In diesem Beitrag wird über die erzielten Ergebnisse der durchgeführten simulativ-experimentellen Untersuchungen für additive Fertigung von komplexen Bauteilgeometrieflächen mittels 3D – Plasma-Auftragschweißen berichtet. Hierbei wurde mittels des 3D – Plasma-Pulver-Auftragschweißenes von komplexen Konturflächen für ein Werkzeugmodell und ähnliche Bauteilgeometrien aus reinem Schweißgut in Mehrlagentechnik beanspruchungsgerecht hergestellt. Infolge der Besonderheiten des 3D – Plasma-Auftragschweißenes mit großer Schweißgutvolumina wie stark abweichende Eigenschaften zwischen Grund-/ Auftragswerkstoff und asymmetrischer Wärmeeintrag sind die entstehenden Schrumpfungen, Verformungen/ Eigenspannungen besonders kritisch. Diese führen demzufolge zu Maß- und Formabweichungen sowie Bildung von Bauteilrissen, welche die Qualität der additiv plasma-auftraggeschweißten Bauteilstrukturen negativ beeinflussen können. Mittels des aufgebauten thermo-elastisch-plastischen Simulationsmodells wurden die auftretenden Temperaturfeldverteilung, Verformungen und Eigenspannungen während des additiven 3D – Plasma-Auftragschweißenes von Werkzeugkonturflächen vorausbestimmt und analysiert. Anhand des aufgebauten Ellipsoid-Wärmequellenmodells für Plasma-Pendelschweißprozess wurden die Temperaturfeldverteilung und deren Gradienten ermittelt. Darauf aufbauend wurden eine gekoppelte thermisch-elastisch-plastische struktur-mechanische Analyse durchgeführt. Mittels der Durchführung von werkstofflich-fertigungstechnischen Maßnahmen wie Verwendung von zähen Werkstofflegierungen, Grundköpervorwärmen und -festeinspannen wurden die damit entstehenden Bauteilverformung und -eigenspannungen simulativ kompensiert bzw. minimiert. Demzufolge wurden die damit erreichten Ergebnisse für die Herstellung endkonturnaher Werkzeugkonturflächen mit vordefinierten Schichteigenschaften praxisnah genutzt. Die dabei erreichten Simulationsergebnisse der Temperaturfeldverteilung und des Verformungs- und Eigenspannungszustandes präsentierten eine gute Übereinstimmung mit den Experimentresultaten.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden technisch-konstruktive Lösungsansätze basierend auf einem entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodell zur Entwicklung/Charakterisierung eines physikalischen Prozesswirkprinzips des betrachteten Mikro- und Hochleistungs- sowie Orbital-Plasma-Schweißprozesses und dessen physikalischer Effekte entwickelt. Dabei wurden die differenten Einflussgrößen beim Plasmaschweißprozess erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Schweißprozessverhalten und Brennerkonstruktion charakterisiert. Die damit gewonnenen Ergebnisse wurden zur werkstofflichen, technisch-konstruktiven Entwicklung der Brennerkopfmodelle hinsichtlich der Ausführungsgeometrien des Prozessgaszuführungs- und Brennerkühlsystems genutzt. Im Rahmen des erarbeiteten thermomechanischen Simulationsmodells wurden die beim Plasma-Auftragschweißen von Verbundbauteilen auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen vorausbestimmt, untersucht und analysiert. Mittels des erarbeiteten Simulationsmodells wurden werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zur Minimierung/Beeinflussung schweißbedingter Verformungen und Eigenspannungen simulativ untersucht und bewertet. / In this work, technical and constructive solutions were developed based on simulation models (process and structural) for fluid mechanical, thermomechanical and magneto-hydrodynamic effects. The simulation process included improving and characterising the physical operating principles for micro plasma welding, high performance plasma welding and orbital plasma welding. Also, the physical effects for the above plasma welding processes were studied and analysed. From these different physical properties of the parameters for the plasma welding processes, and their effects on plasma welding process behaviour and torch design were analysed and characterised. The results were used for the development and construction of plasma welding torch models, which included material selection and geometrical design such as, process gas supply design, torch cooling system design, and other related torch designs. By developing the thermomechanical simulation model, deformations and residual stresses that were generated by heating during the plasma welding process were investigated and analysed. The developed thermomechanical model included material, structural and welding specifications such as buffering and preheating. Simulations utilizing this model were used in order to reduce the residual stresses and deformations of the welded components.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden technisch-konstruktive Lösungsansätze basierend auf einem entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodell zur Entwicklung/Charakterisierung eines physikalischen Prozesswirkprinzips des betrachteten Mikro- und Hochleistungs- sowie Orbital-Plasma-Schweißprozesses und dessen physikalischer Effekte entwickelt. Dabei wurden die differenten Einflussgrößen beim Plasmaschweißprozess erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Schweißprozessverhalten und Brennerkonstruktion charakterisiert. Die damit gewonnenen Ergebnisse wurden zur werkstofflichen, technisch-konstruktiven Entwicklung der Brennerkopfmodelle hinsichtlich der Ausführungsgeometrien des Prozessgaszuführungs- und Brennerkühlsystems genutzt. Im Rahmen des erarbeiteten thermomechanischen Simulationsmodells wurden die beim Plasma-Auftragschweißen von Verbundbauteilen auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen vorausbestimmt, untersucht und analysiert. Mittels des erarbeiteten Simulationsmodells wurden werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zur Minimierung/Beeinflussung schweißbedingter Verformungen und Eigenspannungen simulativ untersucht und bewertet. / In this work, technical and constructive solutions were developed based on simulation models (process and structural) for fluid mechanical, thermomechanical and magneto-hydrodynamic effects. The simulation process included improving and characterising the physical operating principles for micro plasma welding, high performance plasma welding and orbital plasma welding. Also, the physical effects for the above plasma welding processes were studied and analysed. From these different physical properties of the parameters for the plasma welding processes, and their effects on plasma welding process behaviour and torch design were analysed and characterised. The results were used for the development and construction of plasma welding torch models, which included material selection and geometrical design such as, process gas supply design, torch cooling system design, and other related torch designs. By developing the thermomechanical simulation model, deformations and residual stresses that were generated by heating during the plasma welding process were investigated and analysed. The developed thermomechanical model included material, structural and welding specifications such as buffering and preheating. Simulations utilizing this model were used in order to reduce the residual stresses and deformations of the welded components.