The manufacturing of components with complex internal features, e.g. for automobile industry, aeronautics or medical applications, is a significant challenge. Such components are often machined in temporarily and locally separated stages of production. Due to these separated stages, the form deviations and positioning errors increase, which leads to additional efforts for the quality assurance. The technology that shall be developed within the project SwitchECM is supposed to enable machining of components with differing complex features in one single production stage and shall simultaneously allow for high precision. For this purpose, a multi-cathode system will be developed, in which every single cathode can be switched with specific parameters. The specific switching parameters shall be adjusted according to the requirements of the pre-defined features. For the manufacturing of different pre-defined features with one multi-cathode system the usage of pulsed direct current as well as continuous direct current shall be possible. Hence, removal experiments were carried out on 1.4301 stainless steel using a PEMCenter 8000 with varying feed rates and voltages at a pulsation frequency of 200 Hz. With this comparatively high frequency and a pulse duration of 4 ms pseudo direct current experiments are realized. The results are compared to experiments with a more common pulse frequency of 50 Hz. The mass removal analyses show, in which degree the transferability of experimental results from pulsed current to pseudo direct current or rather direct current is feasible.

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Die Analyse der geometrischen Voraussetzungen der Schweißstelle bildet die Grundlage der Arbeit. Es wurde ein künstlicher Passfehler definiert, an welchem eine systematische Variation von geometrischen Parametern des Spaltes zwischen den Blechen an 22MnB5 und DC04 durchgeführt wurde. Erstmals werden die Kontaktradien durch Kennzahlen in analytischen Zusammenhang mit der Verlagerung der Wärmefreisetzung in der Umgebung der Kontakte gebracht. Am Vergütungsstahl wird vorrangig der Kontaktradius zwischen den Blechen infolge des Spaltes verringert. Erhöhte Elektrodenkraft kann dies nicht kompensieren. Messungen des dynamischen elektrischen Widerstandes charakterisieren das elektrische Verhalten der Schweißstelle und wurden mittels des KMK-Modells implizit auf den temperatur- und druckabhängigen spezifischen Übergangswiderstand übertragen. Der feueraluminierte Vergütungsstahl zeigt am Blech-Blech Kontakt einen über dreimal so hohen Übergangswiderstand wie am Elektrode-Blech Kontakt. Zeigt der 22MnB5 über 600 K grundsätzlich einen größeren Übergangswiderstand als andere Stähle, so ist bei niedrigeren Temperaturen sein Übergangswiderstand kleiner als an verschiedenen anderen Werkstoffen. Schweißversuche zeigten, dass der Linsendurchmesser an 22MnB5 infolge des Passabstandesunter den Mindestdurchmesser abnimmt, damit einher geht eine Absenkung der Schweißenergie um maximal 15 %. Durch Erhöhung des Schweißstromes sind qualitätsgerechte Schweißungen auch am Spalt möglich. Die Spritzergrenze verschiebt sich durch den Spalt zu größeren Strömen hin. Eine vertiefte Analyse der Wärmeströme zeigte, dass mindestens 30 % der Schweißwärme an den Elektrode-Blech Kontakten freigesetzt werden, mindestens 48 % entfallen auf den Stoffwiderstand des Bleches. Die Absenkung der Schweißwärme am Passfehler ist ausschließlich auf einen verminderten Stoffwiderstand zurückzuführen, welcher durch verstärktes Einsinken der Elektroden hervorgerufen wird. / The analysis of the geometric prerequisites at the weld site is the fundament of this work. An artificial form error has been defined, on which the systematic Variation of geometric parameters of the gap between sheets of 22MnB5 and DC04 have been carried out. For the first time, the contact radii have been brought into analytical relation to the relocation of heat release in the contact’s environment. On the heat-treatable steel predominantly the contact radius between the sheets is decreased as a result of the gap. Increased electrode forces cannot compensate the effect. Measurements of the electric resistance on the accurately-fitting joint characterize the electric behaviour of the weld and have been implicitly transferred to the temperature and pressure-dependent specific transition resistance by means of numerical simulation. On the sheet-sheet contact, the hot-dip aluminized heat-treatable steel showed a three times larger transition resistance than at the electrode-sheet contact. Whereas the 22MnB5 fundamentally has a bigger transition resistance than other steels above 600 K, at lower temperatures his transition resistance is superseded by that of different other steels. Welding experiments proved, that the nugget diameter in 22MnB5 is reduced below the minimum criterion by the gap. Along with this, the welding energy is reduced by a maximum of 15 %. By increasing the welding current welded joints meeting the quality criterion can be produced as well when a gap is present. The splash limit is moved to larger currents as an effect of the gap. An in-depth review of the heat flows in the welding process showed, the at least 30 % of the weld heat are released at the sheet-sheet contacts, at least 48 % are allotted to the bulk resistance of the sheets. The decrease of weld heat at the gap is exclusively attributed to a decrease of the bulk resistance of the sheets, which is generated by increased sink-in of the electrodes.

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

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

Mit dem aktuell und zukünftig steigenden Bedarf an Elektromotoren werden Fragestellungen zu deren ressourcenschonenden Herstellung und auch effizienteren Betrieb immer zentraler. Eine wichtige Stellgröße ist dabei die Vergrößerung des sogenannten Nutfüllfaktors. Zum einen können dadurch Maschinen kleiner dimensioniert oder bei gleicher Baugröße leistungsfähiger werden. Verschiedene Fertigungsmethoden können zur Herstellung von Spulen mit hohen Nutfüllfaktoren zur Anwendung kommen, bergen jedoch verschiedene Nachteile wie geringe Produktivität, hohen Energie- und Ressourcenbedarf sowie Einschränkungen in der geometrischen Gestaltungsfreiheit der Einzelwindungen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozesskette zur umformtechnischen Herstellung von Spulen mit trapezförmiger Querschnittsgeometrie im Nutbereich entwickelt und analysiert. Ausgehend vom Stand der Technik und Wissenschaft werden die für die Funktion der Spule notwendigen Randbedingungen herausgestellt und verschiedene Herstellungsvarianten abgeleitet und bewertet. Nach Auswahl der Vorzugsvariante werden die Einzelprozessschritte durch FE-Umformsimulationen abgebildet und charakterisiert. Die Erkenntnisse fließen in die Konstruktion und Modifikation von Werkzeugen ein, mit welchen im Anschluss experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden. Mit der Herstellung von Demonstratorspulen jeweils aus Kupfer und Aluminium werden die Umsetzbarkeit der entwickelten Prozesskette belegt und Gestaltungshinweise für Prozess und Werkzeuge abgeleitet.:Abbildungsverzeichnis IX Formelverzeichnis XIX Abkürzungsverzeichnis XXIII Tabellenverzeichnis XXV 1 Einführung und Motivation 1 2 Stand der Technik 5 2.1 Begriffe zur Spulentechnik 5 2.1.1 Allgemeine Erläuterungen zum Aufbau elektrischer Spulen 5 2.1.2 Elektrotechnische Kenngrößen 8 2.1.3 Nutfüllfaktor 11 2.1.4 Stromverdrängung und Wechselstromverluste 15 2.1.5 Restriktionen für den Statoraufbau 19 2.2 Relevante Herstellungsverfahren für Elektrospulen 23 2.2.1 Urformen 24 2.2.2 Umformen 26 2.2.3 Trennen 34 2.2.4 Fügen 35 2.2.5 Beschichten 39 2.2.6 Bewertung der Fertigungsverfahren und Fazit 40 2.3 Umformtechnische Prozessvarianten zur Erhöhung des Nutfüllfaktors 42 2.3.1 Grundlegendes 42 2.3.2 Verdichtung vorgewickelter Spulen 42 2.3.3 Formgebung von Einzeldrähten mit anschließender Wicklungserzeugung 51 2.4 Zusammenfassung des Standes der Technik 59 3 Zielsetzung 61 4 Geometrisch-technologische Auslegungssystematik 63 4.1 Notwendige Herstellungsschritte 63 4.2 Mögliche Prozessketten und Auswahl einer Vorzugsvariante 64 4.3 Auslegung der Spulengeometrie via CoilCalculator 66 4.4 Geometrische Analyse ausgewählter Herstellungsschritte 71 4.5 Werkstoffphysikalische Einordnung 78 5 Numerische Simulation und Anpassung der Fertigungsfolge 83 5.1 Werkstoffcharakterisierung 83 5.2 FE-Analyse der gewählten Prozesskette 89 5.2.1 Sequenzielles Pressen 89 5.2.2 Biegen 101 5.2.3 Kalibrieren des Wicklungskopfes 106 5.3 Zwischenfazit der Simulationsergebnisse 120 6 Experimentelle Untersuchungen 123 6.1 Vorversuche 123 6.2 Sequenzielles Pressen 127 6.3 Biegen 139 6.4 Kalibrieren des Wicklungskopfes 143 6.5 Zwischenfazit der experimentellen Untersuchungen 150 7 Zusammenfassung und Ausblick 153 Literaturverzeichnis 157 Anlagenverzeichnis 173

Additive manufacturing of Nitinol is a promising field, as it can circumvent the challenges associated with its conventional production processes and unlock unique advantages. However, the accompanying surface features such as powder adhesions, spatters, ballings, or oxide discolorations are undesirable in engineering applications and therefore must be removed. Plasma electrolytic polishing (PeP) might prove to be a suitable finishing process for this purpose, but the effects of post-processing on the mechanical and functional material properties of additively manufactured Nitinol are still largely unresearched. This study seeks to address this issue. The changes on and in the part caused by PeP with processing times between 2 and 20 min are investigated using Nitinol compression springs manufactured by Laser Beam Melting. As a benchmark for the scanning electron microscope images, the differential scanning calorimetry (DSC) measurements, and the mechanical load test cycles, conventionally fabricated Nitinol springs of identical geometry with a medical grade polished surface are used. After 5 min of PeP, a glossy surface free of powder adhesion is achieved, which is increasingly levelled by further polishing. The shape memory properties of the material are retained without a shift in the transformation temperatures being detectable. The decreasing spring rate is primarily attributable to a reduction in the effective wire diameter. Consequently, PeP has proven to be an applicable and effective post-processing method for additively manufactured Nitinol.

In many cases, the functional performance of additively manufactured components can only be ensured by finishing the functional surfaces. Various methods are available for this purpose. This paper presents a procedure for selecting suitable processes for finishing laser beam melting additive–manufactured parts which is ultimately based on technological knowledge. It was experimentally proven that the use of several consecutive finishing processes is beneficial to achieve better surface quality. One finishing process chain was particularly effective (namely particle blasting/vibratory grinding/plasma electrolytic polishing) and the technological limits of this method were investigated in this study. The optimal parameters for this process combination ensured a surface roughness Sa < 1 µm.

Die Analyse der geometrischen Voraussetzungen der Schweißstelle bildet die Grundlage der Arbeit. Es wurde ein künstlicher Passfehler definiert, an welchem eine systematische Variation von geometrischen Parametern des Spaltes zwischen den Blechen an 22MnB5 und DC04 durchgeführt wurde. Erstmals werden die Kontaktradien durch Kennzahlen in analytischen Zusammenhang mit der Verlagerung der Wärmefreisetzung in der Umgebung der Kontakte gebracht. Am Vergütungsstahl wird vorrangig der Kontaktradius zwischen den Blechen infolge des Spaltes verringert. Erhöhte Elektrodenkraft kann dies nicht kompensieren. Messungen des dynamischen elektrischen Widerstandes charakterisieren das elektrische Verhalten der Schweißstelle und wurden mittels des KMK-Modells implizit auf den temperatur- und druckabhängigen spezifischen Übergangswiderstand übertragen. Der feueraluminierte Vergütungsstahl zeigt am Blech-Blech Kontakt einen über dreimal so hohen Übergangswiderstand wie am Elektrode-Blech Kontakt. Zeigt der 22MnB5 über 600 K grundsätzlich einen größeren Übergangswiderstand als andere Stähle, so ist bei niedrigeren Temperaturen sein Übergangswiderstand kleiner als an verschiedenen anderen Werkstoffen. Schweißversuche zeigten, dass der Linsendurchmesser an 22MnB5 infolge des Passabstandesunter den Mindestdurchmesser abnimmt, damit einher geht eine Absenkung der Schweißenergie um maximal 15 %. Durch Erhöhung des Schweißstromes sind qualitätsgerechte Schweißungen auch am Spalt möglich. Die Spritzergrenze verschiebt sich durch den Spalt zu größeren Strömen hin. Eine vertiefte Analyse der Wärmeströme zeigte, dass mindestens 30 % der Schweißwärme an den Elektrode-Blech Kontakten freigesetzt werden, mindestens 48 % entfallen auf den Stoffwiderstand des Bleches. Die Absenkung der Schweißwärme am Passfehler ist ausschließlich auf einen verminderten Stoffwiderstand zurückzuführen, welcher durch verstärktes Einsinken der Elektroden hervorgerufen wird. / The analysis of the geometric prerequisites at the weld site is the fundament of this work. An artificial form error has been defined, on which the systematic Variation of geometric parameters of the gap between sheets of 22MnB5 and DC04 have been carried out. For the first time, the contact radii have been brought into analytical relation to the relocation of heat release in the contact’s environment. On the heat-treatable steel predominantly the contact radius between the sheets is decreased as a result of the gap. Increased electrode forces cannot compensate the effect. Measurements of the electric resistance on the accurately-fitting joint characterize the electric behaviour of the weld and have been implicitly transferred to the temperature and pressure-dependent specific transition resistance by means of numerical simulation. On the sheet-sheet contact, the hot-dip aluminized heat-treatable steel showed a three times larger transition resistance than at the electrode-sheet contact. Whereas the 22MnB5 fundamentally has a bigger transition resistance than other steels above 600 K, at lower temperatures his transition resistance is superseded by that of different other steels. Welding experiments proved, that the nugget diameter in 22MnB5 is reduced below the minimum criterion by the gap. Along with this, the welding energy is reduced by a maximum of 15 %. By increasing the welding current welded joints meeting the quality criterion can be produced as well when a gap is present. The splash limit is moved to larger currents as an effect of the gap. An in-depth review of the heat flows in the welding process showed, the at least 30 % of the weld heat are released at the sheet-sheet contacts, at least 48 % are allotted to the bulk resistance of the sheets. The decrease of weld heat at the gap is exclusively attributed to a decrease of the bulk resistance of the sheets, which is generated by increased sink-in of the electrodes.

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.