TY - CONF A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - A numerical study on the suppression of a detrimental weld pool profile in wire feed laser beam welding by magnetohydrodynamic technique N2 - The weld quality and the possible defect formation are directly determined by the weld pool shape and the thermo-fluid dynamics therein. In this paper, an untypical weld pool profile, i.e., elongated at its top and bottom but narrowed at the middle, is found experimentally and numerically in the wire feed laser beam welding. The detrimental influence of the weld pool narrowing on the element transport is analyzed and discussed. A magnetohydrodynamic technique is utilized to suppress the narrowing, aiming at a more homogenous element distribution. It is found that a low-temperature region is formed in the middle of the weld pool due to the interaction of the two dominant circulations from the top and bottom regions. The weld pool is significantly narrowed due to the untypical growth of the mushy zone in the low-temperature region, which results in a direct blocking effect on the downward flow and the premature solidification in the middle region. The Lorentz force produced by a transverse oscillating magnetic field shows the potential to change the flow pattern into a single-circulation type and the low-temperature-gradient region is mitigated. Therefore, the downward transfer channel is widened, and its premature solidification is prevented. The numerical results are well validated by experimental measurements of metal/glass observation and X-ray fluorescence element mapping. T2 - 13th International Seminar Numerical Analysis of Weldability CY - Seggau, Austria DA - 04.09.2022 KW - Thermo-fluid flow KW - Element transport KW - Laser beam welding KW - Magnetohydrodynamics KW - Multi - physical modeling PY - 2023 SN - 2410-0544 VL - 13 SP - 143 EP - 160 PB - Verlag der Technischen Universität Graz AN - OPUS4-58806 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Yang, Chunliang A1 - Wu, Chuansong A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical analysis of ultrasonic vibration enhanced friction stir welding of dissimilar Al/Mg alloys N2 - The ultrasonic vibration enhanced friction stir welding (UVeFSW) process has unique advantages in joining dissimilar Al/Mg alloys. While there are complex coupling mechanisms of multi-fields in the process, it is of great significance to model this process, to reveal the influence mechanism of ultrasonic vibration on the formation of Al/Mg joints. In this study, the acoustic-plastic constitutive equation was established by considering the influence of both ultrasonic softening and residual hardening on the flow stress at different temperatures and strain rates. And the ultrasonic induced friction reduction (UiFR) effect on friction coefficient in different relative directions at the FSW tool-workpiece interface was quantitatively calculated and analyzed. The Al/Mg UVeFSW process model was developed through introducing the above acoustic effects into the model of Al/Mg friction stir welding (FSW). The ultrasonic energy is stronger on the aluminum alloy side. In the stirred zone, there is the pattern distribution of ultrasonic sound pressure and energy. The heat generation at the tool-workpiece contact interface and viscous dissipation were reduced after applying ultrasonic vibra-tion. Due to the UiFR effect, the projection of friction coefficient and heat flux distributions at the tool-workpiece interface present a "deformed" butterfly shape. The calculated results show that ultrasonic vibra-tion enhanced the material flow and promoted the mixing of dissimilar materials. T2 - 13th International Seminar Numerical Analysis of Weldability CY - Seggau, Austria DA - 04.09.2022 KW - Friction stir welding KW - Ultrasonic vibration KW - Al/Mg alloys KW - Numerical simulation PY - 2023 SN - 2410-0544 VL - 13 SP - 517 EP - 538 PB - Verlag der Technischen Universität Graz AN - OPUS4-58805 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Yang, Fan A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Bachmann, Marcel A1 - Artinov, Antoni A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical analysis of the influence of an auxiliary oscillating magnetic field on suppressing the porosity formation in deep penetration laser beam alloys of aluminum alloys N2 - The contactless magnetohydrodynamic technology has been considered as a potential and promising method to improve the weld qualities of deep penetration laser beam welding. In this paper, numerical investigations are conducted to study the influence of the auxiliary oscillating magnetic field on the porosity suppression in laser beam welding of 5754 aluminum alloy. To obtain a deeper insight into the suppression mechanism, a three-dimensional transient multi-physical model is developed to calculate the heat transfer, fluid flow, keyhole dynamic, and magnetohydrodynamics. A ray tracing algorithm is employed to calculate the laser energy distribution on the keyhole wall. A time-averaged downward Lorentz force is produced by an oscillating magnetic field. This force acts in the molten pool, leading to a dominant downward flow motion in the longitudinal section, which blocks the bubble migration from the keyhole tip to the rear part of the molten pool. Therefore, the possibility for the bubbles to be captured by the solidification front is reduced. The electromagnetic expulsive force provides an additional upward escaping speed for the bubbles of 1 m/s ~ 5 m/s in the lower and middle region of the molten pool. The simulation results are in a good agreement with experimental measurements. Based on the results obtained in this study, a better understanding of the underlying physics in laser beam welding enhanced by an auxiliary oscillating magnetic field can be provided and thus the welding process can be further optimized reducing the porosity formation. T2 - 13th International Seminar Numerical Analysis of Weldability CY - Seggau, Austria DA - 04.09.2022 KW - Deep penetration laser beam welding KW - Oscillating magnetic field KW - Numerical simulation KW - Porosity KW - Molten pool behaviour PY - 2023 SN - 2410-0544 VL - 13 SP - 237 EP - 254 PB - Verlag der Technischen Universität Graz AN - OPUS4-58804 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Artinov, Antoni A1 - Kising, Pascal A1 - Bachmann, Marcel A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical analysis of the dependency of the weld pool shape on turbulence and thermodynamic activity of solutes in laser beam welding of unalloyed steels N2 - A three-dimensional numerical model was developed to accurately predict the steady-state weld pool shape in full penetration laser beam welding. The model accounts for the coupling between the heat transfer and the fluid dynamics by considering the effects of solid/liquid phase transition, thermo-capillary convection, natural convection, and phase-specific and temperature-dependent material properties up to the evaporation temperature. A fixed right circular cone was utilized as a keyhole geometry to consider the heat absorbed from the laser beam. The model was used to analyze the influence of the thermodynamic activity of solutes and turbulence on the weld pool shape. A mesh sensitivity analysis was performed on a hybrid mesh combining hexahedral and tetrahedral elements. For the case of full penetration laser beam welding of 8 mm thick unalloyed steel sheets, the dependence of the weld pool shape on the surface-active element sulfur was found to be negligible. The analysis of the results showed that a laminar formulation is sufficient for accurately predicting the weld pool shape since the turbulence has a minor impact on the flow dynamics in the weld pool. The validity of the numerical results was backed up by experimental measurements and observations, including weld pool length, local temperature history, and a range of metallographic crosssections. T2 - 13th International Seminar Numerical Analysis of Weldability CY - Seggau, Austria DA - 04.09.2022 KW - Weld pool shape KW - Numerical modeling KW - Laser beam welding KW - Thermo-capillary convection KW - Turbulence PY - 2023 SN - 978-3-85125-968-1 SN - 978-3-85125-969-8 SN - 2410-0544 VL - 13 SP - 161 EP - 188 PB - Verlag der Technischen Universität Graz AN - OPUS4-58803 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Artinov, Antoni A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical study on the formation of a bulging region in partial penetration laser beam welding N2 - A transient three-dimensional thermo-fluid dynamics numerical model was developed to study the formation of a bulging region in partial penetration laser beam welding. The model accounts for the coupling between the fluid flow, the heat transfer, and the keyhole dynamics by considering the effects of multiple reflections and Fresnel absorption of the laser beam in the keyhole, the phase transitions during melting and evaporating, the thermo-capillary convection, the natural convection, and the phase-specific and temperature-dependent material properties up to the evaporation temperature. The validity of the model was backed up by experimentally obtained data, including the drilling time, the weld pool length, the local temperature history outside the weld pool, the process efficiency, and a range of metallographic crosssections. The model was applied for the cases of partial penetration laser beam welding of 8 mm and 12 mm thick unalloyed steel sheets. The obtained experimental and numerical results reveal that the bulging region forms transiently depending on the penetration depth of the weld, showing a tendency to transition from a slight bulging to a fully developed bulging region between penetration depths of 6 mm and 9 mm, respectively. T2 - 13th International Seminar "Numerical Analysis of Weldability" CY - Seggau, Austria DA - 04.09.2022 KW - Laser beam welding KW - Deep penetration KW - Bulge formation KW - Numerical modeling PY - 2023 SN - 978-3-85125-968-1 SN - 978-3-85125-969-8 SN - 2410-0544 VL - 13 SP - 101 EP - 126 PB - Verlag der Technischen Universität Graz AN - OPUS4-58802 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Verbesserung der Übertragbarkeit eines künstlichen neuronalen Netzes zur Qualitätsvorhersage beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen N2 - Eine typische Automobilkarosserie kann bis zu 5000 Widerstandspunktschweißverbindungen aufweisen, welche hohen Qualitätsanforderungen genügen müssen. Daher ist eine durchgehende Prozessüberwachung unerlässlich. Die Transformation zur E-Mobilität in der Automobilindustrie und die damit einhergehende Reichweitenproblematik treiben die Entwicklung und Einführung neuer hochfester Stähle an. Dies resultiert in einem gesteigerten Fertigungsaufwand hinsichtlich einer stabilen Prozess-führung in der Fügetechnik. Um diesen Anstieg an Komplexität zu bewältigen, sind die Methoden der künstlichen Intelligenz ein geeignetes Mittel. Mit ihnen kann, durch Auswertung der Prozessparameter und -signale, die individuelle Schweißpunktqualität sichergesellt werden. Die Vorhersagegenauigkeit von neuen Daten, also das extrapolieren, stellt für die meisten Algorithmen eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein künstliches neuronales Netz zur Vorhersage des Punktdurchmessers von Widerstandspunktschweißungen anhand von Prozessparametern implementiert. Die Vorhersagegenauigkeit und Extrapolationsfähigkeit des Modells wird durch die Auswertung des dynamischen Widerstandssignals verbessert. Um die Extrapolationsfähigkeit zu untersuchen, wird die Vorhersagegenauigkeit des Modells mit Daten getestet, die sich in Bezug auf den Werkstoff und der Beschichtungszusammensetzung deutlich von den Trainingsdaten unterscheiden. Dazu wurden mehrere Schweißexperimente mit Werkstoffen verschiedener Hersteller durchgeführt und nur ein Teil der Daten in das Training einbezogen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen den positiven Einfluss der Prozesssignale auf die Robustheit des Modells und die Skalierbarkeit der Algorithmen künstlicher neuronaler Netze auf Daten außerhalb des Trainingsraums. T2 - DVS Congress 2023 Große Schweißtechnische Tagung CY - Essen, Germany DA - 11.09.2023 KW - Widerstandspunktschweißen KW - Hochfester Stahl KW - Künstliche Intelligenz KW - Neuronales Netz KW - Fügequalität PY - 2023 SN - 978-3-96144-230-0 SP - 772 EP - 779 AN - OPUS4-58693 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Marquardt, R. A1 - Bähring, S. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Künstliche Neuronale Netze zur Qualitätsprognose von Funktional Gradierten Materialien im laserbasierten Directed Energy Deposition N2 - Durch pulverbasiertes Directed-Energy Deposition lassen sich Gradierungen fertigen, um diskrete Materialübergänge zu vermeiden und die Lebensdauer von Hartschichten zu erhöhen. Die Kombination aus Stahl als Basiswerkstoff und einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Co-Cr Legierung verspricht durch Vermeiden von Spannungskonzentrationen das Verhindern von Abplatzungen und Rissen in der Schutzschicht. Um die Qualität des gefertigten Bauteils zu beurteilen, liegen für solche Funktional Gradierten Materialien (FGM) wenig Erkenntnisse vor. Daher wird im Rahmen dieser Studie eine Methodik erarbeitet, um die relative Dichte eines Funktional Gradierten Materials auf Stahl und Co-Cr Basis mittels Maschinendaten zu bestimmen. Anschließend wird unter Einsatz eines künstlichen neuronalen Netzes anhand von Sensordaten die relative Dichte vorhergesagt. Das trainierte Netz erreicht eine Vorhersagegenauigkeiten von 99,83%. Abschließend wird eine Anwendung anhand von einem Demonstrator gezeigt. T2 - 3. Fachtagung Additive Manufacturing CY - Halle, Germany DA - 05.10.2023 KW - Directed Enery Deposition KW - Künstliche Neuronale Netze KW - Additive Manufacturing KW - DED KW - KI KW - AM PY - 2023 SP - 1 EP - 8 PB - SLV Halle AN - OPUS4-58692 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bachmann, Marcel A1 - Artinov, Antoni A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Rethmeier, Michael T1 - Challenges in dynamic heat source modeling in high-power laser beam welding N2 - The amount of absorbed energy in the keyhole as well as its spatial and temporal distribution is essential to model the laser beam welding process. The recoil pressure, which develops because of the evaporation process induced by the absorbed laser energy at the keyhole wall, is a key determining factor for the macroscopic flow of the molten metal in the weld pool during high-power laser beam welding. Consequently, a realistic implementation of the effect of the laser radiation on the weld metal is crucial to obtain reliable and accurate simulation results. In this paper, we discuss manyfold different improvements on the laser-material interaction, namely the ray-tracing method, in the numerical simulation of the laser beam welding process. The first improvement relates to locating the exact reflection points in the ray tracing method using a so-called cosine condition in the determination algorithm for the intersection of the reflected rays and the keyhole surface. A second correction refers to the numerical treatment of the Gaussian distribution of the laser beam, whose beam width is defined by a decay of the laser intensity by a factor of 1/e2 thus ignoring around 14 % of the total laser beam energy. In a third step, the changes in the laser radiation distribution in the vertical direction were adapted by using different approximations for the converging and the diverging regions of the laser beam thus mimicking the beam caustic. Finally, a virtual mesh refinement was adopted in the ray tracing routine. The obtained numerical results were validated with experimental measurements. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2023 CY - Chicago, USA DA - 16.10.2023 KW - Laser beam welding KW - Laser energy distribution KW - Ray tracing KW - Numerical modeling PY - 2023 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-58475 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Srinivasan, Krishnanand A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laser Metal Deposition of Rene 80 – Microstructure and Solidification Behaviour Modelling N2 - New developments in nickel-based superalloys and production methods, such as the use of additive manufacturing (AM), can result in innovative designs for turbines. It is crucial to understand how the material behaves during the AM process to advance industrial use of these techniques. An analytical model based on reaction-diffusion formalism is developed to better explain the solidification behavior of the material during laser metal deposition (LMD). The well-known Scheil-Gulliver theory has some drawbacks, such as the assumption of equilibrium at the solid-liquid interface, which is addressed by this method. The solidified fractions under the Scheil model and the pure equilibrium model are calculated using CALPHAD simulations. Differential scanning calorimeter is used to measure the heat flow during the solid-liquid phase transformation, the result of which is further converted to solidified fractions. The analytical model is compared with all the other models for validation. T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2023 CY - Munich, Germany DA - 26.06.2023 KW - Additive manufacturing KW - Laser metal deposition KW - Solidification behaviour KW - Analytical model KW - Nickel-based superalloy PY - 2023 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-58612 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Simón Muzás, Juan A1 - Brunner-Schwer, Christian A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Mechanical properties of laser welded joints of wrought and heat treated PBF LB/M Inconel 718 parts depending on build direction N2 - Laser-based Powder Bed Fusion of Metal (PBF-LB/M) is a broadly used metal additive manufacturing (AM) method for fabricating complex metallic parts, whose sizes are however limited by the build envelope of PBF-LB/M machines. Laser welding arises as a valid joining method for effectively integrating these AM parts into larger assemblies. PBF-LB/M components must usually be stress-relieved before they can be separated from the build plate. An additional heat treatment can be beneficial for obtaining homogeneous mechanical properties across the seam or for the formation of desired precipitations in nickel-based-alloys. Therefore, the tensile performance of laser welded hybrid (AM/wrought) and AM-AM tensile samples of Inconel 718 is examined after undergoing three different heat treatments and considering three relevant build directions. It can be shown that the build orientation is an influencing factor on weld properties even after two applied heat treatments. T2 - Lasers in Manufacturing LiM 2023 CY - Munich, Germany DA - 26.09.2023 KW - Inconel 718 KW - Laser welding KW - PBF/LB-M KW - Hybrid components KW - Heat treatments KW - Build direction KW - Tensile performance PY - 2023 SP - 1 EP - 10 PB - Proceedings Lasers in Manufacturing 2023 CY - München AN - OPUS4-58394 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen von additiv gefertigtem Inconel 939 N2 - Hochfeste Nickelbasislegierungen wie Inconel 939 spielen eine wesentliche Rolle im modernen Turbinenbau. Additive Fertigungstechnologien eröffnen hierbei neue Möglichkeiten für die Verarbeitung, jedoch fehlen verlässliche Fügeprozesse für die Absicherung der additiven Prozesskette im Bereich Neuteilfertigung und Instandsetzung. Insbesondere Heißrisse stellen eine große Herausforderung an die Fügetechnik. Die vorliegende Untersuchung befasst sich daher mit dem Verhalten von additiv gefertigten Blechen aus Inconel 939 beim Elektronenstrahlschweißen. Es werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Härte und Rissneigung betrachtet und Ansätze für eine Optimierung auf Basis statistischer Versuchsplanung aufgezeigt. Hierbei erfolgt eine Einteilung der Risse nach bestimmten Nahtbereichen. Risse am Nahtkopf können durch die Faktoren Vorschub und Streckenenergie sowie die Härte des Schweißgutes beeinflusst werden. Risse im Bereich der parallelen Nahtflanken stehen hingegen im Zusammenhang mit der Härte der Wärmeinflusszone. Ein abschließender Vergleich der angepassten Parameter mit der Ausgangssituation zeigt, dass durch Anwendung der statistischen Optimierung eine deutliche Reduzierung der Rissneigung erreicht werden kann. T2 - 42. Assistentenseminar Fügetechnik CY - Beverungen, Germany DA - 06.10.2021 KW - Elektronenstrahlschweißen KW - Additive Fertigung KW - Schweißnahtbewertung PY - 2022 SN - 978-3-96144-210-2 VL - 385 SP - 1 EP - 8 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-57320 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Winterkorn, René A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Lichtbogenbasierte additive Fertigung dickwandiger Strukturen aus einer höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen N2 - Die lichtbogenbasierte, additive Fertigung ist dank hoher erreichbarer Aufbauraten und nahezu uneingeschränktem Bauraum zur Fertigung großvolumiger Bauteile prädestiniert. Die Kombination etablierter Maschinenkomponenten aus Robotertechnik, Schweißtechnik und Sensorik ermöglicht den präzisen schichtweisen Materialauftrag. Die Wirkmechanismen zwischen Prozessparametern und den daraus resultierenden mechanisch-technologischen Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile stellen eine Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere auch für dickwandige Bauteile. Bei der Fertigung von Bauteilen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen ist aufgrund der hohen Anfälligkeit für Erstarrungsrisse und der Neigung zu wasserstoffinduzierter Porosität im besonderen Maße auf das Temperaturregime und die gewählte Aufbaustrategie zu achten. Der Einfluss der Prozessparameter auf die Bauteilqualität wurde durch die Analyse der Größe und Verteilung von Poren sowie der resultierenden Festigkeit untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer Wärmenachbehandlungsstrategien auf das Festigkeitsverhalten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass dickwandige Strukturen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen mit mechanischen Kennwerten im Bereich des Referenzmaterials mittels MSGLichtbogenverfahren additiv gefertigt werden können. T2 - Additive Fertigung – Werkstoffe – Prozesse – Wärmebehandlung 2022 CY - Bremen, Germany DA - 29.06.2022 KW - WAAM KW - Al-Mg-Si-Legierungen KW - Porosität KW - Wärmenachbehandlung KW - Mechanisch technologische Kennwerte PY - 2022 SP - 169 EP - 181 PB - Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. CY - Bremen AN - OPUS4-56673 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Bachmann, Marcel A1 - Artinov, Antoni A1 - Rethmeier, Michael T1 - The influence of the free surface reconstruction on the spatial laser energy distribution in high power laser beam welding modeling N2 - An accurate and efficient description of the spatial distribution of laser energy is a crucial factor for the modeling of laser material processing, e.g., laser welding, laser cutting, or laser-based additive manufacturing. In this study, a 3D heat transfer and fluid flow model coupled with the volume-of-fluid algorithm for free surface tracking is developed for the simulation of molten pool dynamics in high-power laser beam welding. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by a ray-tracing method. Two strategies of free surface reconstruction used in the ray-tracing method are investigated: a typical piecewise linear interface calculation (PLIC)-based method and a novel localized Level-Set method. The PLIC-based method is discrete, resulting in non-continuous free surface reconstruction. In the localized Level-Set method, a continuous free surface is reconstructed, and thus the exact reflection points can be determined. The calculated spatial laser energy distribution and the corresponding molten pool dynamics from the two methods are analyzed and compared. The obtained numerical results are evaluated with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. It is found that distinct patterns of the beam multiple reflections are obtained with the different free surface reconstructions, which shows significant influence not only on the molten pool behaviors but also on the localized keyhole dynamics. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2022 CY - Orlando, FL, USA DA - 17.10.2022 KW - Laser beam welding KW - laser energy distribution KW - Weld pool dynamics KW - Ray-tracing PY - 2022 SP - 1 EP - 9 AN - OPUS4-56533 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bachmann, Marcel A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Artinov, Antoni A1 - Rethmeier, Michael T1 - Evaluation of narrowed weld pool shapes and their effect on resulting potential defects during deep penetration laser beam welding N2 - This study presents mechanisms of the evolution of a narrowed region in the weld pool center during deep penetration laser beam welding. In numerous numerical studies presented in this study, it was also found that the local reduction of the weld pool size can cause detrimental effects on the melt flow behavior and the resulting properties of the welds. A particularly large influence of this effect was identified in three aspects. Firstly, the local variation of the solidification sequence of the weld pool causes an increase in the hot-cracking susceptibility due to a locally delayed solidification. Secondly, it was proven that a change in the local length and width of the weld pool is associated with an adverse impact on the potential flow routes of the molten material that induces stronger local variations of its solidification. Thus, the element mixing, e.g. during the welding with filler materials, is blocked. This leads to a non-homogeneous chemical composition of the final weld and can cause undesired effects on the final material properties. Finally, another observed effect is related to the reduced ability of process pores to reach the top surface. As this type of porosity is usually produced around the keyhole tip, the change of the fluid flow regime above this area plays a significant role in determining the final path of the pores until the premature solidification in the middle of the weld pool captures them. This study summarizes mainly numerical results which were supported by selected experimental validation results. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2022 CY - Orlando, FL, USA DA - 17.10.2022 KW - Weld pool shape KW - Laser beam welding KW - Solidification KW - Porosity KW - Numerical process simulation PY - 2022 SP - 1 AN - OPUS4-56532 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Pittner, Andreas A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Einlagiges MSG-Hochleistungsschweißen von dickwandigen Baustählen mit kontaktloser elektromagnetischer Schmelzbadsicherung N2 - Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist. Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich. T2 - DVS Congress 2022 - Große Schweißtechnische Tagung CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - Elektromagnetische Schmelzbadsicherung KW - Hochleistungsschweißen KW - MSG-Schweißen PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 VL - 382 SP - 640 EP - 645 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-56371 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Elektromagnetische Schmelzbadbeeinflussung beim Laserhybridschweißen von Dickblechen N2 - Die technischen Entwicklungen in der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten haben eine neue Generation von Hochleistungslasersystemen im Leistungsbereich bis zu 100 kW auf den Markt gebracht. Dennoch ist die industrielle Anwendung des Hochleistungslaserstrahlschweißens auf bis zu 15 mm dicke Bleche beschränkt. Mögliche Ursachen der Einschränkungen des Verfahrens sind z.B. die Sensibilität des Verfahrens auf Fertigungstoleranzen wie Spalt und Kantenversatz, die erhöhte Tropfenbildung bei höheren Blechdicken und eine inhomogene Verteilung des Zusatzwerkstoffes beim Laserhybridschweißen. In dieser Studie wird ein auf extern angelegte Magnetfelder basierte elektromagnetische Schmelzbadstütze eingesetzt, um die Grenzen des Verfahrens zu erweitern und die Herausforderungen zu minimieren. Der wesentliche Vorteil der elektromagnetischen Schmelzbadstütze ist, dass sie berührungslos arbeitet. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnten bei 20 mm dicken Proben aus S355J2 die Tropfenbildung an der Wurzel vermieden werden. Zudem wurde der Einfluss der Kantenqualität auf die Schweißnahtqualität untersucht, wobei verschiedene Schneidverfahren zur Kantenvorbereitung eingesetzt wurden, wie z.B. Plasma-, Brenn- oder Laserschneiden. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei schlechteren Kantenvorbereitung im Gegensatz zu gefrästen Bauteilen die Werkstoffe einlagig mittels Laserhybridschweißen bei einer hohen Schweißnahtqualität gefügt werden konnten. Bei plasmageschnittenen Proben wurden zudem eine Spaltüberbrückbarkeit bzw. Kantenversatz von bis zu 2 mm sicher überbrückt. Des Weiteren war es mit Hilfe der externen Magnetfelder möglich, die Durchmischung des Zusatzwerkstoffes über die gesamte Schweißnahttiefe deutlich zu homogenisieren. T2 - 42. Assistentenseminar der Wissenschaftlichen Gesellschaft Fügetechnik e.V. CY - Blankenau, Germany DA - 06.10.2021 KW - Elektromagnetische Schmelzbadstütze KW - Laserhybridschweißen KW - Dickblech PY - 2022 VL - 385 SP - 1 EP - 7 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-56375 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Marquardt, R. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen additiv gefertigter Ni-Basis-Bauteile N2 - Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit dem Einfluss des Additive Manufacturing auf die Schweißeignung von Bauteilen aus Inconel 718. Hierfür wurden Proben mittels DED und L-PBF hergestellt und ihr Verhalten in Blindschweißversuchen anhand eines Vergleichs mit konventionellen Gussblechen untersucht. Im zweiten Schritt wurden die verschiedenen additiv hergestellten Proben mit dem Gussmaterial im I-Stoß sowie untereinander verschweißt. Als Schweißverfahren wurde für alle Proben das Elektronenstrahlschweißen angewandt. Zur Auswertung wurde anhand von Schliffen das Nahtprofil vermessen und die Proben auf Poren und Risse untersucht. Zusätzlich wurde die Dichte vermessen und eine Prüfung auf Oberflächenrisse durchgeführt. Das AM-Material zeigte dabei Unterschiede in Nahtform und Defektneigung im Vergleich zum Gusswerkstoff. Insbesondere die DED-proben neigten unter bestimmten Parameterkonstellationen verstärkt zu Porenbildung. Risse konnten nicht beobachtet werden. Trotz auftretender Nahtunregelmäßigkeiten wurde in den kombinierten AM-Schweißproben die Bewertungsgruppe C erreicht. Eine Prüfung der bestehenden Regelwerke zur Schweißnahtbewertung anhand der gewonnenen Erkenntnisse zu additiv gefertigten Proben im Elektronenstrahlschweißprozess zeigte keinen Ergänzungsbedarf. T2 - #additivefertigung: Metall in bestForm CY - Essen, Germany DA - 26.10.2022 KW - Elektronenstrahlschweißen KW - Additive Fertigung KW - Schweißnahtbewertung PY - 2022 SN - 978-3-96144-202-7 VL - 383 SP - 81 EP - 92 PB - DVS-Media GmbH AN - OPUS4-56173 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Simón Muzás, Juan A1 - Brunner-Schwer, C. A1 - Rethmeier, Michael A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Mitigation of liquation cracking in laser welding of pairs of L-PBF processed and wrought plates of Inconel 718 N2 - Laser welding is an appropriate technique for joining Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) parts together and to conventional wrought ones. The potential consists of profiting from synergies between additive and conventional manufacturing methods and overcoming the existing limitations of both. On the one hand, L-PBF is a widely spread metal-based additive manufacturing technique suitable for generating complex parts which can present intrinsic designed cavities, conformal cooling channels, and filigree structures contributing to sustainable manufacturing and efficiency-oriented designs. On the other hand, chamber sizes for producing L-PBF parts are limited, and the process is time-consuming. Thus, its employment is not for every geometry justified. Additionally, they are in most cases individual elements of a larger assembly and need to be joined together to conventionally fabricated parts. The present research suggests laser welding parameters to adequately bond pairs of wrought and L-PBF processed plates and two L-PBF plates of Inconel 718 in butt position. L-PBF samples are printed in three different build-up orientations. Additionally, the influence of as-built L-PBF roughness qualities and usual pre-weld preparations such as edge milling are examined. The effect of normed pre-weld heat treatments is also contemplated. Identified cracks are analyzed by means of EDS in order to confirm the present phases on the areas of interest. EBSD is also employed to obtain a clear depiction of the crystallographic texture and distribution of the hot cracks. The quality of the weldment was examined according to existing standards. Substantial differences in seam geometry and microstructure across different edge’s surface qualities and build directions of stress relieved L-PBF parts have not been detected. Nevertheless, even if no other irregularities are present in the seam, variability in liquation cracking susceptibility has been confirmed. This defect is prone to happen when parts made of this nickel-based superalloy are welded together when not enough precautions are taken. It has been determined that grain size and ductility of the material before welding play a crucial role and mitigating or intensifying these imperfections. Moreover, recommendations are presented to avoid this potential welding defect. T2 - IIW 2022 International Conference on Welding and Joining CY - Tokyo, Japan DA - 17.07.2022 KW - Hybrid Part KW - Liquation Cracking KW - Build-up Orientation KW - Pre-weld Preparation KW - Heat treatment KW - Inconel 718 KW - Laser Welding KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Selective Laser Melting KW - SLM KW - L-PBF KW - PBF-LB/M KW - LW PY - 2022 UR - www.iiw2022.com SP - 372 EP - 375 PB - The International Institute of Welding (IIW) CY - Tokyo, Japan AN - OPUS4-56066 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zur Herstellung von Cu-Strukturen mittels Wire Electron Beam Additive Manufacturing N2 - Das Additive Manufacturing gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Fertigung metallischer Bauteile im industriellen Umfeld. Hierbei wird zunehmend auch auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits in der Industrie etabliert sind und sich in der Regel durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich neben den bereits im großen Umfeld untersuchten Wire-DED-Verfahren auch eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die als Wire Electron Beam Additive Manufacturing bezeichnete Technologie besondere Vorteile gegenüber anderen, zumeist Laser- oder Lichtbogen-basierten DED-Prozessen. Das Verfahren bietet vor allem Potenzial für die Verarbeitung von hochleitfähigen, reflektierenden oder oxidationsgefährdeten Werkstoffen. Insbesondere für die Herstellung von Bauteilen aus Kupferlegierungen zeigt sich der Elektronenstrahl als besonders geeignet. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch übergreifende Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel zweier Cu-Werkstoffe. Dabei werden ein korrosionsbeständiger Werkstoff aus dem maritimen Bereich sowie eine Bronze mit guten Verschleißeigenschaften aus dem Anlagenbau getestet. Über mehrstufige Testschweißungen wurden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. Hierfür wurden zunächst optimale Bereiche für den Energieeintrag anhand von Volumenenergie sowie mögliche Schweißgeschwindigkeiten untersucht. Anschließend wurde die Skalierbarkeit des Prozesses anhand von Strahlstrom und Drahtvorschub getestet. Als wesentliche Zielgrößen wurden dabei Spurgeometrie, Aufmischung und Härte herangezogen. Die Eignung der ermittelten Parameter wurde im letzten Schritt exemplarisch anhand einer additiven Testgeometrie in Form eines Zylinders nachgewiesen. T2 - DVS Congress 2022 Große Schweißtechnische Tagung DVS CAMPUS CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - WEBAM KW - Electron beam KW - EBAM KW - Wire electron beam additive manufacturing PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 VL - 382 SP - 446 EP - 454 PB - DVS Media AN - OPUS4-56058 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Marquardt, R. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Funktional gradierte Materialien auf Basis von Stellite und Stahl im Laserpulver-Auftragschweißen N2 - Das Hinzufügen von Stellite auf Stahl ist eine typische Vorgehensweise um Bauteile gegen Verschleiß und Korrosion zu schützen. Der Sprung in den Materialeigenschaften kann jedoch zu Rissen und somit zum Versagen der Beschichtung führen. Um die Lebensdauer von Beschichtungen zu erhöhen wird daher ein gradierter Übergang mit verschiedenen Materialpaarungen untersucht. T2 - 13. Fachtagung Verschleiss- und Korrosionsschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen CY - Haale (Saale), Germany DA - 22.06.2022 KW - FGM KW - DED KW - AM KW - Functionally Graded Materials KW - Additive Manufacturing KW - Directed Energy Deposition PY - 2022 SP - 66 EP - 73 AN - OPUS4-55504 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -