joining technology result from the integration of the high manganese steels in existing structures of established high strength auto body steels, such as microalloyed steels, TRIP steels or martensitic steels. Depending on material combination, welding process, filler metal and dilution there might be adverse weld metal phenomena, such as formation of martensite, high hardness values or gradients as well as weld-induced cracking. To predict and preferably avoid these risks, the objective of the proposed research activity is to complete the constitution diagrams for dissimilar GMA welding of high Mn steels developed in the FOSTA project P1108 by regions of defects, which indicate critical microstructures and phenomena in the weld metal. Therefore, the user will be provided by a sufficient instrument to evaluate the weldability of the affected alloys and to produce an unsusceptible weld metal (similar to the Schaeffler diagram). Moreover the improved constitution diagram will help to select and to develop new and adapted filler metals as well as welding technologies for dissimilar welding of high manganese steels. Small and medium-sized enterprises (SME) of the automotive supply industry, which more and more frequently are facing new high strength steel grades in prototype manufacturing and in serial production, as well as SME filler metal manufacturer will benefit from the results of the research project.

Forschungsstelle TU Hannover, Stahlbau

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.06.2019 - 30.11.2021

Projektnummer P 1389

Förderung durch BMWi/AIF

Erhöhte Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen in der Windenergie durch Festwalzen / Improved fatigue resistance of welds in wind energy by deep rolling

Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen an Tragstrukturen für Windenergieanlagen durch Festwalzen zu analysieren und zu quantifizieren. Als ein hoch automatisiertes Verfahren erlaubt das Festwalzen schnelle und gut kontrollierbare Nachbehandlungsprozesse, welche sich gut in der Fertigungskette der Tragstrukturen integrieren lassen.
Innerhalb dieses Projekts werden Ermüdungsversuche an unbehandelten und an gewalzten Schweißproben durchgeführt und die Ergebnisse gegenübergestellt. Die Versuche werden an herkömmlichem und an höherfestem Baustahl durchgeführt, um den Einfluss der Festigkeit zu quantifizieren. Basierend auf den Versuchsergebnissen werden mittels lokaler Ermüdungskonzepte die entsprechenden Lebensdauervorhersagemodelle entwickelt. Eine der wesentlichen Voraussetzungen für eine optimierte Lebensdauervorhersage von durch Festwalzen nachbehandelten Schweißnähten ist die lokal aufgelöste Kenntnis der induzierten Druckeigenspannungen. Deswegen werden alternative Methoden für die Messung von Eigenspannungstiefenverläufen qualifiziert. Die hierdurch ermittelten Eigenspannungsverläufe werden in die lokalen Ermüdungskonzepte integriert. Abschließend werden die Prozessparameter für die Anwendung des Festwalzens an den Schweißnähten optimiert und die Gültigkeitsgrenzen festgelegt, um die gewünschte Ermüdungsfestigkeit zu erreichen.
Die Ergebnisse dieses Vorhabens sind von großer Bedeutung für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die an dem Herstellungsprozess und der Nachbehandlung der Schweißnähte direkt beteiligt sind. Weiterhin sind die Ergebnisse für viele KMU im Bereich der Metallindustrie, der Schweiß- und Fertigungstechnik sowie der Herstellung von Werkzeugmaschinen und Industrierobotern vorteilhaft. Als Subunternehmer und Lieferanten der großen Produzenten der Tragstrukturen können viele im oben genannten Bereichen spezialisierten KMU einen Beitrag in der Windindustriebranche leisten.

The aim of this project is to analyze and to quantify the improvement of fatigue strength of welded joints through the treatment of weld seams by deep-rolling. Deep-rolling tools can be integrated seamlessly into the highly automated production chain of support structures for offshore wind turbines, enabling high level of reproducibility and good quality control of weld seams treatment.
In order to determine the improvement of fatigue strength of welded joints through the application of deep-rolling, fatigue tests are carried out on as-welded and deep-rolling post-weld treated specimens. The tests are carried out on mild and higher strength structural steel aiming to quantify the effects of steel strength. In addition, the corresponding fatigue lifetime prediction models are proposed by means of local fatigue concepts. Furthermore, the methods for measuring the maximum possible residual stress depths are qualified and so obtained residual stress profiles are included into the local fatigue concepts in order to describe the influence of residual stresses on fatigue life of welded joints. Finally, the process parameters for the application of deep rolling at the welds are optimized and the validity limits set to achieve the desired fatigue strength. Results of performed experimental and numerical investigations are the basis for the further development of design standards and guidelines.
Application of deep-rolling as a method for post-weld treatment is beneficial for many small and medium sized enterprises (SMEs) in the metal industry, welding and production technology as well as the production of machine tools and industrial robots. As subcontractors and suppliers, many SMEs in the previously mentioned fields can contribute to the wind industry.

 

Forschungsstelle Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IW

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.06.2019 - 31.05.2021

Projektnummer P 1227

Förderung durch BMWi/AIF

Fügen von Duplexstählen mittels Laserstrahl-UP-Hybridschweißen / Joining of Duplex Stainless Steels using the Laser-submerged arc hybrid welding

Duplexstähle werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit bei gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt. Derartige Eigenschaften erlangen sie durch ein Gefügeverhältnis von 40 % Deltaferrit und 60% Austenit. Beim Schweißen muss zur Erhaltung des Gefüges auf die Wärmeführung geachtet werden, da eine zu hohe Abkühlzeit zu Ausscheidungen (Nitride und intermetallische Phasen) sowie zur spröden Grobkornzone und eine zu geringe Abkühlzeit zu einer geringen Austenitbildung führt. Die bislang eingesetzten Lichtbogenschweißverfahren bedingen eine mehrlagige Prozedur, verbunden mit aufwendiger Nahtvorbereitung und hohem Schweißzusatzverbrauch. Die Strahlschweißverfahren konnten sich aufgrund der Ausbildung eines ungünstigen Deltaferrit-Austenit-Verhältnisses in der Praxis nicht durchsetzen. Ziel des Forschungsvorhabens ist, Schweißnähte an Duplexstählen (bis zu 30 mm) mit hoher Schweißnahtgüte bezüglich der mechanisch-technologischen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit, mittels Laserstrahl-UP-Hybridschweißen prozesssicher und effizient herstellen zu können. Das erforderliche Gefüge wird mit Hilfe einer kontrollierten Wärmeführung während des Schweißens eingestellt. Zur Umsetzung des Laserstrahl-UP-Hybridschweißens wird ein Rohr zur Abschirmung der Laserstrahlung vor dem Schweißpulver eingesetzt. Die Anwender (vorallem kmU) werden dadurch in die Lage versetzt, ihre Bauteile mittels Laserstrahl-UP-Hybridschweißen reproduzierbar und effizient verbinden zu können. Die im Forschungsvorhaben erstellte Handlungsempfehlung wird es sowohl Anlagenbauern, Halbzeug-, Stromquellen-, Laserquellen- als auch Komponentenherstellern ermöglichen, ihre Dienstleistungsfähigkeit zu erweitern und neue Märkte zu erschließen.

 

Duplex stainless steels are used in many application fields due to their outstanding performance in respect to strength, toughness, and corrosion resistance. These properties are based on a microstructure proportion of 40 % delta ferrite and 60 % austenite. However, high cooling rates lead to precipitates such as nitrides, intermetallic phases and brittle coarse-grained zones. Excessively short cooling time also causes insufficient austenite formation. Therefore, heat development during the welding process has to be controlled. The arc welding processes which have hitherto been used require multipass-procedures, complicated seam preparation, and a high consumption of filler metals. Beam welding processes have not been successful due to the formation of delta ferrite-austenite in an unfavourable ratio. The research project aims to achieve weld seams of high quality in respect to mechanical and technological properties as well as corrosion resistance on duplex stainless steels of up to 30 mm sheet thickness by using a reliable and efficient laser-submerged arc hybrid welding process. The required microstructure will be formed by controlling the heat development. To facilitate laser-submerged arc hybrid welding, a tube shields the laser irradiation from flux. Users, especially SME-companies, will be enabled to join components reliably and efficiently using laser- submerged arc hybrid welding. The recommendation that will be elaborated in the project will enable manufacturers of equipment, semi-finished products, power-sources, laser-sources, as well as components to broaden their service capability and to expand into new markets.

Forschungsstelle Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.05.2019 - 31.08.2021

Projektnummer P 1310

Förderung durch BMWi/AIF

Korrosionsmechanismen beim Laserschweißen von Duplexstählen / Corrosion mechanisms during laser welding of compound steel

Anlass für den vorliegenden Forschungsantrag ist die unzureichende Korrosionsbeständigkeit von filigranen Duplexstrukturen, welche mit Laserstrahlschweißen höchster Fokussierbarkeit ohne Zusatzwerkstoff oder einen weiteren technologischen Schritt hergestellt werden. Daher setzt sich das Vorhaben zum Ziel die verschiedenen Mechanismen für die Entstehung von Korrosion an geschweißten Duplexstahlverbindungen, unter anderem mittels Prozess- und Korrosionsuntersuchungen, zu analysieren und spezifizieren. Um die Teilgebiete aus der Laser- und Werkstofftechnik abzubilden, ist eine interdisziplinäre Arbeitsweise in einem Verbund (Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH und dem Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH) notwendig.

Mit Hilfe von strahlformenden Elementen soll ein asymmetrisches Strahl- und Intensitätsprofil generiert werden, wodurch ein werkstoffspezifisches Temperaturfeld entsteht. Um eine angepasste Prozessführung zu erreichen, werden die Untersuchungen um die zeitliche Variation des Energieeintrags und der Schutzgaszusammen erweitert. Zur elektrochemischen Korrosionsuntersuchung an lokalen Schädigungen (wie im Schweißnahtbereich) sind großflächige Messungen alleine oft ungeeignet. Für die Ermittlung der Korrosion sind Untersuchungen im Mikro- bzw. Makrobereich unabdingbar. Daher ist die Entwicklung einer mikroelektrochemischen Messzelle zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht notwendig.

Im Mittelpunkt des Projektes steht die wissenschaftlich abgesicherte Entwicklung einer Prozessstrategie zum Schweißen von dünnwandigen Duplexstukturen ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoff oder einem nachgelagerten Arbeitsschritt. Darüber hinaus werden die Unternehmen in die Lage versetzt, mit einer geeigneten Messtechnik unmittelbar nach dem Schweißprozess die Schweißnähte vor Ort am Bauteil, zerstörungsfrei oder zerstörend, zu prüfen. Für den Anwender bedeutet dies, eine effiziente Gestaltung des Prozesses.

 

The reason for research proposal is the insufficient corrosion resistance of welded thin duplex structures, which were joint by fiber lasers of the highest focusing capability without any additional material or a further technological step. Therefore the objective is to analyse and specify the different mechanisms for corrosion related laser welding of duplex steels. In order to represent different segments, laser and materials engineering, an interdisciplinary approach (Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH and the Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH) was chosen.

An asymmetrical beam and intensity profile will be used, set by beam shaping elements. This results in a material-specific temperature field. In order to achieve a material-adjusted process control, the investigations were extended by variation of the energy input and the shielding gas mixture. For electrochemical corrosion examinations of local damages (as in the welding seam area) large-area measurements alone are often inappropriate. Examinations in the micro and macro range are indispensable for the determination of the corrosion mechanisms. Therefore, the development of a micro-electrochemical measuring cell is necessary to determine the corrosion resistance of the weld.

In the focus of project is the development of a process strategy for the welding of thin-walled duplex structures without the use of additional material or a downstream work step. Further, companies are enabled to test the welding seams on-site on the building component immediately after the welding process non-destructive. The project results lead for users to an efficient process design including an increase of process reliability.

Forschungsstelle TU Duisburg-Essen, Metall-u. Leichtbau

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.04.2019 - 31.03.2021

Projektnummer P 1386

Förderung durch BMWi/AIF

Entwicklung normativer Grundlagen zum Tragverhalten von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem austenitischen und austenitischen-ferritischen Stahl M12 bis M36 / Development of normative foundations of load bearing capacity of bolted connections loaded in shear and tension made of austenitic and autenitic-ferritic (duplex) stainless steel M12 to M36

Aktuelle Regelungen zur Bemessung von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem Stahl nach DIN EN 1993-1-4 basieren im Wesentlichen auf den Regelungen für Verbindungen aus Kohlenstoffstahl nach DIN EN 1993-1-8. Die wenigen bisher auswertbaren Studien zu diesem Thema zeigen die Tendenz eines abweichenden Tragverhaltens von nichtrostenden Schrauben zu Kohlenstoffschrauben. Des Weiteren weist DIN EN 1993-1-4 bzgl. der Abschertragfähigkeit an DIN EN 1993-1-8 angelehnte Regelungen aus, die im Widerspruch zur Bemessung gemäß DIN EN 1993-1-4/NA stehen, was entweder zu einer deutlichen Unter- oder Überdimensionierung führt. Welche Regelung das tatsächliche Tragverhalten abbildet, ist unklar, sodass dies eine dringend zu klärende Frage darstellt, um die normativen Regelungen abschießend zu entwickeln.
Das Forschungsvorhaben wird experimentell wie numerisch durch eine systematische Untersuchung des Scher-/Zugtragverhaltens von Schrauben aus nichtrostendem Stahl sowie des Lochleibungstragverhaltens von nichtrostenden Stahlblechen eine grundlegende Datenbasis zur Ermittlung von Kennwerten zur Entwicklung von Bemessungskonzepten für das Scher-/Zugtragverhalten und deren Interaktion sowie für das Lochleibungstragverhalten von geschraubten Verbindungen aus nichtrostendem Stahl schaffen.
Ausgehend von den Forschungsergebnissen werden Empfehlungen für die Praxis erarbeitet sowie Grundlagen für normative Regelungen zur Implementierung in die Mitte 2018 beginnende zweijährige Phase der Revision der EN 1993-1-4 aufgestellt. Da die Forschungsstellenleiterin aktiv an der Überarbeitung der EN 1993-1-4 mitwirkt, wird eine große Chance gesehen, die Ergebnisse in diese direkt einfließen zu lassen. Von den Ergebnissen werden insbesondere Ingenieurbüros, Stahlbaufirmen, Anlagenhersteller, Schraubenhersteller und –händler profitieren, die üblicherweise als KMUs eingestuft sind und Forschungstätigkeiten nicht eigenständig durchführen können.

 

The design rules of DIN EN 1993-1-4 regarding the load bearing capacity of bolted connections made of stainless steel loaded in shear and tension are essentially based on the carbon steel rules in DIN EN 1993-1-8. The few evaluable studies regarding this topic show that the load bearing capacity of stainless steel bolted connections differs from that of carbon steel bolted connections. Furthermore, the shear load bearing capacity calculated according to DIN EN1993-1-4 results in a contrary design to the regulations of DIN EN 1993-1-4/NA which might result in either much too conservative or unreliable design. Up to now, it is not clear, which rules represent the real load bearing capacity. For this reason, this is an urgent question to be clarified with the objective to develop final normative regulations.
The intended research project will create a fundamental experimental and numerical basis by systematic studies for stainless steel bolted connections loaded in shear and tension, their combination and for the bearing behaviour of stainless steel plates. Based on these studies a design concept for the load bearing capacity of bolted connections loaded in shear and tension and for their interaction as well as for the bearing behaviour of stainless steel plates will be developed.
Based on these results, recommendations for practice as well as design rules for implementation in the two-year phase of the upcoming revision of EN 1993-1-4 beginning in 2018 will be developed. A great opportunity is given to integrate the research results in EN 1993-1-4 because the head of the research institute is actively involved in the revision of EN 1993-1-4 as part of the relevant national and European standardization committees. As design offices, manufactures of steel structures, plant manufacturers, fastener producers and traders are usually SMEs and cannot perform these research activities by themselves, they will benefit from these research results.

Forschungsstelle TU Braunschweig, Füge- u. Schweißtechnik

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.04.2019 - 30.09.2021

Projektnummer P 1362

Förderung durch BMWi/AIF

Schweißen unter Betriebsbeanspruchung unter Einhaltung normgerechter Anforderungen an Nahtgüte und Schwingfestigkeit / Welding under service conditions under consideration of weld quality and fatigue strength

Schweißarbeiten zur Instandsetzung von Stahltragwerken dürfen aktuell nur im ruhenden Zustand durchgeführt werden. Das Schweißen unter zyklischer Betriebsbeanspruchung ist aufgrund des mangelnden Verständnisses zum Zusammenhang von Relativbewegung der zu verschweißenden Schnittufer, der resultierenden Nahtqualität und damit der Schwingfestigkeit nicht zulässig. Dieses Vorhaben verfolgt das Ziel, eine Methode zum Schweißen unter Betriebsbeanspruchung zu entwickeln und die Schwingfestigkeit der so hergestellten Verbindungen in Relation zum gängigen Stahlbauregelwerk zu setzen. Dieses Ziel wird durch umfangreiche Schweißversuche und Schwingversuche an mehrlagigen Verbindungen verfolgt.
Die Beanspruchungssituation an reparaturbedürftigen Querschnitten wird an realen Bauwerken erfasst und auf den Labormaßstab übertragen. Die im Labor untersuchten Relativbewegungen der Nahtflanken werden sowohl quer zur Schweißnaht als auch längs dazu aufgebracht. Die auf diese Weise erstellten Verbindungen werden hinsichtlich der Schweißnahtqualität charakterisiert und es wird eine Grenzbeanspruchung abgeleitet, bis zu der normativ zulässige Verbindungen hergestellt werden können. Diese werden dann im Schwingversuch bewertet und in Relation zu Ermüdungsfestigkeitskennwerten, z.B. aus dem Eurocode, gesetzt.
Das Vorhaben liefert einen wesentlichen Beitrag zur Wettbewerbssteigerung von KMU, da diese mithilfe der Ergebnisse in die Lage versetzt werden, Reparaturmaßnahmen auch an Bauwerken unter Betriebsbeanspruchung zuführen zu können.

 

Repair of steel structures is currently limited to structures free of dynamic loading. Welding under service conditions is prohibited due to the lack of understandings regarding the interrelation of weld movement, weld quality and the resulting fatigue strength. This research project aims at the development of a method for welding under service conditions meeting regulation’s requirements regarding fatigue strength. This objective is reached by extensive weld experiments and fatigue tests using multi-pass welds.
The loading situation of cracked steel structures is monitored in-situ using real steel structures. These loading conditions are transferred to the laboratory. Here, welds are loaded transverse and longitudinal to the welding direction. All welds are to be characterized regarding the weld quality deriving worst case loading conditions allowing for high quality welds. Further, these welds are fatigue tested and compared to current design fatigue values, such as Eurocode.
This research project provides small companies with the knowledge to carry out repair welding under service conditions. These companies will benefit from this knowledge as maintenance downtime can be decreased dramatically.

Forschungsstelle Leibniz Universität Hannover Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.03.2019 - 28.02.2021

Projektnummer P 1217

Förderung durch BMWi/AIF

Induktive Flanscheinzugssensorik für das Tiefziehen / Deep drawing with a thin-fim inductive sensor for blank input measurement

Das Tiefziehen unterliegt im Serienbetrieb gewissen Prozessschwankungen, welche zu unterZiehteilqualitäten führen können. Um dem entgegenzuwirken kann eine Prozessregelung eingesetzt werden. Eine Regelung der Niederhalterkraft setzt die Messung des Flanscheinzugs als Eingangsgröße für den Regelkreis voraus. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden diverse messAnsätze zur Flanscheinzugsmessung in verschiedenen Forschungsprojekten verfolgt, jedoch konnte sich aufgrund der teilweise hohen Störanfälligkeit sowie aufgrund einer unzureichenden Messgenauigkeit bislang keines dieser Messsysteme in der industriellen Serienanwendung bewähren.


Das mit dem Forschungsvorhaben verfolgte Ziel ist die Verbesserung der Qualität von tiefgezogenen Bauteilen und eine Reduzierung der Ausschussquote und somit der Produktionskosten durch den Einsatz eines Flanscheinzugssensors. Im Rahmen der Forschungsarbeit soll ein induktives Sensorsystem zur Messung des Flanscheinzugs in Dünnschichttechnik geschaffen und erprobt werden. Dieser induktive Sensor kann den hohen Ansprüchen an eine feine Messauflösung und an eine Sensorintegration ohne Beeinträchtigung des Tiefziehprozesses gerecht werden.


Zur Erreichung des Forschungsziels müssen zunächst die Anforderungen an den induktiven Sensor und an das Umformwerkzeug definiert werden. Anschließend erfolgt die Auslegung und Realisierung des induktiven Sensors und des Umformwerkzeuges. Eine zentrale Fragestellung bei der Realisierung der induktiven Sensoren ist die Bereitstellung von verschleißfesten Schutzschichten, die den Umgebungsbedingungen beim Tiefziehen standhalten. Beim Umformwerkzeug stehen die Integration des Sensors in das Umformwerkzeug sowie die Integration einer taktilen Flanscheinzugsmessung als Referenz im Mittelpunkt. Nach der Integration des induktiven Sensors in das Umformwerkzeug erfolgt eine systematische Untersuchung zu den Auswirkungen von Einflussfaktoren auf die Sensitivität des Sensors.

 

In series production, deep drawing is subject to certain process variations that may lead to a differing quality of the deep drawn parts. A process control can be used in order to minimize this variation of quality. The measurement of the blank input during deep drawing as an input parameter for the control loop is a prerequisite for the regulation of the down-holder force. In the last two decades, several attempts based on various measurement principles have been made in different research projects. No measuring system has been proven in industrial series application yet due to partially high failure susceptibility and because of insufficient accuracy.


The objective pursued by the research project aims at an improvement in quality of deep drawn parts and a decrease in the reject rate and thus the production costs by means of a blank input sensor. As a part of this research project, a thin-film inductive sensor for measuring the blank input will be created, implemented and tested. This inductive sensor can meet the high demands on fine measurement resolution and sensor integration without affecting the deep drawing process.
In order to achieve the research objective, the requirements for the inductive sensor and the forming tool need to be defined. Subsequently, the design and realisation of the inductive sensor and the forming tool will take place. A central issue for the implementation of the inductive sensors is the provision of a wear-resistant protective layer which has to withstand the environmental conditions during deep drawing. Key aspects of the forming tool are the integration of the sensor into the downholder and the integration of a tactile blank input measurement for reference purposes. After the integration of the inductive sensor into the forming tool, a systematic investigation on the impact of influencing factors on the sensitivity of the sensor will be performed.

Forschungsstelle TU Darmstadt, Staatliche Materialprüfungsanstalt

Ansprechpartner Heise

Laufzeit 01.03.2019 - 31.08.2021

Projektnummer P 1263

Förderung durch BMWi/AIF

Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts und dessen Validierung als Werkstoffparameter (ehemals VP 1194) / "Determination of the Intrinsic Threshold and its Validation as a Material Parameter"

Bei der schadenstoleranten Auslegung kann mittels bruchmechanischer Methoden die Restlebensdauer ermittelt und Inspektionsintervalle abgeleitet werden. Diese Vorgehensweise ist Stand der Technik, sofern die Paris-Gerade betroffen ist und keine Lastfolgeeffekte auftreten. In der Praxis werden viele Strukturen auf Lastniveaus beansprucht, die dem Schwellenwertbereich entsprechen. In diesem Bereich kann die ermittelte Restlebensdauer in hohem Maße überschätzt werden, was auf Defizite bei der Ermittlung des Schwellenwerts zurückzuführen ist. Der Schwellenwert ΔKth besteht aus einem intrinsischen Anteil ΔKth,eff und einem Rissschließeffekt bedingten Anteil ΔKth,op, der von vielen Einflussfaktoren abhängt (ΔKth = ΔKth,eff + ΔKth,op).


Die bruchmechanische Analyse wird zweckmäßigerweise auf der Grundlage rissschließkorrigierter Werte für ΔK durchgeführt. Somit wird der intrinsische Schwellenwert ΔKth,eff maßgebender Parameter der Werkstoffseite. Das hat erhebliche Vorteile, da ΔKth,eff vermutlich ein echter Werkstoffkennwert ist. Das und die potentielle Korrelation des Kennwertes mit den elastischen Werkstoffeigenschaften sowie Gitterkonstanten ermöglicht nicht nur eine genaue, sondern auch eine einfache und robuste Möglichkeit der Ermittlung der Restlebensdauer.
Schwerpunkte des Projekts sind der Vergleich verschiedener Methoden zur Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts und die Untersuchung des Umgebungseinflusses und der damit in Verbindung stehenden Belastungsfrequenz an einem korrosionsempfindlichen Stahl. Aus den gewonnen Erkenntnissen werden Empfehlungen zur Bestimmung des intrinsischen Schwellenwerts und für die schadenstolerante Auslegung abgeleitet.


Die potentielle Vereinfachung der Restlebensdaueranalyse kommt den Bedürfnissen von KMU entgegen, da deren Ressourcen hinsichtlich der Anwendung innovativer Methoden wie der Bruchmechanik begrenzter sind als die großer Unternehmen. Sie erleichtert zudem inhaltlich die Zusammenarbeit mit externen Dienstleistern.

 

Within the frame of damage tolerance component design, the residual lifetime and based on this inspection intervals can be specified. Today, the determination of residual lifetime is state-of-the-art as long as the applied load levels refer to the Paris line of the da/dN-ΔK diagram and are not influenced by loading sequence effects. However, in practical application, many components are loaded in the threshold range of that curves where a lot of questions are still not answered. One consequence of deficiencies in the determination of the fatigue crack propagation threshold ΔKth can be significant overestimation of the residual lifetime. The overall threshold consists of two components, an intrinsic one, ΔKth,eff and a second one caused by the so-called crack closure effects. Note that the latter depends on a large number of parameters however the former seems to be a material property. Expediently the fracture mechanics analysis is performed on the basis of crack-closure corrected ΔK values which have then to be compared with ΔKth,eff. Since the latter correlates with the elastic material properties and lattice constants this may offer an easy but resilient methodology for residual lifetime determination.


The main points of the project are the comparison of various methods for determining the intrinsic threshold ΔKth,eff and the investigation of the environmental effect and, in that context, the loading frequence on the threshold of a corrosion-sensitive steel. Based on the results, recommendations shall be phrased for the determination of the intrinsic threshold as well as for its application within the frame of damage tolerance considerations. The potential simplifications meet the needs of small and medium-sized enterprises. Their capabilities for applying innovative methodology such as fracture mechanics are limited, and they also contribute to an easier co-operation of such companies with external service providers.

Forschungsstelle RWTH Aachen, Schweißtechnik, Fügetechnik

Ansprechpartner Heise

Laufzeit 01.03.2019 - 28.02.2021

Projektnummer P 1350

Förderung durch BMWi/AIF

Einseitiges Widerstandselementschweißen für die stahlintensive Mischbauweise / One-sided resistance element welding for the steel-intensive multi

Das Forschungsvorhaben beabsichtigt die Untersuchung und Qualifizierung des Widerstandselementschweißens bei einseitiger Zugänglichkeit zur Fügestelle. Das Widerstandselementschweißen ist ein Fügeverfahren, welches die Verbindungausbildung zwischen NE-Werkstoffen (z.B. Aluminium, faserverstärkte Kunststoffe) und Stahlwerkstoffen ermöglicht. Dabei wird der NE-Werkstoff von dem Schweißprozess entkoppelt, sodass die stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Hilfsfügeelement und dem basisblechseitig angeordneten Stahlwerkstoff entsteht und das NE-Deckblech per Form- und Kraftschluss angebunden ist. Stand der Technik ist die Nutzung des Widerstandselementschweißens per zweistufiger Prozessabfolge und bei zweiseitiger Zugänglichkeit und somit stets mit Gegenlage. Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik, ist ein einseitiger Fügeprozess vorgesehen. Neben der Feststellung der Machbarkeit, werden die Prozessgrenzen ermittelt und die entstandenen Verbindungen bzgl. ihrer Eigenschaften hin untersucht. Die Umsetzung der gewonnenen Ergebnisse markiert einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung des Widerstandselementschweißens und der wirtschaftlichen Herstellung zukünftiger stahlintensiver Leichtbaustrukturen bei nur einseitiger Zugänglichkeit, wie z.B. die Profilbauweise im Multi-Material-Design. Im Forschungsvorhaben sollen Verfahrensgrundlagen dahingehend erarbeitet werden, dass die mechanischen und technologischen Eigenschaften der Verbindung beschrieben und der Fügeprozess charakterisiert werden kann. Die Entwicklung der benötigten Anlagentechnik und Hilfselemente stellen dabei zwei Meilensteine dar. Von den Projektergebnissen profitieren kmU aus den Bereichen der Schweißanlagenhersteller, der Nutzfahrzeugindustrie (Hersteller von Aufliegern, Kabinen oder Fahrgestellen) sowie Zulieferer der Automobilindustrie, letztere durch die Befähigung mit einem wirtschaftlichen Fügeverfahren Leichtbaukonstruktionen in stahlintensiver Mischbauweise zu fertigen.

 

 

The research project intends to investigate and qualify resistance element welding with one-sided accessibility to the joint. Resistance element welding is a joining process that enables the formation of joints between non-ferrous materials (e. g. aluminium, fibre-reinforced plastics) and steel materials. In this process, the non-ferrous material is decoupled from the welding process, so that the connection between an auxiliary joining element and the steel material on the base plate side is created and the non-ferrous metal cover plate is bonded by form-fitting and force-locking. The state of the art is the use of resistance element welding by means of a two-stage process sequence and with double-sided accessibility and thus always with a backing electrode. Compared to the current state of the art, a one-sided joining process is planned. In addition to determining the feasibility, the process limits are determined and the resulting compounds are examined with regard to their properties. The implementation of the obtained results represents an important contribution to the further development of resistance element welding and the economic production of future steel-intensive lightweight structures with only one-sided accessibility, such as the profile construction in multi-material design. The aim of the research project is to develop process fundamentals in such a way that the mechanical and technological properties of the joint can be described and the joining process can be characterised. The development of the required plant technology and auxiliary elements represent two milestones in this respect. The project results will benefit kmU from the sectors of welding equipment manufacturers, the commercial vehicle industry (semi-trailer, cabins or chassis manufacturers) and suppliers to the automotive industry, the latter of which is able to produce lightweight constructions in steel-intensive mixed construction using an economical joining process.

 

Forschungsstelle Institut für Füge- und Schweißtechnik, Technische Universität Braunschweig

Ansprechpartner Salomon

Laufzeit 01.03.2019 - 28.02.2021

Projektnummer R 1338

Förderung durch BMWi/AIF

Elektronenstrahlschweißen von Duplex-Stahl mit Nickelbasiszusatzwerkstoff ohne Verwendung der Wärmenachbehandlung / Electron beam welding of duplex stainless steels with nickel-based filler material and without post-weld heat treatment

Ferritisch-austenitische Duplex-Stähle kommen in einer Reihe von Branchen, wie z.B. dem gesamten Bereich der Halbzeugherstellung sowie im Maschinen-, Apparate- und Anlagenbau zum Einsatz. Bauteile aus Duplex-Stählen mit hoher Wanddicke (t > 12 mm), wie z.B. geschweißte Rohre, werden aus wirtschaftlichen und qualitativen Gründen bevorzugt mit dem Elektronenstrahl (EB) geschweißt. Die verfahrensspezifischen Prozessmerkmale des EB-Schweißens führen jedoch zur Ausbildung einer ungünstig wirkenden Mikrostruktur des Schweißgutes mit unzulässig hohem Ferrit-Gehalt von ca. 90 %. Dadurch kommt es in der Fügezone zu einer deutlichen Abnahme der Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen sowie der Korrosionsbeständigkeit. Zur Einstellung zulässiger Austenit/Ferrit-Gehalte müssen die Bauteile daher aktuell deswegen im Anschluss an den Schweißprozess Lösungsgeglüht werden.
Dieses Vorhaben dient der Entwicklung eines EB-Schweißprozesses, bei dem sowohl in der Schweißnaht als auch in der wärmebeeinflussten Zone zulässige Austenit/Ferrit-Gehalte eingestellt werden und die kostenintensive Wärmebehandlung entfallen kann. Dieses Ziel wird über die Verwendung von Nickelbasiszusatzwerkstoffen erreicht, da man mithilfe dieser die chemische Zusammensetzung und damit die Mikrostruktur der Schweißnaht gezielt beeinflussen kann. Weiter wird durch eine gezielte Schweißprozessmodifikation der Wärmeeintrag weiter reduziert, um die Breite der wärmebeeinflussten Zone zu verringern. Insgesamt wird so eine Verbindungsschweißung hergestellt, die den normativen Anforderungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und mechanisch-technologischer Eigenschaften entspricht, bei deutlich geringerem Fertigungsaufwand als aktuell notwendig. Der Ansatz wurde bereits im Rahmen von eigenen Vorversuchen bestätigt und soll nun in diesem Vorhaben zur industriellen Anwendbarkeit gebracht werden.

 

Ferritic-austenitic duplex stainless steels are used in a number of industries, such as the entire field of production os femifinished goods as well as in machine, apparatus and plant engineering. Components made of duplex steels with a high wall thickness (t > 12 mm), such as welded tubes, are preferably welded with the electron beam (EB) for economic and qualitative reasons. However, the process-specific process characteristics of EB-welding lead to the formation of an unfavourable microstructure of the weld metal with an impermissibly high ferrite content of approx. 90 %. This leads to a significant decrease in impact toughness at low temperatures and corrosion resistance in the fusion zone. For this reason, in order to set permissible austenite/ferrite contents, the components must be solution annealed after the welding process.
The aim of this project is development of an EB-welding process in which the permitted austenite/ferrite content in both the weld seam and the heat-affected zone is adjusted without the use of cost-intensive heat treatment. This objective is achieved by the use of nickel-based filler materials, as these can be used to specifically influence the chemical composition and thus the microstructure of the weld seam. Furthermore, the heat input is further reduced by a targeted modification of the welding process in order to reduce the width of the heat-affected zone. All in all, this produces a welded joint that meets the standard requirements with regard to corrosion resistance and mechanical-technological properties, with considerably less manufacturing effort than is currently required. The approach has already been confirmed in the framework of own preliminary tests and is now to be brought to industrial applicability in this project.

Forschungsstelle RWTH Aachen, Schweißtechnik, Fügetechnik

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.03.2019 - 31.08.2021

Projektnummer R 1361

Förderung durch BMWi/AIF

Quantitative Bewertung und effiziente Charakterisierung intrinsischer und extrinsischer Einflüsse auf die zyklischen Eigenschaften hochfester Stähle / "Quantitative evaluation and efficient characterisation of intrinsical and extrinsical influencing factors on the cyclic properties of high strength steels"

Die Zielsetzungen dieses Forschungsvorhabens sind die Weiterentwicklung des Mehrstufenversuchs zur Bauteilcharakterisierung, die systematische Untersuchung extrinsischer Einflussgrößen, die Betrachtung variabler Spannungsamplituden und die Bereitstellung einer computerbasierten Methodik zum Mikrostrukturdesign für die Werkstoffgruppe der hochfesten Stähle unter zyklischer Beanspruchung.
Für die beteiligten Unternehmen erbringen die Ergebnisse den folgenden Nutzen:

  • Kosteneinsparpotenzial durch beanspruchungsadaptierte Designauslegung und Zugänglichkeit neuer respektive weitreichenderer Einsatzgebiete hochfester Stähle und Messtechnik
  • Verfügbarkeit vorwettbewerblicher/m Methodik und Anwenderwissens zur
    - zeiteffizienten und effektiven Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung
    - rechnergestützten Mikrostrukturmodellierung
  • Erweitertes Verständnis der Schwingfestigkeit und deren Determinanten

Um die Ziele zu realisieren, wird eine dreistufige Vorgehenssystematik in enger Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss gewählt. Im ersten Schritt wird eine Methodik der zyklischen Versuchsführung (Mehrstufenversuche) wie auch der mikrostruktursensitiven Instrumentierung der Versuche qualifiziert. Der Einfluss von Vorverformungsgrad und Temperatur wird ermittelt. Simultan dazu und auf den Ergebnissen der zyklischen Versuche aufbauend, erfolgt die Weiterentwicklung des mikrostruktursensitiven Ermüdungsmodells. Dabei werden die Materialparameter für hochfeste Stähle adaptiert, eine experiment- und simulationsgestützte Parameterermittlung durchgeführt und darauffolgend zyklische Eigenschaften berechnet und validiert. Im Sinne realer Anwendungen mit oftmals zyklischer Beanspruchung unter variablen Amplituden, erfolgt abschließend die Validierung der Prüfmethodik und des Modells. Parallel dazu wird der Mikrostruktureinfluss auf die zyklischen Eigenschaften quantitativ beschrieben.

 

Within the proposed projects, both approaches shall be connected by efficient opitimization methods. This enables a fast and reliable identification of microstructure configurations, which provide the desired balance of wear resistance and toughness, by computer simulations. The project is of great economic importance for the steel industry as well as the utility vehicle sector.

Forschungsstelle RWTH Aachen, Schweißtechnik, Fügetechnik

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.03.2019 - 28.02.2021

Projektnummer P 1392

Förderung durch BMWi/AIF

Selbsterrichtende Onshore Windenergieanlagen mit Nabenhöhe größer 120 m - Hybridturm mit Hebevorrichtung zum Selbstaufbau / Self erecting onshore wind turbines with hub height greater than 120 m - Hybrid tower with lifting device for self erection

Ökonomische Krankonzepte zur Errichtung von Windenergieanlagen erreichen ihre Grenzen ab Nabenhöhen von 140 m, da ab dieser Höhe Spezialkraupenkrane zum Einsatz kommen müssen, die wegen ihrer übergroßen Komponenten teuer zu transportieren sind. Für Betontürme wird daher ein Konzept erforscht, welches eine Selbsterrichtung ermöglicht.
Im Rahmen des Forschungsprojektes soll daher eine selbsterrichtende Windenergieanlage mit Stahl-Hybridturm entwickelt werden. Diese besteht aus einem Gittermast (120m) mit aufgesetztem Stahlrohrtum (65m). Zur Reduktion der Errichtungskosten wird der Gittermast konventionell errichtet. Der Stahlrohrturm wird parallel im Inneren zusammengesetzt und temporär gegründet. Nach Fertigstellung des Gittermastes wird der Stahlrohrturm mittels eines Litzenhubsystems angehoben und die Gondel aufgesetzt. Abschließend wird der Stahlrohrturm inkl. Gondel in seine endgültige Position mittels Litzenhub verfahren. Die Aufnahme der Horizontalkräfte und Biegemomente währende des Hubvorgangs im Bereich des Übergangsstücks zwischen Gittermast und Stahlrohrturm erfolgt mit Hilfe von Hydraulikzylindern. Dazu wird im Rahmen des Projektes zunächst die Windenergieanlage vordimensioniert, wozu auch die Lastermittlung für den Bauzustand zählt (CWE). Anschließend wird das Übergangsstück dimensioniert, welches Litzenhubsystem und stabilisierende Zylinder aufnimmt. Die Zylinder werden so ausgelegt, dass die Turmschale keine zusätzlichen aussteifenden Elemente benötigt (STB). Die hydraulische und regelungstechnische Auslegung der Zylinder wird vom IFAS vorgenommen.Abschließend wird der Hubvorgang simuliert. Für den Gittermast werden Dimensionierungstools erstellt; die Windlasten auf den mehrstieliegen Gittermast werden im Windkanalversuch ermittelt (CWE). Das Verfahren sowie die Bemessungstools erhöhen die Wettbewerbsfähigkeit von KMU im Bereich von Stahl-Hybridtürmen, insbesondere in Anbetracht der aktuellen Entwicklungen im Bereich von Betontürmen.

 

Economical crane concepts for the erection of wind turbines reach their limits for hub heights exceeding 140 m, because from this height on special crawler cranes have to be used, which are expensive to transport because of their oversized components. For this reason, a concept for concrete towers is already under investigation that allows for self-erection of tower and nacelle.
Within the scope of the research project, a self-erecting wind turbine with a steel hybrid tower is developed, consisting of a lattice tower (120m) and a tubular steel tower (65m). To reduce the erection costs, the lattice tower is erected conventionally. The tubular steel tower is assembled in parallel inside the lattice tower. After completion of the lattice part, the tubular steel tower is lifted by means of a strand lifting system and the nacelle is placed on top of it. Finally, the tubular steel tower incl. nacelle is moved into its final position by means of a strand lift. The horizontal forces and bending moments during the lifting process in the area of the transition piece between lattice tower and tubular steel tower are taken by means of hydraulic jacks. The wind turbine will be pre-dimensioned within the scope of the project, including the determination of the loading for the construction phase (CWE). The transition piece is dimensioned to accommodate the strand lifting system and stabilising cylinders. The cylinders are designed such that the tower shell does not require any additional stiffening elements (STB). The hydraulic and control engineering design of the cylinders is carried out by IFAS, followed by a simulation of the lifting. Dimensioning tools are developed for the lattice tower; the wind loads on the multi-legged lattice tower are determined by means of wind channel tests (CWE). The procedure and the design tools increase the competitiveness of SMEs in the field of steel hybrid towers, especially in view of current developments in the field of concrete towers.

Forschungsstelle RWTH Aachen, Schweißtechnik, Fügetechnik

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.03.2019 - 31.08.2021

Projektnummer P 1361

Förderung durch BMWi/AIF

Quantitative Bewertung und effiziente Charakterisierung intrinsischer und extrinsischer Einflüsse auf die zyklischen Eigenschaften hochfester Stähle / Quantitative evaluation and efficient characterisation of intrinsical and extrinsical influencing factors on the cyclic properties of high strength steels

Die Zielsetzungen dieses Forschungsvorhabens sind die Weiterentwicklung des Mehrstufenversuchs zur Bauteilcharakterisierung, die systematische Untersuchung extrinsischer Einflussgrößen, die Betrachtung variabler Spannungsamplituden und die Bereitstellung einer computerbasierten Methodik zum Mikrostrukturdesign für die Werkstoffgruppe der hochfesten Stähle unter zyklischer Beanspruchung.
Für die beteiligten Unternehmen erbringen die Ergebnisse den folgenden Nutzen:

  •  Kosteneinsparpotenzial durch beanspruchungsadaptierte Designauslegung und Zugänglichkeit neuer respektive weitreichenderer Einsatzgebiete hochfester Stähle und Messtechnik
  •  Verfügbarkeit vorwettbewerblicher/m Methodik und Anwenderwissens zur
    - zeiteffizienten und effektiven Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung
    - rechnergestützten Mikrostrukturmodellierung
    - Erweitertes Verständnis der Schwingfestigkeit und deren Determinanten

Um die Ziele zu realisieren, wird eine dreistufige Vorgehenssystematik in enger Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss gewählt. Im ersten Schritt wird eine Methodik der zyklischen Versuchsführung (Mehrstufenversuche) wie auch der mikrostruktursensitiven Instrumentierung der Versuche qualifiziert. Der Einfluss von Vorverformungsgrad und Temperatur wird ermittelt. Simultan dazu und auf den Ergebnissen der zyklischen Versuche aufbauend, erfolgt die Weiterentwicklung des mikrostruktursensitiven Ermüdungsmodells. Dabei werden die Materialparameter für hochfeste Stähle adaptiert, eine experiment- und simulationsgestützte Parameterermittlung durchgeführt und darauffolgend zyklische Eigenschaften berechnet und validiert. Im Sinne realer Anwendungen mit oftmals zyklischer Beanspruchung unter variablen Amplituden, erfolgt abschließend die Validierung der Prüfmethodik und des Modells. Parallel dazu wird der Mikrostruktureinfluss auf die zyklischen Eigenschaften quantitativ beschrieben.

Within the proposed projects, both approaches shall be connected by efficient opitimization methods. This enables a fast and reliable identification of microstructure configurations, which provide the desired balance of wear resistance and toughness, by computer simulations. The project is of great economic importance for the steel industry as well as the utility vehicle sector.

 

Forschungsstelle RWTH Aachen, Schweißtechnik, Fügetechnik

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.03.2019 - 28.02.2021

Projektnummer P 1392

Förderung durch BMWi/AIF

Selbsterrichtende Onshore Windenergieanlagen mit Nabenhöhe größer 120 m - Hybridturm mit Hebevorrichtung zum Selbstaufbau / Self erecting onshore wind turbines with hub height greater than 120 m - Hybrid tower with lifting device for self erection

Ökonomische Krankonzepte zur Errichtung von Windenergieanlagen erreichen ihre Grenzen ab Nabenhöhen von 140 m, da ab dieser Höhe Spezialkraupenkrane zum Einsatz kommen müssen, die wegen ihrer übergroßen Komponenten teuer zu transportieren sind. Für Betontürme wird daher ein Konzept erforscht, welches eine Selbsterrichtung ermöglicht.
Im Rahmen des Forschungsprojektes soll daher eine selbsterrichtende Windenergieanlage mit Stahl-Hybridturm entwickelt werden. Diese besteht aus einem Gittermast (120m) mit aufgesetztem Stahlrohrtum (65m). Zur Reduktion der Errichtungskosten wird der Gittermast konventionell errichtet. Der Stahlrohrturm wird parallel im Inneren zusammengesetzt und temporär gegründet. Nach Fertigstellung des Gittermastes wird der Stahlrohrturm mittels eines Litzenhubsystems angehoben und die Gondel aufgesetzt. Abschließend wird der Stahlrohrturm inkl. Gondel in seine endgültige Position mittels Litzenhub verfahren. Die Aufnahme der Horizontalkräfte und Biegemomente währende des Hubvorgangs im Bereich des Übergangsstücks zwischen Gittermast und Stahlrohrturm erfolgt mit Hilfe von Hydraulikzylindern. Dazu wird im Rahmen des Projektes zunächst die Windenergieanlage vordimensioniert, wozu auch die Lastermittlung für den Bauzustand zählt (CWE). Anschließend wird das Übergangsstück dimensioniert, welches Litzenhubsystem und stabilisierende Zylinder aufnimmt. Die Zylinder werden so ausgelegt, dass die Turmschale keine zusätzlichen aussteifenden Elemente benötigt (STB). Die hydraulische und regelungstechnische Auslegung der Zylinder wird vom IFAS vorgenommen.Abschließend wird der Hubvorgang simuliert. Für den Gittermast werden Dimensionierungstools erstellt; die Windlasten auf den mehrstieliegen Gittermast werden im Windkanalversuch ermittelt (CWE). Das Verfahren sowie die Bemessungstools erhöhen die Wettbewerbsfähigkeit von KMU im Bereich von Stahl-Hybridtürmen, insbesondere in Anbetracht der aktuellen Entwicklungen im Bereich von Betontürmen.

Economical crane concepts for the erection of wind turbines reach their limits for hub heights exceeding 140 m, because from this height on special crawler cranes have to be used, which are expensive to transport because of their oversized components. For this reason, a concept for concrete towers is already under investigation that allows for self-erection of tower and nacelle.
Within the scope of the research project, a self-erecting wind turbine with a steel hybrid tower is developed, consisting of a lattice tower (120m) and a tubular steel tower (65m). To reduce the erection costs, the lattice tower is erected conventionally. The tubular steel tower is assembled in parallel inside the lattice tower. After completion of the lattice part, the tubular steel tower is lifted by means of a strand lifting system and the nacelle is placed on top of it. Finally, the tubular steel tower incl. nacelle is moved into its final position by means of a strand lift. The horizontal forces and bending moments during the lifting process in the area of the transition piece between lattice tower and tubular steel tower are taken by means of hydraulic jacks. The wind turbine will be pre-dimensioned within the scope of the project, including the determination of the loading for the construction phase (CWE). The transition piece is dimensioned to accommodate the strand lifting system and stabilising cylinders. The cylinders are designed such that the tower shell does not require any additional stiffening elements (STB). The hydraulic and control engineering design of the cylinders is carried out by IFAS, followed by a simulation of the lifting. Dimensioning tools are developed for the lattice tower; the wind loads on the multi-legged lattice tower are determined by means of wind channel tests (CWE). The procedure and the design tools increase the competitiveness of SMEs in the field of steel hybrid towers, especially in view of current developments in the field of concrete towers.

 

Forschungsstelle TU München, Baustoffe / MetallbauI1358

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.02.2019 - 31.07.2021

Projektnummer P 1349

Förderung durch BMWi/AIF

Stabbündelstützen mit hochfestem Bewehrungsstahl / Bar bundle colunms with high-strength reinforcing steel

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von neuartigen brandsicheren, hochtragfähigen und gleichzeitig schlanken Verbundstützen. Zu diesem Zweck wird ein Stabbündel aus hochfestem Bewehrungsstahl mit einer Streckgrenze von 670 N/mm² in ein mit Mörtel verpresstes Stahlrohr eingestellt. Da eine dickenabhängige Streckgrenzenreduktion der Bewehrungsstähle aufgrund der marktüblichen Durchmesser (kleiner 75 mm) nicht erforderlich ist, können die hohen Streckgrenzen voll ausgenutzt werden. Durch Bündelung von Stäben sind zudem hohe Füllgrade der Querschnitte möglich, so dass Tragfähigkeiten erreicht werden, wie sie sonst nur mit wesentlich größeren Querschnittsabmessungen möglich sind.


Sowohl Stahl- als auch Verbundstützen sind seit Jahrzehnten Gegenstand der Forschung, so dass hier umfangreiche Kenntnisse vorliegen, die als wichtige Grundlagen für das Forschungsprojekt angesehen werden können. Stabbündel aus hochfesten Werkstoffen wurden hingegen bisher nicht erforscht. Bei dieser neuartigen Konstruktionsform treten Fragestellungen auf, die das Tragverhalten der Stützen beeinflussen und im Rahmen des Forschungsprojektes geklärt werden sollen. Um den wirtschaftlichen Erfolg einer Bauweise sicherzustellen, sind neben den Fragen zur Tragfähigkeit bei Raumtemperatur und im Brandfall auch Fragen zur Konstruktion und zur Herstellung der Stützen zu beantworten. Dazu gehört neben dem Bündeln der Stäbe, dem Einführen der Stäbe in das Hohlprofil und dem anschließenden Verpressvorgang vor allem die konstruktive Ausbildung des Lasteinleitungsbereiches sowie das Trag- und Verformungsverhalten hochfester Bewehrungsstähle bei Hochtemperaturbeanspruchung.


Im Projekt sind neben Untersuchung der konstruktiven und herstellungstechnischen Durchbildung der Stützen Traglastversuchen an Stützen bei Raumtemperatur sowie unter ETK-Belastung geplant. Des Weiteren sollen die Materialeigenschaften von hochfestem Bewehrungsstahl bei hohen Temperaturen bestimmt werden.

 

In this research project, a new type of fire resistant, stable and at the same time slender composite column is developed and analysed. To this purpose, a bunch of high-strength reinforcing bars with a yield strength equal to 670 N/mm² is inserted in a steel pipe and then grout injected.


Since the diameter of the reinforced steel bars is less than 75 mm a strength reduction due to material thickness influences is not necessary. In addition, the bundling of steel bars results in a high percentage of steel relating to the whole cross section. Because of that, the new type of composite column reaches load carrying capacities being usually typical for columns with significant larger cross section dimensions. In addition to that, the heating behaviour is clearly better compared to composite columns with a full cross section.


Within the last decades, a lot of research has been done in respect to steel and composite columns – especially by the involved research institutes. Thus, this project is based on an excellent basis of knowledge and experiences. However, bundles of high-strength reinforced steel have not been part of any research until now.
Hence, the focus of the project is put on the load carrying behaviour and the fire resistance of the new column type. In addition, the load capacities and deformations of high strength reinforcing steel at high temperature loading are analysed. For ensuring its economic success, it is also necessary to cover aspects of construction and production methods. This involves the investigation of the bundling process, the inserting in the steel pipe, the grout injecting and especially the design and execution of the load application.


The above-mentioned aspects of production, design and production are to be explored by load-bearing tests at room temperature as well as according the uniform temperature curve (ETK). Furthermore, the material properties of high strength reinforcing steel at high temperatures have to be determined.

 

Forschungsstelle TU Dortmund, Stahlbau

Ansprechpartner Dr. Nüsse

Laufzeit 01.01.2019 - 30.06.2021

Projektnummer P 1390

Förderung durch Stiftung

Dauerhafter Stahl- und Verbundbrückenbau aus nichtrostendem Stahl / Durable steel and composite bridge construction made of stainless steel

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung und Bereitstellung der notwendigen wissenschaftlich und technisch erforderlichen Erkenntnisse zum optimierten Nachweis, Konstruktion und Fertigung von Stahl- und Verbundbrücken aus nichtrostendem Stahl im Bereich kleiner und mittlerer Spannweiten. Der zentrale Leitgedanke bei der Gestaltung der Konstruktion ist die Verbindung der gestaltungs- und fertigungstypischen Besonderheiten mit der herausragenden Anmutung des nichtrostenden Stahls. Der Nachhaltigkeit wird durch die Betrachtung der Lebenszykluskosten ein besonderer Augenmerk gewidmet.
Zu diesem Zweck sind verschiedene Arbeiten durchzuführen, die in folgende Hauptbereiche gegliedert sind:

  • Weiterentwicklung der Bemessungsvorschriften der EN 1993-1-4 zur realitätsnahen Bemessung und wirtschaftlichen Ausführung von Brücken aus nichtrostendem Stahl. Dabei werden basierend auf experimentellen und numerischen Untersuchungen die Regelungen zur Beultragfähigkeit und der Querschnittsklassifizierung präzisiert.
  • Entwickeln von Regelungen zur Werkstoffwahl zur Vermeidung von Sprödbrüchen in Anlehnung an das Konzept der EN1993-1-10. Dazu wird ein bruchmechanisch basiertes Konzept zur Stahlgütewahl für geschweißte Konstruktionen bei Tieftemperaturen, wie sie im Brückenbau vorkommen, durchgeführt.
  • Entwicklung eines architektonisch-ingenieurtechnisch optimierten Brückentragwerks.

Nachhaltigkeitsbewertung zum Neubau, der Unterhaltung und Weiterverwendung nichtrostenden Stahls nach Lebensdauer der Brücke
Die Bereitstellung der Forschungsergebnisse in einem Leitfaden zur Anwendung nichtrostenden Stahls im Brückenbau wird an die normativen Regelungen der EN1993-1-4 angepasst. Die Mitwirkung der öffentlichen Bauherren im projektbegleitenden Ausschuss gewährleistet eine hohe Akzeptanz der Forschungsergebnisse und ermöglicht damit deren konfliktfreie und rasche Anwendung.

The aim of the research project is to develop and provide the necessary scientific and technical knowledge for the optimized design, construction and manufacture of steel and composite bridges made of stainless steel in the area of small and medium spans. The central goal in the design of the construction is to combine the design and production-typical features with the outstanding appearance of stainless steel. Special attention is paid to sustainability by considering life cycle costs.
For this purpose, various work is to be carried out, which is divided into the following main areas:

  • Further development of the design regulations of EN 1993-1-4 for realistic design and economical construction of bridges made of stainless steel. Based on experimental and numerical investigations, the regulations for buckling load-bearing capacity and cross-section classification are specified.
  • Development of regulations for material selection to avoid brittle fractures in accordance with the concept of EN1993-1-10 by implementing a fracture-mechanically based concept for steel quality selection for welded constructions at low temperatures, as they occur in bridge construction.
  • Development of an architectural and mechanical optimized bridge structure.
  • Sustainability assessment for new construction, maintenance and further use of stainless steel after the bridge's service life
    The provision of the research results in a guideline on the use of stainless steel in bridge construction will be adapted to the normative regulations of EN1993-1-4. The participation of public builders in the project-accompanying committee guarantees a high acceptance of the research results and thus enables their conflict-free and fast application.

Forschungsstelle VDEh-Betriebsforschungsinstitut, Düsseldorf

Ansprechpartner Dr. Keul

Laufzeit 01.01.2019 - 30.06.2021

Projektnummer P 1365

Förderung durch BMWi/AIF

Modellierung des Verschleißverhaltens von beschichteten Umformwerkzeugen für die Kaltmassivumformung mittels experimenteller und numerischer Methoden am Beispiel Flachwalzen (ehemals VP 1260) / Modeling of the wear behaviour of coated tools in cold solid forming with experimental and numerical methods by example of flat rolling

Das Projektziel besteht in der Entwicklung einer Methodik zur Bewertung von geeigneten Verschleißschutzschichten für Umformwerkzeuge unter den spezifischen Prozessparametern der Kalt- Umformung am Beispiel Flachwalzen von Stahlband. Die Methodik basiert auf versuchstechnisch ermittelten Kennwerten, welche zur Parametrierung von numerischen Simulationsmodellen zur Bestimmung der Schichthaftfestigkeit und der Schichtlebensdauer verwendet werden. Die Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse auf eine Vielfalt roll-, wälz-, und gleit-beanspruchter Bauteile macht das Projekt für KMUs (nicht nur aus dem Fachbereich Umformtechnik) besonders interessant. Zur Ermittlung der Simulationsmodell-Randbedingungen sind zahlreiche Tests und Prüfungen erforderlich. Die Bestimmung der Schichthaftfestigkeiten ist dabei eine besondere Herausforderung mit Innovationspotential. Die (umform-)prozess-beeinflussenden Parameter werden durch Makro-FEM Modelle ermittelt. Das Ergebnis dieser Simulationenen sind Spannungs- und Deformationszustände der Umformwerkzeugstruktur in Abhängigkeit vom Umformprozess (Geometrien,Material,Kräfte,Reibung,Geschwindigkeit,Flächenpressung). Die darauf basierenden Meso-FEM-Modelle simulieren das Delaminationsverhalten der Beschichtung in Abhängigkeit vom Prozess und der Beschichtungsoberflächen. Zur Bestimmung der Versagenswahrscheinlichkeit der Beschichtung wird ein semi-empirisches Verschleißmodell entwickelt. Die Modellverifizierungen werden mittels eines 3-Rollen-Verschleißprüfstandes durchgeführt. Mit dem beschriebenen Modellen ist es möglich, eine gezielte Auswahl einer Verschleißschutzschicht für ein Umformwerkzeug , ohne aufwändige Feldversuche, vorzunehmen. Eine damit einhergehende Verbesserung des Verschleißschutzes erhöht die Werkzeugstandzeiten und senkt die Produktionsstillstände.

 

The project target consists in the development of a method for the assessment of applicable wear protective layers for metal forming tools under process parameters of the cold-metal forming technology by the example of flat rolling. The method bases on technical tests. The test results are boundary conditions of numerical simulation models for the determination of the adhesion strengths and the life time of the layers. The result transfer to other technical parts under influence of combined roll- and slide loaded contacts makes the projekt interesting for KMUs. For the definition of the various boundary conditions a lot of tests are essential. A special task is the determination of the adhesion strengts of the layers with potential for innovation. The relevant process parameters are specified by FE-models on the macro-scale. The results of these simulations models are the stress- and deformation states of the forming tool structure depended on the metal forming process (geometries, materials, forces, frictions, velocoties, surface pressures). In the following step FE-models on the meso-scale are developed, based on the macro models. The results of these models are the behaviour of the layer delamination in consideration of the surface roughness and the load cycles on the tool. The failure probability and the model verification will be performed by a 3-roll-wear-test stand. The benefit of the KMUs is the possibility of a targeted choose of a wear protective coating for their metal forming tools, without expensive field tests.

Laufzeit 01.01.1970 - 01.01.1970

Projektnummer

Entwicklung eines lernenden Umwandlungs- und Dilatometermodells zur virtuellen Prozessauslegung von Presshärtprozessen

Laufzeit 01.01.1970 - 01.01.1970

Projektnummer

Einfluss von Oberflächenbeschichtungen auf die flüssigmetallinduzierte Rissbildung beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stahlfeinblechen (ehemals VP 1276)