Above ground steel storage tanks are used worldwide for the storage of various liquids. EN 14015:2005, which has traditionally been used to design the tanks, does not necessarily fulfil the requirements of the Swedish Building Code. This has been underlined by hand calculation models in EN 1993-1-6:2007, EN 1993-4-2:2007 and numerical analysis using Finite Element Method (FEM). Therefore, this thesis investigates the differences between these design models and, preliminarily, the use of high-strength steel in tank shells. A 10600 m3 cylindrical steel tank of diameter 26 m and height of 21 m located in Gothenburg, Sweden is studied. The study is limited to the assessment of the stress in the shell courses due to the hydrostatic pressure from the fluid action of a filled tank, and the buckling behaviour of the shell courses of an empty tank subjected to self-weight, snow and wind loads. Particularly, models of the tank shell with a yield strength of 355 MPa are investigated in detail, while the results of the 700 MPa model are considered as preliminary study, since the material is currently not used for tank shells. An analysis of the fluid action on the tank shell courses in each of the three hand calculation models, showed that the EN 14015 model utilizes thicker courses than both Eurocodes. One benefit of the Eurocode models is that they do not limit the thickness of the shell courses, but it is still necessary to have thicker courses in the upper part of the tank in order to achieve sufficient resistance against buckling. EN 14015:2005, on the other hand, limits the minimum thickness to 6 mm for the investigated tank. Furthermore, only EN 1993-1-6 is applicable to the models with a yield strength of 700 MPa as per EN 1993-1-12 and this resulted in a uniform shell thickness of 6 mm. However, an increase in yield strength has no buckling benefits whatsoever.  Buckling is the most critical aspect as observed in this study. EN 14015 has no specific buckling calculations but uses the approach of determining the number of stiffening rings which are deemed adequate against buckling. In this study, 3 secondary stiffening rings were found to be adequate. In comparison, the results of EN 1993-4-2 are very conservative and lead to a very high and uneconomical number of stiffening rings, ranging from 30 to 52 stiffening rings depending on the reliability class. EN 1993-1-6 resulted in 6-17 stiffening rings, for reliability classes 1-3 and fabrication classes A-C. Therefore, the so-called analytical models in the Eurocodes result in a much denser spacing of stiffening rings than 14015:2005.  The buckling stresses due to the design loads were found to be lower than the yield strength of the tank shells for both hand calculation and FEM models. This means that the tank shells failed in buckling before the yield strength of the material was reached. Based on the parametric study of the EN 1993-1-6 (355 MPa) model regarding reliability class 1 and fabrication class A using FEM, the spacing of the stiffening rings can be increased up to 60 % (from 3825 mm to 6120 mm) with the variable loads also increased simultaneously up to 3.8 times before the shell buckles. Therefore, the design of future tanks using numerical analysis guarantee’s more reliability than all the aforementioned standards.  The design for buckling according to EN 14015 is only valid for a design snow load and under-pressure ≤ 1.2 KN/m2. However, according to the standard itis possible to agree to use it for larger actions or use another design model for buckling.

In der serienmäßigen Verarbeitung von hochfesten Feinkornbaustählen zeigte sich, dass verschiedene Stähle gleicher Festigkeitsklasse zu stark unterschiedlichen Schweißergebnissen beim Laserstrahltiefschweißprozess führen können. Die materialbedingten Einflüsse auf das Schmelzbadverhalten sind bisher in keiner bekannten Forschungsarbeit untersucht worden. Diese Arbeit erweitert die bisherige Forschung mit neuen Erkenntnissen aus umfangreichen Materialanalysen und Schweißversuchen. Dadurch wurde es möglich, ein ganzheitliches Erklärungsmodell der materialbedingten Einflüsse beim Laserstrahltiefschweißprozess zu beschreiben. Diese Arbeit fokussierte sich einerseits auf die Analyse der chemischen Zusammensetzung der Grundmaterialien und die Auswirkungen der Legierungselemente auf die Schweißnahtvorbereitung in Kombination mit dem Vorprozess Laserstrahlbrennschneiden. Andererseits wurde gezielt die Auswirkung der chemischen Grundmaterialzusammensetzung auf das Schmelzbadverhalten im Laserstrahltiefschweißprozess untersucht. Dabei wurden die Blechstärken so variiert, dass durchgeschweißte und nicht durchgeschweißte I-Naht-Verbindungen, geschweißt unter konstanten Schweißbedingungen, analysiert werden konnten. Die Schweißparameter und der Hilfsstoffeinsatz wurden dabei konstant gehalten, sodass Vergleichsanalysen der Schweißergebnisse möglich waren. Bei durchgeschweißten Stößen wurde die Schmelzbadoberfläche, aber auch die Schmelzbadunterseite per Hochgeschwindigkeitskamera inkl. Laserlichtfilter analysiert. Bei nicht durchgeschweißten Stößen wurde die Wirkung der verschiedenen Schnittkantenzustände auf das Einschweißverhalten und die Einbrandgeometrie an mehr als 100 Makroschliffen untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass die Art der Schnittkantenbehandlung nach dem Laserstrahlbrennschneidprozess materialbedingt zu unterschiedlichen Schnittkantenzuständen führt. Diese können in weiterer Folge die Schweißergebnisse stark beeinflussen. Auch bei mechanisch bearbeiteten Schweißnahtvorbereitungen wurden grundwerkstoffbedingte Unterschiede in der Einbrandform und im Erstarrungsgefüge nachgewiesen. Unbehandelte und somit schnittoxidbehaftete Schnittkanten bzw. auch Schweißnahtvorbereitungen mit manuell aufgetragenem SiO2 führen zu einer Stabilisierung der Dampfkapillare und erhöhen die Einschweißtiefe signifikant. Die positive Wirkung von Oxiden, welche direkt in der Schweißfuge dem Schmelzbad zugeführt werden, wurden mit den experimentellen Versuchen in dieser Arbeit erstmals nachgewiesen. Bei den gewählten Schweißparametersätzen stellen die Oxide in der Schweißfuge die dominierende Einflussmöglichkeit beim Laserstrahltiefschweißprozess dar. Vergleiche der mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften bei unterschiedlichen Schnittkantenzuständen und Schweißversuche mit unterschiedlichen Schutzgaszusammensetzungen zeigten die Auswirkungen der verschiedenen Fugenvorbereitungen auf die Schweißergebnisse. Durch die Kombination der bisherigen Erkenntnisse aus der Forschung mit den neu gewonnenen Erkenntnissen aus dieser Arbeit, konnte ein ganzheitliches Erklärungsmodell aufgestellt werden, das die Einflüsse der Grundmaterialzusammensetzung entlang der Prozesskette beschreibt und die materialabhängigen Unterschiede der Schweißergebnisse aus dem Laserstrahltiefschweißprozess nachvollziehbar macht. Die Erkenntnisse dieser Arbeit ermöglichen ein erhöhtes Prozessverständnis und zeigen neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung in der Blechverarbeitungsprozesskette mit Lasertechnologien.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Technik 4 Experimentelles 5 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 6 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 7 Schlussfolgerungen und Ausblick / In the industrial series processing of high-strength fine grain steels, it was found that different steels of the same strength class can lead to different welding results by the laser beam keyhole welding process. The material-related influences on the molten pool behavior have not yet been investigated in any known research. This research work extends the state of knowledge with new findings from extensive material analysis and welding tests. This new findings made it possible to describe a holistic explanatory model of the material-related influences in the laser beam keyhole welding of high-strength fine grain steels. On the one hand, this work focused on the analysis of the chemical composition of the base materials and the effects of the alloying elements on the weld preparation in combination with the laser cutting process. On the other hand, the effect of the chemical base material composition on the melt pool behavior during laser keyhole welding process was specifically investigated. The welding parameters and the use of filler material were kept constant so that comparative analysis of the welding results was possible. The sheet thicknesses were varied so that full penetration and partly penetration I-seam-butt-welds could be analyzed. While welding full penetration welds, the surface of the molten pool as well as the root of the melt pool was analyzed by a high-speed camera equipped with laser light filter. For the partly penetration welds, the effect of the different cutting edge conditions on the penetration depth and the weld penetration geometry was investigated on more than 100 macro sections. The investigations have shown that the type of cut edge treatment after the laser beam cutting process leads to different cutting edge conditions depending on the material. These different conditions can subsequently strongly influence the welding results. Base-material-related differences in the penetration shape and in the solidification structure were detected in the cross sections even on seams welded on mechanically processed edge preparations. After laser beam cutting, untreated and thus cut-oxide-containing cut edges lead to a stabilization of the keyhole and increase the penetration depth significantly. This effect could also be observed with manually applied SiO2 on the mechanically processed edge preparations before welding. The positive effects of oxides, which are existing directly in the weld preparation groove, were first detected with the experimental investigations during this work. With regard to the selected welding parameter sets, the oxides that are directly on the weld preparation edges are the dominant influence option in the laser beam keyhole welding process. Comparisons of the mechanical-technological joint properties at different cutting edge conditions and welding tests with different protective gas compositions showed the impacts of various joint preparations on the final welding results. By combining previous experience with the results of this work, a holistic explanatory model was developed, which describes the influence of the base material composition along the process chain and makes the material-dependent differences of the welding results of the laser beam keyhole welding process comprehensible. The findings of this work enable a better understanding of the process and show new possibilities for increasing efficiency in the concerned sheet metal processing chain with laser technologies.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Technik 4 Experimentelles 5 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 6 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 7 Schlussfolgerungen und Ausblick

The presented paper deals with a theoretical analysis of the ultimate limit state. The results of experimental research carried out at the Institute of Metal and Timber Structures headed by Assoc. Prof. Karmazinová and Professor Melcher were applied. The geometrically and materially nonlinear solution based on the Timošenko’s solution is verified by the FEM model in the computer programme system ANSYS. The random influence of initial imperfections is taken into consideration. The FEM model also includes the influence of residual stress. In the parametric study, the influence of residual stress on the cross-section plastification is researched into, its influence on the load carrying capacity limit is, together with the influence of other imperfections, the subject of the stochastic analysis, applying the Latin Hypercube Sampling (LHS). Further on, the study proves a direct effect of the concrete part of the cross-section (combination of materials steel-concrete) on the decrease of load carrying capacity limit of the beam caused by influence of the residual stress of steel. With regard to the importance of time dependent phenomena of the concrete creep for the load carrying capacity, the studies given in the Ph.D. thesis are oriented in this respect. The parametric studies of the influence of the concrete creep having applied the Standard Eurocode 2 provide both a comparison of load carrying capacity limits when using common and high-strength concrete types, and also the variability of load carrying capacities. It follows from the comparison of the statistical analysis outputs according to the design reliability conditions of the Standard EN1990 and of the approach of Eurocode 4 that the Eurocode 4 can be recommended for dimensioning of this member type. According to the studies which we carried out, the design in compliance with Eurocode 4 can be evaluated as the reliable one. A larger set of experimental data is necessary to determine the economy.

In der Arbeit werden spezielle Kupferlote im MIG- und Laserlötverfahren an Stählen mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten untersucht. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, den Lötprozess durch den Einsatz spezieller Kupferbasislote zu optimieren und durch reduzierten Energieeintrag ein homogeneres Eigenschaftsfeld im Bereich der Fügestelle zu erzeugen. Den Verarbeitern dieser Werkstoffe soll die Möglichkeit gegeben werden, diese Werkstoffe rationeller und mit höherer Effektivität zu verarbeiten. Im Ergebnis der Arbeit sollen Verbesserungen der Eigenschaften der Lötnähte erzielt werden, die besonders in der Dünnblechverarbeitung mit Schwerpunkt Karosseriebau Anwendung finden. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, eine Erhöhung der Fügegeschwindigkeit, die Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens sowie eine Reduzierung der eingebrachten Wärmeenergie. Die Vielfältigkeit dieser Anforderungen macht es notwendig, die Versuche sowohl im Laser- als auch im MIG-Lötverfahren durchzuführen. Die Lötverfahren werden in der Praxis für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Karosserie eingesetzt. Das Fügen von hochfesten Strukturelementen oder Außenhautbauteilen erfordert in Abhängigkeit von den Anforderungen die Verwendung ausgewählter Zusatzwerkstoffe. Die Vielfältigkeit der Werkstoffe und der Anforderungen spiegelt sich in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wieder. Für weitergehende Untersuchungen, speziell im hochfesten Blechbereich, soll die Arbeit entsprechende Grundlagen bieten. Als Vorlage für die Erarbeitung von experimentellen und theoretischen Methodiken der Prozessbetrachtung werden neben typischen Kupferloten neu entwickelte Lotlegierungen verwendet. Bei der Betrachtung der Kupferlegierungen werden die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fügeprozess definiert und beschrieben. Es wird festgestellt, dass niedrig schmelzende Lote mit ausgewählter Legierungszusammensetzung im Gegensatz zu Eisenbasis-Schweißdrähten einen geringeren negativen Einfluss auf das Gefüge der Bleche im Nahtbereich ausüben. Um die thermische Beanspruchung, besonders in der Wärmeeinflusszone, während des Fügeprozesses gering zu halten, kann zusätzlich eine geeignete Stromquellentechnik zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des „kalten“ Lichtbogens ist es möglich, die eingebrachte Streckenenergie weiter zu reduzieren. Faktoren, die den Energieeintrag beeinflussen, werden in der vorliegenden Arbeit in experimentellen und theoretischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Festigkeitsverhalten betrachtet. Es werden durch geeignete Legierungskombinationen die Einflüsse auf die Steigerung der Lötgeschwindigkeit und auf eine Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Informations- und Beweisbasis für die erarbeiteten Legierungssysteme und ermöglichen es, den optimierten Lötprozess an hochfesten Stahlblechen wissenschaftlich zu betrachten. Die Auswertung der wissenschaftlichen Experimente, dargestellt in den angefügten ausführlichen Tabellen, stellen die Zusammenhänge zwischen der Legierungsauswahl und der eingebrachten Streckenenergie dar. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Arbeit sollen für das Fügen von hochfesten Blechen die Entscheidung über die Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe erleichtern. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen anhand mathematischer Modelle zur Beschreibung der physikalischen Prozesse der Wärmezufuhr durch Verwendung eines ausgewählten Lotes in Kombination mit geeigneter Stromquellentechnologie sind die Grundlage für die Optimierung des Lötprozesses. Die vorgeschlagenen Modelle zur Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenlötprozessen mit neu entwickelten Lotlegierungen wurde im Rahmen der vorgelegten Arbeit an realen Blechqualitäten angewendet und überprüft. In den Ergebnissen hat sich bestätigt, dass die Verwendung spezieller Kupferlote zu verbesserten Verarbeitungseigenschaften führen, und damit Konzepte zum wirtschaftlich verbesserten Fügen angeboten werden.:Inhalt 1. Einleitung. Kritische Bewertung der Literatur und Problemanalyse. 11 Perspektiven 1.1. Bedeutung des Lichtbogenlötens an höherfesten Stahlblechen 11 1.2. Entwicklungsstand bei höherfesten Dünnblechen und geeigneten 12 Lotwerkstoffen 1.3. Lichtbogenlöten an höherfesten Stahlblechen und Verfahrensgrenzen 15 2. Wissenschaftliche Problemstellung und Lösungsmöglichkeiten 16 2.1. Problemdarstellung 17 2.1.1. Problematik hochfester Grundwerkstoff 18 2.1.2. Löten vs. Schweißen 18 2.2. Lösungsstrategien und angestrebte Lösungswege 20 3. Theoretische Herleitung eines Mehrphasenmodells auf Kupferbasis 22 mit erhöhten Festigkeitseigenschaften 3.1. Voraussetzungen für die Legierungsbildung in Kupfer 22 3.2. Einfluss wesentlicher Legierungselemente auf die Eigenschaften von 26 Kupferlegierungen 3.2.1. Silizium 26 3.2.2. Aluminium 28 3.2.3. Mangan, Nickel, Zinn, Silber, Mikrolegierungselemente 29 3.3. Ermittlung optimierter Legierungen 30 3.4. Gieß- und ziehtechnische Einschränkungen 33 4. Versuchsdurchführung und Untersuchungsmethoden 34 4.1. Laserlöten 34 4.1.1. Grundwerkstoffe 34 4.1.2. Lote 34 4.1.3. Versuchsaufbau 36 4.1.4. Festlegung der Prozessdaten 37 4.1.5. Versuchsdurchführung 39 4.1.5.1. Bördelnaht DX54D+Z100 39 4.1.5.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 40 4.1.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel bei unterschiedlichen 41 Lötgeschwindigkeiten 4.1.5.4. Korrosionsverhalten 43 4.2. MIG-Löten 44 4.2.1. Grundwerkstoffe 44 4.2.2. Lote 44 4.2.3. Versuchsaufbau 45 4.2.4. Messdatenerfassung 47 4.2.5. Versuchsdurchführung 48 4.2.5.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 48 4.2.5.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 49 4.2.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel 49 4.2.5.4. Untersuchung des Wärmeeintrages 50 4.2.5.5. Phosphatierungsverhalten 51 5. Versuchsauswertung 52 5.1. Laserlöten 52 5.1.1. Visuelle Prüfung 52 5.1.1.1. Bördelnaht DX54D+Z100 52 5.1.1.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 55 5.1.2. Statische Zugversuche 56 5.1.2.1. Bördelnaht DX54D+Z100 57 5.1.2.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 58 5.1.3. Mikroskopische Untersuchungen 60 5.1.3.1. Bördelnaht DX54D+Z100 60 5.1.3.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 63 5.1.4. Benetzungsverhalten 65 5.1.5. Beurteilung des Korrosionsverhaltens 67 5.2. MIG-Löten 69 5.2.1. Visuelle Prüfung 69 5.2.1.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 69 5.2.1.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 71 5.2.2. Statische Zugversuche 73 5.2.2.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 73 5.2.2.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 75 5.2.3. Härteverläufe 80 5.2.3.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 80 5.2.3.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 82 5.2.4. Mikroskopische Untersuchungen 83 5.2.4.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 83 5.2.4.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 86 5.2.5. Benetzungsverhalten 87 5.2.6. Schutzgas 89 5.2.7. Thermische Untersuchung 90 5.2.8. Phosphatierungsverhalten 92 6. Betrachtung von Optimierungskriterien 94 6.1. Werkstofftechnische Betrachtungen 95 6.1.1. Legierungssysteme 95 6.1.2. Einfluss von Oberflächenbeschichtungen 96 6.1.3. Streckenenergiebetrachtungen 96 6.2. Betrachtung des Einflusses von Nahtgeometrie, Schutzgas und 96 Gerätetechnik 6.2.1. Nahtgeometrie 96 6.2.2. Gerätetechnik 97 7. Übertragung der Ergebnisse auf andere hochfeste Stähle 97 8. Erprobung unter seriennahen Bedingungen 99 9. Zusammenfassung und Ausblick 101 10. Anhang 104

In der Arbeit werden spezielle Kupferlote im MIG- und Laserlötverfahren an Stählen mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten untersucht. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, den Lötprozess durch den Einsatz spezieller Kupferbasislote zu optimieren und durch reduzierten Energieeintrag ein homogeneres Eigenschaftsfeld im Bereich der Fügestelle zu erzeugen. Den Verarbeitern dieser Werkstoffe soll die Möglichkeit gegeben werden, diese Werkstoffe rationeller und mit höherer Effektivität zu verarbeiten. Im Ergebnis der Arbeit sollen Verbesserungen der Eigenschaften der Lötnähte erzielt werden, die besonders in der Dünnblechverarbeitung mit Schwerpunkt Karosseriebau Anwendung finden. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, eine Erhöhung der Fügegeschwindigkeit, die Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens sowie eine Reduzierung der eingebrachten Wärmeenergie. Die Vielfältigkeit dieser Anforderungen macht es notwendig, die Versuche sowohl im Laser- als auch im MIG-Lötverfahren durchzuführen. Die Lötverfahren werden in der Praxis für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Karosserie eingesetzt. Das Fügen von hochfesten Strukturelementen oder Außenhautbauteilen erfordert in Abhängigkeit von den Anforderungen die Verwendung ausgewählter Zusatzwerkstoffe. Die Vielfältigkeit der Werkstoffe und der Anforderungen spiegelt sich in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wieder. Für weitergehende Untersuchungen, speziell im hochfesten Blechbereich, soll die Arbeit entsprechende Grundlagen bieten. Als Vorlage für die Erarbeitung von experimentellen und theoretischen Methodiken der Prozessbetrachtung werden neben typischen Kupferloten neu entwickelte Lotlegierungen verwendet. Bei der Betrachtung der Kupferlegierungen werden die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fügeprozess definiert und beschrieben. Es wird festgestellt, dass niedrig schmelzende Lote mit ausgewählter Legierungszusammensetzung im Gegensatz zu Eisenbasis-Schweißdrähten einen geringeren negativen Einfluss auf das Gefüge der Bleche im Nahtbereich ausüben. Um die thermische Beanspruchung, besonders in der Wärmeeinflusszone, während des Fügeprozesses gering zu halten, kann zusätzlich eine geeignete Stromquellentechnik zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des „kalten“ Lichtbogens ist es möglich, die eingebrachte Streckenenergie weiter zu reduzieren. Faktoren, die den Energieeintrag beeinflussen, werden in der vorliegenden Arbeit in experimentellen und theoretischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Festigkeitsverhalten betrachtet. Es werden durch geeignete Legierungskombinationen die Einflüsse auf die Steigerung der Lötgeschwindigkeit und auf eine Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Informations- und Beweisbasis für die erarbeiteten Legierungssysteme und ermöglichen es, den optimierten Lötprozess an hochfesten Stahlblechen wissenschaftlich zu betrachten. Die Auswertung der wissenschaftlichen Experimente, dargestellt in den angefügten ausführlichen Tabellen, stellen die Zusammenhänge zwischen der Legierungsauswahl und der eingebrachten Streckenenergie dar. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Arbeit sollen für das Fügen von hochfesten Blechen die Entscheidung über die Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe erleichtern. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen anhand mathematischer Modelle zur Beschreibung der physikalischen Prozesse der Wärmezufuhr durch Verwendung eines ausgewählten Lotes in Kombination mit geeigneter Stromquellentechnologie sind die Grundlage für die Optimierung des Lötprozesses. Die vorgeschlagenen Modelle zur Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenlötprozessen mit neu entwickelten Lotlegierungen wurde im Rahmen der vorgelegten Arbeit an realen Blechqualitäten angewendet und überprüft. In den Ergebnissen hat sich bestätigt, dass die Verwendung spezieller Kupferlote zu verbesserten Verarbeitungseigenschaften führen, und damit Konzepte zum wirtschaftlich verbesserten Fügen angeboten werden.:Inhalt 1. Einleitung. Kritische Bewertung der Literatur und Problemanalyse. 11 Perspektiven 1.1. Bedeutung des Lichtbogenlötens an höherfesten Stahlblechen 11 1.2. Entwicklungsstand bei höherfesten Dünnblechen und geeigneten 12 Lotwerkstoffen 1.3. Lichtbogenlöten an höherfesten Stahlblechen und Verfahrensgrenzen 15 2. Wissenschaftliche Problemstellung und Lösungsmöglichkeiten 16 2.1. Problemdarstellung 17 2.1.1. Problematik hochfester Grundwerkstoff 18 2.1.2. Löten vs. Schweißen 18 2.2. Lösungsstrategien und angestrebte Lösungswege 20 3. Theoretische Herleitung eines Mehrphasenmodells auf Kupferbasis 22 mit erhöhten Festigkeitseigenschaften 3.1. Voraussetzungen für die Legierungsbildung in Kupfer 22 3.2. Einfluss wesentlicher Legierungselemente auf die Eigenschaften von 26 Kupferlegierungen 3.2.1. Silizium 26 3.2.2. Aluminium 28 3.2.3. Mangan, Nickel, Zinn, Silber, Mikrolegierungselemente 29 3.3. Ermittlung optimierter Legierungen 30 3.4. Gieß- und ziehtechnische Einschränkungen 33 4. Versuchsdurchführung und Untersuchungsmethoden 34 4.1. Laserlöten 34 4.1.1. Grundwerkstoffe 34 4.1.2. Lote 34 4.1.3. Versuchsaufbau 36 4.1.4. Festlegung der Prozessdaten 37 4.1.5. Versuchsdurchführung 39 4.1.5.1. Bördelnaht DX54D+Z100 39 4.1.5.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 40 4.1.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel bei unterschiedlichen 41 Lötgeschwindigkeiten 4.1.5.4. Korrosionsverhalten 43 4.2. MIG-Löten 44 4.2.1. Grundwerkstoffe 44 4.2.2. Lote 44 4.2.3. Versuchsaufbau 45 4.2.4. Messdatenerfassung 47 4.2.5. Versuchsdurchführung 48 4.2.5.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 48 4.2.5.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 49 4.2.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel 49 4.2.5.4. Untersuchung des Wärmeeintrages 50 4.2.5.5. Phosphatierungsverhalten 51 5. Versuchsauswertung 52 5.1. Laserlöten 52 5.1.1. Visuelle Prüfung 52 5.1.1.1. Bördelnaht DX54D+Z100 52 5.1.1.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 55 5.1.2. Statische Zugversuche 56 5.1.2.1. Bördelnaht DX54D+Z100 57 5.1.2.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 58 5.1.3. Mikroskopische Untersuchungen 60 5.1.3.1. Bördelnaht DX54D+Z100 60 5.1.3.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 63 5.1.4. Benetzungsverhalten 65 5.1.5. Beurteilung des Korrosionsverhaltens 67 5.2. MIG-Löten 69 5.2.1. Visuelle Prüfung 69 5.2.1.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 69 5.2.1.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 71 5.2.2. Statische Zugversuche 73 5.2.2.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 73 5.2.2.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 75 5.2.3. Härteverläufe 80 5.2.3.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 80 5.2.3.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 82 5.2.4. Mikroskopische Untersuchungen 83 5.2.4.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 83 5.2.4.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 86 5.2.5. Benetzungsverhalten 87 5.2.6. Schutzgas 89 5.2.7. Thermische Untersuchung 90 5.2.8. Phosphatierungsverhalten 92 6. Betrachtung von Optimierungskriterien 94 6.1. Werkstofftechnische Betrachtungen 95 6.1.1. Legierungssysteme 95 6.1.2. Einfluss von Oberflächenbeschichtungen 96 6.1.3. Streckenenergiebetrachtungen 96 6.2. Betrachtung des Einflusses von Nahtgeometrie, Schutzgas und 96 Gerätetechnik 6.2.1. Nahtgeometrie 96 6.2.2. Gerätetechnik 97 7. Übertragung der Ergebnisse auf andere hochfeste Stähle 97 8. Erprobung unter seriennahen Bedingungen 99 9. Zusammenfassung und Ausblick 101 10. Anhang 104

Purpose: The purpose of this study has been to investigate the essentials of being able to incorporate high-strength steels (460 MPa and beyond) for structural elements in buildings. As of late, structural steels with a yield point of 355 MPa have been considered standard and have been for the past decade. One of the problems that occur with an increased yield point, is that deflection of structural elements increases, as the Young’s modulus does not increase with increasing yield point. Welding, stability, behavior during fire, and fatigue are also subjects of interest. Method: The study was conducted through several courses of action: a literature review covering the latest research of high-strength steels within the sought-after area of interest, followed by calculations of a truss resting on two columns, being subject to bending moment and compressive force, in both 355 MPa and 700 MPa, in order to review the differences that occur and how they can be counteracted. Lastly, interviews were carried out, where structural engineers gave their thoughts and experiences on the matter at hand. Results: The results show that welding is one of the largest hurdles with being able to utilize high-strength structural steels, though there are newer, more promising methods of welding which can be used, such as electron beam welding. Regarding structural integrity and buckling of structural elements, high-strength steel can be used for trusses, where the structural members are mainly being pulled, opposed to being subject to compressive force. This was shown with the performed calculations, during the interviews, and by the literature overview. Conclusions: The general conclusions of the study is that for welding, further research, education, and training is required for all concerned parts, such as the structural engineers and the on-site welders, which will increase the knowledge regarding how welding of high-strength steels should be performed, but also raise awareness about newer and more modern methods. Fire behavior for high-strength steels are a higher risk factor that should be treated and executed with higher degrees of caution by engineers. Reduction factors for fire affected steel construction elements should be corrected to fit the behavior for high-strength steels as well, as they differ from the current Eurocode 3 for lower class steels. Problems with instability can be counteracted by utilizing the steel in pulled structural members, such as trusses and struts. Lastly, for high-strength steels to be used more widely, structural engineers and manufacturers need to work together for any of the two to profit, as low production rates are costly.

Friction bit joining (FBJ) is a new method that enables lightweight metal to be joined to advanced high-strength steels. Weight reduction through the use of advanced high-strength materials is necessary in the automotive industry, as well as other markets, where weight savings are increasingly emphasized in pursuit of fuel efficiency. The purpose of this research is twofold: (1) to understand the influence that process parameters such as bit design, material type and machine commands have on the consistency and strength of friction bit joints in dissimilar metal alloys; and (2) to pioneer machine and bit configurations that would aid commercial, automated application of the system. Rotary broaching was established as an effective bit production method, pointing towards cold heading and other forming methods in commercial production. Bit hardness equal to the base material was found to be highly critical for strong welds. Bit geometry was found to contribute significantly as well, with weld strength increasing with larger bit shaft diameter. Solid bit heads are also desirable from both a metallurgical and industry standpoint. Cutting features are necessary for flat welds and allow multiple material types to be joined to advanced high-strength steel. Parameters for driving the bit were established and relationships identified. Greater surface area of contact between the bit and the driver was shown to aid in weld consistency. Microstructure changes resulting from the weld process were characterized and showed a transition zone between the bit head and the bit shaft where bit hardness was significantly increased. This zone is frequently the location of fracture modes. Fatigue testing showed the ability of FBJ to resist constant stress cycles, with the joined aluminum failing prior to the FBJ fusion bond in all cases. Corrosion testing established the use of adhesive to be an effective method for reducing galvanic corrosion and also for protecting the weld from oxidation reactions.

[pt] Neste trabalho é feito um estudo experimental da relaxação de uma fibra sintética de alta resistência, conhecida como Kevlar 49, empregada na fabricação de cabos que podem ser usados como cabos de protensão. O objetivo é obter uma equação para o cálculo da relaxação e verificar a influência de um condicionamento mecânico (aplicação e remoção de uma tensão). Foram realizados ensaios em seis amostras da fibra sob cinco níveis de tensão, equivalentes a 10%, 20%, 30%, 40% e 50% da tensão de ruptura do material. Os ensaios foram realizados com a temperatura e umidade relativa do ar controlados na faixa de 21oC + 2oC e 77% + 7% respectivamente. O tempo de duração de cada ensaio foi de 72 horas. Os resultados revelaram que as curvas de relaxação são lineares quando plotadas numa escala logarítmica do tempo e que o coeficiente de relaxação é bem representado por uma função potencial e depende da tensão aplicada. Em adição revelaram que um condicionamento mecânico não altera o comportamento da fibra. / [en] High-strength aramid fibers have been used in the production of a variety of cables and ropes which have found several applications as structural members in bridges and other types of structures. For such applications, a sound knowledge of the time dependent material properties is highly important. An experimental investigation on the stress relaxation behavior of a high-strength aramid fiber was carried out, with the purpose of studying the viscoelastic properties of the material and the effect of a mechanical conditioning (application and removal of stress prior to testing) on these properties. The fiber used in this investigation is commercially known as Kevlar 49. The tests were conducted at five different stress levels, at constant temperature and moisture. The results showed that the fiber has a non-linear viscoelastic behavior and that the effect of the mechanical conditioning isn´t important. An equation for the prediction of the stress relaxation is presented. / [es] En este trabajo se realiza un estudio experimental de la relajamiento de una fibra sintética de alta resistencia, conocida como Kevlar 49, empleada en la fabricación de cables que pueden ser usados como cables de protensión. El objetivo es obtener una ecuación para el cálculo dela relajamiento y verificar la influencia de un condicionamento mecánico. Fueron realizados ensayos en seis muestras de la fibra bajo cinco niveles de tensión, equivalentes a 10%, 20%, 30%, 40% y 50% de la tensión de ruptura del material. Los ensayos fueron realizados con la temperatura y la humedad relativa del aire controlados en la faja de 21oC + 2oC y 77% + 7% respectivamente. El tiempo de duración de cada ensayo fue de 72 horas. Los resultados revelaron que las curvas de relajamiento son lineales cuando se utiliza una escala logarítmica para el tiempo y que el coeficiente de relajamiento está bien representado por una función potencial, que depende de la tensión aplicada. Adicionalmente, los ensayos revelaron que un condicionamento mecánico no altera el comportamiento de la fibra.

[pt] Este trabalho apresenta uma análise experimental de cinco vigas de concreto, simplesmente apoiadas, protendidas com cabos sintéticos externos, com o objetivo de estudar a influência da resistência do concreto na variação da força nos cabos de protensão e na resistência à flexão das vigas. A protensão das vigas foi feita com cabos sintéticos conhecidos como Parafil, com resistência a tração de 1950MPa e módulo de elasticidade de 126000MPa. A única variável considerada foi a resistência do concreto, cujo valores foram 36, 57, 73, 74 e 104MPa. O concreto das vigas com resistência de 57, 73, 74 e 104MPa foram feitos com o uso da microssílica e aditivo superplastificante, com exceção da viga com resistência de 36MPa que foi feita com concreto comum. Os resultados mostraram que a influência da resistência do concreto sobre a resistência à flexão das vigas não é tão grande. Para o aumento de 189% na resistência do concreto, houve um aumento na variação da força no cabo de apenas 13.6% e um aumento de 33% no momento de ruptura. Na comparação dos resultados experimentais com os resultados das principais normas e modelos propostos verificou-se que todos fornecem bons resultados e subestimam os valores experimentais. Na comparação dos resultados experimentais com o modelo de Campos (1993) observou-se que os valores da variação na força no cabo superestimam os valores experimentais. / [en] An experimental investigation on five concrete beams prestressed with external aramid tendons was carried out for the purpose of studying the influence of concrete on the flexural behaviour at service and ultimate loads. The beams were prestressed with Type G Parafil tendons, which are made of Kevlar 49 fibres. The strength and elastic modulus of the cables are 1950 MPa and 12600 MPa respectively. The main variable considered in the testes was the strength of the concrete with values of 36, 57, 73, 74 and 104 MPa. The results show that for an increase of 189% in the strength of the concrete, an increase of only 33% in the ultimate moment is observed. Experimental results were compared with results predicted by some Codes of Practice. This comparison shows that the theoretical models give good results. / [es] Este trabajo presenta un análisis experimental de cinco vigas de concreto, simplemente apoyadas, protendidas con cables sintéticos externos, con el objetivo de estudiar la influencia de la resistencia del concreto en la variación de la fuerza de los cables de protensión y en la resistencia a la flexión de las vigas. La protensión de las vigas fue hecha con cables sintéticos conocidos como Parafil, con resistenciaa la tracción de 1950MPa y módulo de elasticidad de 126000MPa. La única variable considerada fue la resistencia del concreto, cuyos valores fueron 36, 57, 73, 74 y 104MPa. El concreto de las vigas con resistencia de 57, 73, 74 y 104MPa fueron construidos con el uso de la microsílica y aditivo superplastificante, con excepción de la viga con resistencia de 36MPa que fue construida con concreto común. Los resultados mostraron que la influencia de la resistencia del concreto sobre la resistencia a la flexión de las vigas no es grande. Para el aumento de 189% en la resistencia del concreto, se produjo un aumento en la variación de la fuerza en el cable de apenas 13.6% y un aumento de 33% en el momento de ruptura. Comparando los resultados experimentales con los resultados de las principales normas y modelos propuestos se verificó que todos ofrecen buenos resultados y subestiman los valores experimentales. Comparando los resultados experimentales con el modelo de Campos (1993) se observó que los valores de la variación en la fuerza en el cable superestiman los valores experimentales.

In the work, it is studied almost carbon-free corrosion-resistant Fe-Cr-Ni-based steel, with the additional alloying with cobalt, molybdenum, aluminum and titanium, with high ductility and processability in production of high-strength wire. / В настоящей работе проводятся исследования новой практически безуглеродистой коррозионно-стойкой стали на Fe-Cr-Ni основе, с дополнительным легированием кобальтом, молибденом, алюминием и титаном, обладающей высокой пластичностью и технологичностью при производстве высокопрочной проволоки.