Submitted by Daniele Amaral (daniee_ni@hotmail.com) on 2017-10-09T20:25:42Z No. of bitstreams: 1 DissSBML.pdf: 11036305 bytes, checksum: bfd6a7dc18c9f75ffae64cce4523adf4 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (bco.producao.intelectual@gmail.com) on 2018-01-25T12:34:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissSBML.pdf: 11036305 bytes, checksum: bfd6a7dc18c9f75ffae64cce4523adf4 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (bco.producao.intelectual@gmail.com) on 2018-01-25T12:34:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissSBML.pdf: 11036305 bytes, checksum: bfd6a7dc18c9f75ffae64cce4523adf4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-25T12:39:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissSBML.pdf: 11036305 bytes, checksum: bfd6a7dc18c9f75ffae64cce4523adf4 (MD5) Previous issue date: 2017-08-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Aluminum alloys are widely used in transportation industry to reduce structural weight and fuel consumption. The development of advanced alloys and more effective technologies for joining materials contribute to achieve such objectives. AlMgSc alloys emerge as an interesting option to structural applications due to low density and high mechanical performance, as well as an attractive cost. Friction spot welding (FSpW) process is a novel solid state joining technology that has proven to be suitable for joining lightweight materials. This process is carried out in a few steps and in a short time with low thermal cycles and energy consumption as well as without extra materials addition. Thus, this process is an alternative to industrial techniques such as riveting and resistance spot welding. This work presents, for the first time, the application results of FSpW on AlMgSc sheets in overlapping configuration. The effect of the process parameters, such as rotational speed, plunge depth and plunge time, was investigated in order to obtain joints with higher lap shear strength. The Taguchi method and the analysis of variance were applied to study the influence of each parameter on mechanical properties of the joints. In addition, the welds were submitted to microstructural characterization and a material flow analysis provided an initial understanding about the formation of microstructural features. Therefore, the fatigue performance was analyzed for the condition of higher lap shear strength and the S-N curve was drawn. The results indicated a good static performance of the welds, although the fatigue performance was less satisfactory. Finally, failure mechanisms of static and dynamic tests seemed to be strongly related to geometric features, such as hook, bonding ligament and microstructural transition regions. / Ligas de alumínio são amplamente utilizadas em indústrias de transporte visando a redução do peso estrutural e consumo de combustíveis. O desenvolvimento de ligas avançadas e tecnologias mais efetivas de união contribuem para o alcance de tais objetivos. Ligas do sistema AlMgSc surgem como opção interessante para utilização estrutural devido à baixa densidade e alto desempenho mecânico, aliados a um custo atrativo. O processo de soldagem a ponto por fricção (FSpW) é uma tecnologia recente de união de materiais no estado sólido, que tem se mostrado adequado para a união de ligas leves. Tal processo é realizado em poucas etapas e curto tempo, com baixos ciclos térmicos e consumo energético e sem adição de materiais extras, se mostrando, portanto, uma alternativa a técnicas utilizadas industrialmente, como rebitagem e solda a ponto por resistência. Esse trabalho apresenta, pela primeira vez, resultados de aplicação do FSpW em chapas AlMgSc sobrepostas. O efeito dos parâmetros do processo, como velocidade de rotação, profundidade e tempo de penetração da ferramenta, foi investigado visando a obtenção de soldas com maior resistência em ensaios de cisalhamento, dita condição otimizada. Para tal, foi aplicado o método Taguchi e análise de variância para estudar a importância de cada parâmetro na resistência mecânica das juntas. Além disso, as soldas foram caracterizadas microestruturalmente e uma análise do fluxo de material proporcionou um entendimento inicial acerca da formação de algumas características microestruturais. Ademais, o desempenho em fadiga foi analisado para a condição otimizada de soldagem e a curva S-N foi levantada. Os resultados obtidos apontam um bom desempenho estático das soldas, embora o desempenho em fadiga tenha sido menos satisfatório. Finalmente, os mecanismos de falha, de ensaios estáticos e dinâmicos, foram observados e se mostraram fortemente relacionados a elementos geométricos, como cunha, e linha de união, além de regiões de transições microestruturais. / CNPq: 134654/2016-1

Das Ultraschall-Punktschweißen von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen hat in der letzten Zeit bei Forschern in der Luftfahrt- und Automobilindustrie großes Interesse hervorgerufen. Es bietet eine effiziente Lösung zum Verbinden großer thermoplastischer Verbundbauteile durch Punktschweißen mit einem hohen Automatisierungsgrad. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Technik zum Fokussieren der Ultraschallschwingungsenergie an der gewünschten Fügestelle zwischen zwei Fügepartnern aus thermoplastischen Verbundlaminaten untersucht. Bei diesem untersuchten Verfahren waren keine zusätzlichen Energierichtungsgeber zwischen den Fügepartnern erforderlich, um die Vibrationsenergie zu fokussieren. Es wurde festgestellt, dass es durch Schweißen der Laminate zwischen einer Sonotrode und einem Amboss möglich war, eine lokalisierte Wärme durch Reibung zu erzeugen in dem die Sonotrode eine größere Kontaktfläche mit dem Laminat als mit dem Amboss aufwies. In der Anfangsphase des Schweißens wurden die Grenzflächenschichten durch die reibungsverursachte Erwärmung abgeschwächt. Folglich zentrierte sich die zyklische Verformung in diesen abgeschwächten Grenzflächen. Die Annahme des Vorhandenseins der Reibung und ihres Einflusses auf die Wärmeerzeugung wurde mittels mechanischer FEM-Analyse untersucht. Die mikroskopische Analyse des Schweißpunktes lieferte schließlich den Beweis für die Schmelzauslösung an einem Ring um den Schweißpunkt und das anschließende Punktwachstum. Um die räumliche Verteilung der Temperatur und ihre zeitliche Entwicklung in der Schweißzone während des Ultraschallschweißprozesses besser zu verstehen, wurde das thermische Problem numerisch modelliert. Zur Verifizierung der mathematischen Modelle wurden die berechneten Zeitverläufe der Temperatur im Schweißpunktzentrum mit den experimentell ermittelten Werten unter vergleichbaren Bedingungen gegenübergestellt. Es wurde festgestellt, dass nach einer bestimmten Schweißzeit die Temperatur im Schweißzentrum plötzlich anstieg und das Polymer an der Schweißstelle überhitzt und die Zersetzung begann. Es wurde beobachtet, dass der Zeitverlauf der verbrauchten Leistungskurve durch das Schweißgerät einem ähnlichen Muster folgte, wie der Zeitverlauf der Temperatur in der Schweißpunktmitte. Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Steuerungssystem entwickelt. Die zeitliche Ableitung der Schweißleistung wurde in Echtzeit überwacht. Sobald ein kritischer Wert überschritten wurde, wurde die Ultraschallschwingungsamplitude aktiv durch einen Mikrocontroller eingestellt. Bei diesem Ansatz wurde die Temperatur im Schweißpunkt indirekt gesteuert, um während der gesamten Schweißdauer in einem optimalen Bereich zu bleiben. Die Ergebnisse des gesteuerten Schweißprozesses wurden mittels Temperaturmessungen und Computertomographie bewertet. Aus der Studie wurde der Schluss gezogen, dass das leistungsgesteuerte Ultraschall-Punktschweißverfahren eine effiziente und stabile Methode zum automatischen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Teilen ist.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix / The ultrasonic spot welding of fibre-reinforced thermoplastic composites has recently received strong interest among researchers mainly in the fields of aerospace and automotive industries. It offers an efficient solution to join large thermoplastic composite parts through the spot welding approach with a high level of automation. In this study, a new technique for focusing the ultrasonic vibration energy at the desired spot between two mating thermoplastic composite laminates was investigated. In this method, no additional energy directing protrusions between the weldments were required to focus the vibration energy. It was found that by welding the laminates amid an ultrasonic sonotrode and an anvil in which the prior had a larger contact surface with the laminate as the latter, it was possible to generate a localised frictional heating. In the initial phase of the welding, the frictional heating softened the interfacial layers and thus caused the focusing of the strain energy in the weld spot centre. The assumption for the presence of the friction and its influence on the heat generation was investigated by means of finite element method analysis. Microscopic analysis of the weld spot delivered the proof for the melt initiation at a ring around the weld spot and subsequent inwards growth of the weld spot. In order to gain a better understanding of the temperature spatial distribution and its temporal development in the weld zone during the ultrasonic welding process, the thermal problem was analysed using the explicit finite difference method. The mathematical model was verified through a comparison between the calculated temperature curves and the experimentally obtained counterparts. It was found that after a certain weld duration the temperature in the weld centre underwent a sudden increase and caused the overheating and decomposition of the polymer in the weld spot. It was observed that the time trace of the consumed power curve by the welder followed a similar pattern as the time trace of the temperature in the weld spot centre. Based on this observation, a control system was developed accordingly. The time derivative of the weld power was monitored in real time and as soon as it exceeded a critical value, the ultrasonic vibration amplitude was actively adjusted through a microcontroller. In this approach, the temperature in the weld spot was indirectly controlled to remain within an adequate range throughout the welding duration. The results of the controlled welding process were evaluated by means of temperature measurements and computed tomography scans. It was concluded from the study that the power-controlled differential ultrasonic spot welding process could be an efficient method to fusion bond the fibre-reinforced thermoplastic parts in an automated manner.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix

The purpose of this master’s thesis is a design of the robotic cell for spot welding followed by manipulation with parts assigned for automotive industry. The cell should consist of a rotary table operated by a process operator and set of six-axis robots for spot welding and manipulation with parts. The thesis also describes the design of the end effectors of all robots, the design of rotary table with regard to welding technology and configuration of the cell to obtain maximal efficiency. The output of the thesis is 3D model, workflow simulation, evaluation of the production times and operator work conditions.

Dans le cadre de la conception des structures automobiles et de la modélisation de leur tenue au crash, la prédiction du comportement mécanique et de la rupture des assemblages soudés par point par résistance, s’avère encore délicate. En introduisant une nouvelle génération d’assemblages multi-tôles en aciers multigrades soudés par point, la prédiction de leur tenue mécanique est devenue encore plus complexe. En effet, malgré une utilisation croissante de ces assemblages, l’étude expérimentale de leur comportement mécanique est encore très limitée, tandis que leur modélisation macroscopique n’a pas encore été proposée. Dans ce contexte, un dispositif expérimental approprié de type Arcan est proposé pour caractériser la tenue mécanique et la rupture des assemblages trois tôles soudés par points, en chargements purs et combinés et dans les différentes configurations possibles. Une approche de modélisation macroscopique est également proposée pour simuler le comportement des assemblages trois tôles soudés, pour des applications de type structure. Un modèle d’élément équivalent ’connecteur’ est tout d’abord proposé, identifié et validé par rapport un assemblage deux tôles soudé par point. Ensuite, une approche de modélisation utilisant trois connecteurs est proposée pour simuler le comportement mécanique et la rupture d’un assemblage trois tôles soudé par point par résistance. Une stratégie d’identification est aussi détaillée pour simplifier la procédure d’identification des paramètres du modèle. Le modèle est identifié et validé par rapport aux résultats expérimentaux des essais de caractérisation de type Arcan réalisés au cours de cette thèse. / Resistance spot welding (RSW) is widely used in the automotive industry. However, the prediction of their non-linear mechanical behavior and their failure in structural crashworthiness computations remains a challenge. The introduction of a new generation ofmulti-sheet multi-steel grade spot welded assemblies makes the prediction of their mechanical strength more complex.Despite the increasing use of these assemblies, the experimental study of their mechanical behavior is still very limited, while their macroscopic modeling has not yet been studied. An experimental device based on Arcan principle is thus proposed to characterize the mechanical strength and the failure of three-sheet spot welded assemblies, in pure and combined loads for different loading configurations. A macroscopic modeling approach is also proposed to simulate their mechanical behavior for structural applications. As a first step, a ’connector’ element is proposed, identified and validated for a two-sheet spot welded assembly. Then, a modeling approach using three connectors is proposed to simulate the mechanical behavior and the rupture of a three-sheet multi- steel grade spot welded assembly. An identification methodology is also presented to simplify the identification procedure of the model parameters. The model is identified and validated based on the experimental results of the Arcan tests carried out during this thesis.

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.

The research in this report seeks to develop a highly flexible geometry station for joining futureBody-in-White (BiW) assemblies. The goal is to eliminate the need for a complete reconstructionof a production line during integration of new car bodies in a contemporary production.Today's BiW production is performed in sequential lines, where joining equipment is arranged ina specific order for each model geometry. An increasing model portfolio forces manufacturers todevelop production systems that allow an integration of new models. Electrified alternatives ofexisting models are now developed and put into production. These models have similarappearance as conventional models, but with a completely different principle of driveline due tothe propulsion. This means that new interfaces and platforms have to be developed and mustnow be integrated into a current production. Today's production lines are not prepared forcoming changes, and current stations can only handle a limited number of variants. Integration ofnew geometries into a contemporary production line is not sufficiently efficient from aproduction perspective. The goal of the future is to make such an integration possible.Initially, current and future production scenarios were studied. Based on this, four types ofproduction scenarios, which a highly flexible geometry station can be integrated into, were set up.An integration can take place in different ways depending on how a highly flexible geometrystation is compounded, therefore, different cases were created and compared in a case study.Internal and external benchmarking of production systems were made to compare the availablesolutions for increasing stations flexibility in a BiW production.As reference for the project, a concept for a highly flexible geometry station has been developedand is therefore described initially before an additional depth has been realized. The furtherconceptualization of a highly flexible geometry in this report is presented in the form of amorphological composition of technologies that can increase a station's flexibility, as well asvisualization of a station principles through layouts and cycle time charts. The result of theanalysis generated several concepts that hold different degrees of capacity, footprint andflexibility. The focus was to achieve a high level of flexibility for integration of new models, withnew geometries, in a current production. The conclusion was that the highly flexible geometrystation can, in a contemporary production, produce independently in low volumes. Alternatively,produce higher volumes when it is integrated as a complement in a novel, not yet implemented,production concept. / Forskningen i denna rapport syftar till att utveckla en högflexibel geometristation för fogning avkommande Body-in-White-karosser (BiW). Målet är att eliminera behovet av en fullständigrekonstruktion av en produktionslinje under integrering av nya bilar i en samtida produktion.Dagens BiW-produktion sker i sekventiella liner, där fogningsutrustning är arrangerad i enspecifik ordning för respektive modellgeometri. Ett ökande antal modellalternativ drivertillverkare till att utveckla produktionskoncept som möjliggör integration av nya modeller.Elektrificerande alternativ till befintliga modeller utvecklas kontinuerligt. Dessa modeller ärutseendemässigt lika de konventionella modellerna, men med en helt annan princip för drivlina.Det innebär att nya gränssnitt och plattformar har tagits fram och måste nu integreras i ennuvarande produktion. Dagens produktionslinjer är inte förberedda för kommande förändringaroch nuvarande geometristationer kan endast hantera ett begränsat antal karosstyper. Integrationav nya karosstyper i en befintlig produktionslinje är inte är tillräckligt effektivt ur ettproduktionsperspektiv. Framtidens mål är att göra en sådan integration möjlig.Inledningsvis studerades nuvarande- och kommande produktionsscenarion. Utifrån det beskrevsfyra produktionstyper, vilket en högflexibel geometristation kan komma att integreras i. Enintegration kan ske på olika vis beroende på hur en högflexibel geometristation tillämpas, därförjämfördes olika fall av det i en Case-studie. En intern och extern benchmarking avproduktionssystem gjordes för att jämföra de lösningar som finns för att öka flexibiliteten i enBiW-produktion.Som referensunderlag till projektet har ett koncept för en högflexibel geometristation tagits framoch är beskrivet inledningsvis innan en ytterligare fördjupning har realiserats.Konceptualiseringen av en högflexibel geometristation i denna rapport är presenterad i form aven morfologisk sammansättning av teknologier som kan öka en stations flexibilitet, samtvisualisering av en principiell station genom layouter och cykeltidsdiagram. Resultatet av analysengenererade flera koncept som innehar olika grad av kapacitet, fabriksyta och flexibilitet. Fokus varatt uppnå en hög flexibilitetsnivå för integration av nya modeller, med nya geometrier, i ennuvarande produktion. Slutsatsen var att den högflexibla geometristationen kan, i en nutidaproduktion, producera självständigt i låga volymer. Alternativt producera högre volymer då denintegreras som ett komplement till ett ännu inte implementerat nytt produktionskoncept. / Die Forschung in diesem Bericht zielt darauf ab, eine hochflexible Geometrie-Station für das Fügen zukünftiger Rohbau-Baugruppen zu entwickeln. Das Ziel ist es, die Notwendigkeit einer vollständigen Rekonstruktion einer Produktionslinie während der Integration neuer Karosserien in einer modernen Produktion zu beseitigen. Die heutige Rohbau Produktion wird in sequenziellen Linien durchgeführt, wobei die einzelnen Fügeverfahren in einer bestimmten Reihenfolge, angepasst an die jeweilige Modellgeometrie, angeordnet sind. Ein zunehmendes Modellportfolio zwingt die Automobilhersteller zur Entwicklung von Produktionssystemen, die eine Integration neuer Modelle ermöglichen. Elektrifizierte Varianten bestehender Fahrzeugmodelle werden nun entwickelt und in Produktion gebracht. Diese Modelle haben ein ähnliches Erscheinungsbild wie herkömmliche Modelle, jedoch mit einem stark veränderten Antriebskonzept. Dies bedeutet, dass neue Schnittstellen und Plattformen entwickelt wurden und nun in eine aktuelle Produktion integriert werden müssen. Heutige Produktionslinien sind nicht auf kommende Änderungen vorbereitet und können nur eine begrenzte Anzahl von Varianten handhaben. Die Integration neuer Geometrien in eine moderne Produktionslinie ist aus Produktionssicht nicht effizient, aber soll in Zukunft das Ziel sein. Zunächst wurden aktuelle und zukünftige Produktionsszenarien untersucht. Darauf aufbauend wurden vier Arten von Produktionsszenarien erarbeitet, in die eine hochflexible Geometriestation integriert werden kann. Je nach Aufbau der Geostation kann eine Integration auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Daher wurden in einer Fallstudie unterschiedliche Fälle erstellt und verglichen. Ein Benchmarking mit internen und externen Produktionssystemen wurde durchgeführt, um eine größtmöglichste Flexibilität der Stationen in einer Rohbau Produktion zu erzielen. Als Referenz für das Projekt wurde ein Konzept für eine hochflexible Geometriestation entwickelt und im Rahmen der Thesis dokumentiert, bevor eine zusätzliche Tiefe realisiert wurde. Die weitere Konzeptionierung einer hochflexiblen Geometrie-Station wird in Form einer morphologischen Zusammensetzung von Technologien präsentiert. Dieser kann die Flexibilität einer Station erhöhen und zudem die Visualisierung von Stationsprinzipien, beispielsweise durch Layouts oder Zykluszeitdiagramme, fördern. Das Ergebnis der Analyse erzeugte mehrere vi Konzepte, die unterschiedliche Grade an Kapazität, Grundfläche und Flexibilität beinhalteten. Der Fokus lag auf einer hohen Flexibilität bei der Integration neuer Modelle mit neuen Geometrien in einer aktuellen Produktion. Die Schlussfolgerung war, dass die hochflexible Geometriestation in einer zeitgemäßen Produktion in kleinen Stückzahlen produzieren kann. Alternativ ist die Geo-Station auch als Bestandteil eines noch umzusetzenden Produktionskonzepts integrierbar.

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De nos jours, la politique écologique encourage les constructeurs automobiles à réduire le poids global du véhicule. Des tôles d'acier fines d'épaisseur différente optimisant chaque partie de l'assemblage sont utilisées et les sidérurgistes développent des aciers de plus en plus résistants à savoir l'Acier Haute Résistance Avancé (AHSS) avec un bon compromis entre résistance mécanique et ductilité (emboutissage). Lors des essais mécaniques de soudage hétérogène AHSS, des modes de fractures inhabituels sont observés, notamment le long de l'interface entre la zone affectée par la chaleur (ZAT) et la zone de fusion ou zone fondue (ZF). Ces fractures se produisent généralement avec une résistance inférieure à celle attendue pour ces soudures. Les objectifs de l'étude sont de comprendre les mécanismes de rupture au cours des essais mécaniques et de créer un modèle mécanique de FE conçu pour prédire la résistance mécanique des assemblages soudés. Tout d'abord, une étude de soudage hétérogène constituée de deux nuances d'acier bien connues d'ArcelorMittal vise à comprendre le mécanisme de défaillance et les paramètres affectant les modes de défaillance. Différentes configurations sont étudiées avec l'épaisseur. Le modèle FE est construit avec une réponse mécanique identifiée de chaque zone (matériaux de base, zones affectées par la chaleur et zone de fusion), en utilisant des modèles d'ArcelorMittal et des données expérimentales. Des critères de défaillance basés sur des dommages ductiles tenant compte de l'influence de la triaxialité sont utilisés et certains éléments cohésifs sont utilisés pour simuler une défaillance interfaciale. Deux configurations d'essais mécaniques dans le cas du soudage par résistance par points (essais de traction transversale et de traction) sont considérées. Les prédictions du modèle étaient très précises avec les modes de défaillance et les forces expérimentaux. Ensuite, cette méthode de modélisation FE a été appliquée avec succès à un boîtier de soudage par points très hétérogène comprenant un nouveau concept AHSS basse densité de troisième génération à forte teneur en aluminium et en manganèse. Les modes d'échec et les forces obtenues étaient comparables. De plus, la méthode de modélisation FE a été appliquée sur des configurations plus complexes, en particulier sur un assemblage soudé par points triple épaisseur. La robustesse du modèle pour prédire les modes de défaillance partielle et les forces d'une soudure par points triple épaisseur a été démontrée. En outre, la méthodologie de modélisation FE a été étendue à un autre type de soudage: le soudage à l'arc. Dans ce cas, deux feuilles sont soudées en configuration de chevauchement ab avec un fil d'apport. Le modèle FE permet de prédire la zone de rupture et la résistance de l'assemblage soudé. / Nowadays, ecological policy encourages carmakers to reduce the global vehicle weight. Fine steel sheets assemblies with different thickness optimizing each part of the assembly are used and steelmakers develop steels which are more and more resistant namely Advanced High Strength Steel (AHSS) with a good compromise between mechanical strength and ductility (stamping). During the mechanical tests of heterogeneous AHSS welding, unusual fracture modes are observed, in particular along the interface between the Heat Affected Zone (HAZ) and the Fusion Zone or molten zone (FZ). These fractures generally occur with lower strength than expected for these welding. The objectives of the study are to understand fracture mechanisms during mechanical testing and create a mechanical FE model is developed to be able to predict mechanical strength of the welded assemblies. Firstly, a study of heterogeneous welding constituted of two well-known steel grades of ArcelorMittal aims at understanding failure mechanism and parameters affecting the failure modes. Different configurations are studied with thickness. FE model is built with mechanical response identified of each zone (base materials, heat affected zones and fusion zone), using ArcelorMittal models and experimental data. Failure criteria based on ductile damage taking into account the influence of the triaxiality are used and some cohesive elements are used to simulate interfacial failure. Two configurations of mechanical testing in the case of Resistance Spot Welding (cross tension and tensile shear tests) are considered. Model predictions were very accurate with experimental failure modes and strengths. Then, this FE modelling method was successfully applied to a highly heterogeneous spot welding case including a new third generation low density AHSS concept with high aluminum and manganese content. Failure modes and strengths obtained were comparable. Moreover, FE modelling method was applied on more complex configurations, in particular on a triple thick spot welded assembly. The robustness of the model to predict partial failure modes and strengths of a triple thick spot weld has been demonstrated. In addition, FE modelling methodology was extended to another welding type: arc welding. In this case, two sheets are welded in ab overlap configuration with a filler wire. FE model allows predicting the failure zone and strength of welded assembly.

<p>Within the framework of presented PhD, friction stir spot welding (FSSW) of<br />multiple ultrathin sheets of AA 5754 &ndash; H111 (AlMg3) alloy 0.3 mm thick, was<br />studied. The influence of tool geometry and process parameters such as rotational<br />speed and axial load have been analysed using numerous techniques. It has been<br />understood that during the welding at low rotational speeds weld zone undergoes<br />strain hardening, while at high rotational speeds weld zone undergoes thermal<br />softening. It was observed that during FSSW at low rotational speeds a complex<br />layer at weld interface is present, which causes delamination when welded samples<br />are subjected to load.</p> / <p>У оквиру ове докторске дисертације испитивано је тачкасто заваривање трењем са мешањем ултратанких лимова дебљине 0.3 mm од легуре АА 5754 &ndash; H111 (AlMg3). Утицај геометрије алата и параметара као што су угаона брзина и аксијално оптерећење су детаљно анализирани уз помоћ бројних техника. Установљено је да приликом заваривања ниским угаоним брзинама долази до деформационог ојачавања, док на високим угаоним брзинама долази до термичког омекшавања зоне завара. Код узорка завареног са најмањим бројем обртаја долази до формирања комплексног слоја на међуконтактној површини који изазива деламинацију приликом испитивања механичких особина.</p> / <p>U okviru ove doktorske disertacije ispitivano je tačkasto zavarivanje trenjem sa mešanjem ultratankih limova debljine 0.3 mm od legure AA 5754 &ndash; H111 (AlMg3). Uticaj geometrije alata i parametara kao što su ugaona brzina i aksijalno opterećenje su detaljno analizirani uz pomoć brojnih tehnika. Ustanovljeno je da prilikom zavarivanja niskim ugaonim brzinama dolazi do deformacionog ojačavanja, dok na visokim ugaonim brzinama dolazi do termičkog omekšavanja zone zavara. Kod uzorka zavarenog sa najmanjim brojem obrtaja dolazi do formiranja kompleksnog sloja na međukontaktnoj površini koji izaziva delaminaciju prilikom ispitivanja mehaničkih osobina.</p>

Conventional resistance spot welds are not visible from the outside. Therefore, it is not straightforward to evaluate the joint quality non-destructively. The pulse-echo method of manual ultrasonic is widely used for non-destructive testing. Another option is the passive magnetic flux density testing, which is being developed at Technische Universität Dresden, Germany. The spot weld is magnetized in the normal direction and the residual magnetic flux density is measured on top of the surface of the joint. This method is suitable for spot welds on typical car body steels. Previous investigations show that the magnetic properties of the materials influence the test result. In order to develop this new non-destructive testing method further, it is necessary to know the magnetic properties of the different microstructure regions of a spot weld. This article focuses on methods to measure and evaluate the magnetic properties of these regions, especially of the base material and the weld. Different measuring methods and approaches are presented and compared with each other. Based on the results, recommendations for future measurements for magnetic characterizations are given.