TY - JOUR A1 - Huo, Wenjie A1 - Schmies, Lennart A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael A1 - Wolter, Katinka T1 - Prediction of mean strain from laser beam welding images and detection of defects via strain curves based on machine learning N2 - With the advancement of machine learning, many predictions and measurements in visual tasks can be achieved by convolutional neural networks (CNNs). Solidification hot cracking is a significant defect in laser beam welding, commonly encountered in practical applications. Existing theories indicate that the formation of cracks is closely related to strain accumulation near the solidification front. In this paper, we first leverage supervised Regression networks to design CNNs that achieve real-time average strain estimation for each frame in the collected welding videos. Two different architectures are proposed and compared: the first model stacks two frames at a set interval and feeds them into the network, while the second model extracts image features individually and predicts the results by calculating the correlation between them. Each network has its own advantages in Terms of computational efficiency and accuracy. Finally, we further train a multilayer perceptron (MLP) classification model that can detect the occurrence of cracks based on the predicted strain behaviors. KW - Laser beam welding KW - Mean strain prediction KW - Solidification cracking detection Convolutional neural networks KW - Convolutional neural networks PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-644495 DO - https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113975 SN - 0030-3992 VL - 192, Part F SP - 1 EP - 8 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-64449 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schlichting, Joachim A1 - Brauser, Stephan A1 - Pepke, Lutz-Alexander A1 - Maierhofer, Christiane A1 - Rethmeier, Michael A1 - Kreutzbruck, Marc T1 - Thermographic testing of spot welds N2 - Spot welding is one of the most important technologies for joining sheet metal. While there are lot of approaches to non-destructive testing, quality assurance still mainly relies on welding parameter monitoring and destructive testing, leading to significant failure rates. In this paper an approach to spot weld testing using flash thermography is presented. The main focus of attention is on the identification of two typical error classes: stick welds and welds at the splash limit. Besides investigating the principal feasibility of thermography for zinc plated samples the results of a series test of spot welds joining 1 mm thick TRIP steel are shown. Based upon these results a statistical criterion is developed which allows a reliable classification of the named error classes. KW - Thermography KW - Spot welding KW - Automotive industry PY - 2012 DO - https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2012.02.003 SN - 0963-8695 VL - 48 SP - 23 EP - 29 PB - Butterworth-Heinemann CY - Oxford AN - OPUS4-26276 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bachmann, Marcel A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Yang, Fan A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Pusbatzkies, Pablo A1 - Rethmeier, Michael T1 - Elucidation of the Laser Beam Energy Attenuation by the Vapor Plume Formation during High Power Laser Beam Welding N2 - In high-power laser beam welding, a common phenomenon is the formation of a keyhole caused by the rapid evaporation of the material. Under atmospheric pressure, this evaporation generates a vapor plume that interacts with the laser beam, leading to energy attenuation and scattering of the laser radiation along its path. These interactions affect the stability of the process and the overall weld quality. This study investigates the influence of the vapor plume on the weld pool and keyhole dynamics during high-power laser beam welding of AlMg3 aluminum alloy through experimental and numerical approaches. The primary goal is to identify key vapor plume characteristics, particularly its length fluctuations, and to improve the accuracy of the numerical models. To achieve this, an algorithm was developed for the automated measurement of the vapor plume length using high-speed imaging and advanced data processing techniques. The measured plume length is then used to estimate the additional vapor heating and laser energy attenuation using the Beer–Lambert law. A refined numerical CFD model, incorporating 3D transient heat transfer, fluid flow, and ray tracing, was developed to evaluate the vapor plume’s impact. Results show that already the time-averaged plume length effectively captures its transient influence and aligns well with experimental weld seam geometries. Additionally, energy scattering and absorption caused by the vapor plume led to a wider weld pool at the top surface. The study also shows an increased percentage of keyhole collapses due to the reduced laser power absorption at the keyhole bottom, further highlighting the importance of accurately modeling vapor plume effects. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2025 CY - Orlando, USA DA - 12.10.2025 KW - Laser beam welding KW - Vapor plume formation KW - Weld pool KW - Keyhole dynamics KW - Numerical modeling PY - 2025 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-64817 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Chaurasia, Prashant Kumar A1 - Fabry, Çağtay A1 - Pittner, Andreas A1 - De, Amitava A1 - Rethmeier, Michael T1 - Automated in situ monitoring and analysis of process signatures and build profiles during wire arc directed energy deposition N2 - Wire arc directed energy deposition (DED-Arc) is an emerging metal additive manufacturing process to build near-net shaped metallic parts in a layer-by-layer with minimal material wastage. Automated in situ monitoring and fast-responsive analyses of process signatures and deposit profiles during DED-Arc are in ever demand to print dimensionally consistent parts and reduce post-deposition machining. A comprehensive experimental investigation is presented here involving real-time synchronous measurement of arc current, voltage, and the deposit profile using a novel multi-sensor monitoring framework integrated with the DED-Arc set-up. The recorded current–voltage transients are used to estimate the time-averaged arc power, and energy input in real time for an insight of the influence of wire feed rate and printing travel speed on the deposit characteristics. A unique attempt is made to represent the geometric profiles of the single-track deposits in a generalized mathematical form corresponding to a segmented ellipse, which has exhibited the minimum root-mean-square error of 0.03 mm. The dimensional inconsistency of multi-track deposits is evaluated quantitatively in terms of waviness using build profile monitoring and automated estimation, which is found to increase with an increase in step-over ratio and energy input. For the multi-track mild steel deposits, the suitable range of step-over ratio for the minimum surface waviness is observed to lie between 0.6 and 0.65. Collectively, the proposed framework of synchronized process monitoring and real-time analysis provides a pathway to achieve dimensionally consistent and defect-free parts, and highlights the potential for closed-loop control systems for a wider industrial application of DED-Arc. KW - Additive Manufacturing KW - Arc welding KW - DED-arc KW - Real-time monitoring and control KW - Dimensional inconsistency PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-642029 DO - https://doi.org/10.1007/s40964-025-01333-9 SN - 2363-9512 SP - 1 EP - 20 PB - Springer Science and Business Media LLC CY - Cham AN - OPUS4-64202 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Gook, S. A1 - Rethmeier, Michael T1 - KI zur Prozessüberwachung im Unterpulverschweißen N2 - Beim Unterpulverschweißen sind die Prozessgeräusche ein Indikator für eine gute Fügequalität. Diese Beurteilung kann i.d.R. nur von einer erfahrenen Fachkraft durchgeführt werden. Eine kürzlich entwickelte künstliche Intelligenz kann automatisch das akustische Prozesssignal anhand vortrainierter Merkmale klassifizieren und die Fügequalität anhand des Geräuschs beurteilen. Der Algorithmus, einmal richtig trainiert, kann den Prüfaufwand beim Unterpulverschweißen deutlich reduzieren. KW - Unterpulverschweißen KW - Künstliche Intelligenz KW - Prozessüberwachung KW - Körperschall PY - 2024 SP - 1 EP - 2 AN - OPUS4-59483 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gook, Sergej A1 - El-Sari, Bassel A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael A1 - Biegler, Max T1 - Kombination des Laserhybridschweißens und UP-Engspaltschweißens für dickwandige Bauteile zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit N2 - Dieser Beitrag befasst sich mit der Entwicklung eines wirtschaftlichen und robusten Verfahrens zum Schweißen dicker Stahlbleche. Es werden Ergebnisse für das Fügen von Blechen im Dickenbereich von 25 mm bis 80 mm vorgestellt. Die 30 mm dicken Schweißnähte konnten im Stumpfstoß in zwei Durchgängen unter Verwendung des Laserhybridschweißens und des Unterpulverschweißens (UP) geschweißt werden. Das Laserhybridschweißen wird als Einschweißung mit einer Tiefe von ca. 25 mm ausgeführt. Die UP-Lagen werden auf der gegenüberliegenden Seite des Blechs aufgebracht. Bei richtiger Wahl der Schweißparameter wird der Nahtquerschnitt durch eine sichere Überlappung beider Lagen geschlossen. Bei Blechdicken über 30 mm ist eine Kantenvorbereitung erforderlich, die eine Ausführung der UP-Fülllagen in Engspalttechnik ermöglicht. Die Vorteile der vorgeschlagenen Prozesskombination liegen darin, dass die Nahtwurzel der Laserhybridnaht nicht geformt werden muss. Defekte in der Wurzel der Laserhybrideinschweißung können durch die UP-Lagen effektiv beseitigt werden. Das Verfahren bietet eine hohe Stabilität des Schweißprozesses in Bezug auf die Qualität der Blechkanten. Plasmageschnittene Kanten konnten ohne Bindefehler geschweißt werden. Die erreichte Nahtqualität wurde durch zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen bestätigt. T2 - Innovationstag 2024 CY - Düsseldorf, Germany DA - 10.04.2024 KW - Laserhybridschweißen KW - Windturm KW - Dickblech KW - Unterpulverschweißen PY - 2024 SN - 978-3-96144-253-9 VL - 391 SP - 186 EP - 194 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-60031 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Strobl, Dominic A1 - Unger, Jörg F. A1 - Chady, G. A1 - Klawoon, Alexander A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael A1 - Robens-Radermacher, Annika T1 - Efficient bead-on-plate weld model for parameter estimation towards effective wire arc additive manufacturing simulation N2 - Despite the advances in hardware and software techniques, standard numerical methods fail in providing real-time simulations, especially for complex processes such as additive manufacturing applications. A real-time simulation enables process control through the combination of process monitoring and automated feedback, which increases the flexibil- ity and quality of a process. Typically, before producing a whole additive manufacturing structure, a simplified experiment in form of a bead-on- plate experiment is performed to get a first insight into the process and to set parameters suitably. In this work, a reduced order model for the transient thermal problem of the bead-on-plate weld simulation is devel- oped, allowing an efficient model calibration and control of the process. The proposed approach applies the proper generalized decomposition (PGD) method, a popular model order reduction technique, to decrease the computational effort of each model evaluation required multiple times in parameter estimation, control and optimization. The welding torch is modeled by a moving heat source, which leads to difficulties separating space and time, a key ingredient in PGD simulations. A novel approach for separating space and time is applied and extended to 3D problems allowing the derivation of an efficient separated representation of the tem- perature. The results are verified against a standard finite element model showing excellent agreement. The reduced order model is also leveraged in a Bayesian model parameter estimation setup, speeding up calibrations and ultimately leading to an optimized real-time simulation approach for welding experiment using synthetic as well as real measurement data. KW - Ermüdung PY - 2023 DO - https://doi.org/10.5281/zenodo.7456813 PB - Zenodo CY - Geneva AN - OPUS4-59651 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bakir, Nasim A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Observation of the weld pool shape in partial penetration welding and its influence on solidification crack formation for high-power laser beam welding N2 - In this study, steel-glass experiments were conducted to observe the melt pool geometry using a high-speed camera. The high-speed recordings and optical flow analysis show that two main flows take place in form of vortices. The lower vortex drives the melt backwards from the front keyhole wall and thus causes an extension of the melt pool, which is called bulging. This bulging promotes solidification cracking by forming a closed area filled with melt and the accumulation of impurities in the final solidification phase, resulting in low-melting phases which are under tensile stress at the end of solidification. T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2021 CY - Online meeting DA - 21.06.2021 KW - Laser beam welding KW - Weld pool shape KW - Solidification craking KW - Partial penetration PY - 2021 SP - 1 EP - 5 AN - OPUS4-53587 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Gook, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Hybrid Laser-Arc Welding of Thick-Walled, Closed, Circumferential Pipe Welds N2 - The application of hybrid laser-arc welding (HLAW) for joining closed circumferential welds is a challenge due to the high risk of forming a defective overlap area with a shrinkage void or solidification cracks in the material thickness. A series of HLAW experiments were performed to understand the development of a faulty overlap area when closing the circumferential weld. Welding trials on flat specimens and pipe segments were supported by numerical analyses in which the thermomechanical behavior of the welds in the overlap area was investigated. Different process control strategies were tested, including variations in defocusing levels and the overlap length. The newly developed HLAW head, including laser optics with a motor-driven collimation system, made it possible to defocus the laser beam during welding without disturbing the stability of the welding process. High-level defocusing of the laser beam of more than 40 mm relative to the specimen surface with a resulting beam diameter of > 2.9 mm, and in combination with a short overlap length of 15 mm, was promising with respect to the formation of a desired cup-shaped weld profile that is resistant to solidification cracks. KW - Hybrid Laser-Arc Welding KW - Thick-Walled Steel KW - High-Power Welding KW - Crater KW - Pipe Welding PY - 2022 DO - https://doi.org/10.29391/2022.101.002 SN - 0043-2296 VL - 101 IS - 1 SP - 15 EP - 26 PB - American Welding Society CY - New York, NY AN - OPUS4-55508 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Marquardt, R. A1 - Osayi, J. A1 - Kmieciak, S. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Verschleißschutz einer Schneckengeometrie durch funktional gradierte Materialien N2 - Hochbelastete Stahlbauteile lassen sich durch Auftragen von Kobalt-Chrom Legierungen vor Verschleiß schützen. Die plötzliche Änderung der Materialeigenschaften führt jedoch zu Spannungen und Rissen im Anbindungsbereich. Daraus resultierende Abplatzungen stellen eine Gefahr für die Funktionsfähigkeit der Maschine und damit für Mensch und Umwelt dar. Um die Belastbarkeit der Schutzschicht zu verbessern, kann die Anbindung durch einen gradierten Materialübergang optimiert werden. Diese funktional gradierten Materialien können mittels pulverbasiertem Directed Energy Deposition aufgetragen werden. Die Methodik zum Aufbau und zur Qualitätssicherung solcher Materialien wurde in vorangegangenen Arbeiten für dickwandige Geometrien gezeigt. Für dünnwandige Geometrien ist die Anwendbarkeit bisher unzureichend untersucht worden. Diese Arbeit zeigt am Beispiel einer dünnwandigen gradierten Schneckengeometrie die Einsatzfähigkeit der Methodik. Dafür wird die Gefügestruktur der Gradierung auf Fehler untersucht und der Härteverlauf gemessen. Außerdem wird die relative Dichte anhand eines bereits trainierten neuronalen Netzes vorhergesagt und mit einer Porositätsuntersuchung verglichen. T2 - 14. Tagung Verschleiß- und Korrosionsschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen CY - Halle a. d. Saale, Germany DA - 12.06.2024 KW - Directed Enery Deposition KW - Funktionally Graded Material KW - Additive Manufacturing KW - DED KW - FGM KW - AM PY - 2024 SP - 1 EP - 7 PB - SLV Halle AN - OPUS4-60721 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Raute, Julius A1 - Schmidt, Jonathan A1 - Jokisch, Torsten A1 - Biegler, Max A1 - Rethmeier, Michael T1 - Prozessführung und erreichbare Nahtqualitäten: Elektronenstrahlschweißen von additiv gefertigtem Inconel 939 N2 - Additive Fertigungstechnologien wie das Laser-Pulverbett-Verfahren bieten großes Potenzial für die Fertigung von Neu und Ersatzteilen für stationäre Gasturbinen aus Nickelsuperlegierungen wie Inconel 939 (IN939). Um die Integration in bestehende Baugruppen zu ermöglichen und Bauraumbeschränkungen zu überwinden, muss die Prozesskette der additiven Fertigung um geeignete Fügetechniken erweitert werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit dem Schweißen von Inconel 939. Hierbei werden Bleche aus Gussmaterial und der additiven Herstellung mittels Laser im Pulverbett beim Elektronenstrahlschweißen verglichen. Im Fokus der Untersuchung stehen die erreichbare Nahtqualität im Hinblick auf geometrische Unregelmäßigkeiten sowie innere Defekte in Form von Mikrorissen in der Wärmeeinflusszone. Bei der Auswertung der geschweißten Proben zeigen sich keine Unterschiede in der Ausbildung der Nahtform zwischen dem additiv gefertigten Material und dem Gusswerkstoff. Für beide Materialien ließ sich bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten von 20 mm/s die höchste Bewertungsgruppe für Strahlgeschweißte Nähte nach DIN EN ISO 13919-1 erreichen. Unabhängig von der Herstellungsart zeigen beide Materialien eine Zunahme der Rissneigung mit steigendem Vorschub. Das Material aus der additiven Herstellung weist aufgrund seiner Mikrostruktur insgesamt jedoch deutlich weniger Mikrorisse auf, was Potenzial für die Anwendung in der Praxis eröffnet. KW - Elektronenstrahlschweißen KW - PBF-LB/M KW - Inconell939 PY - 2025 UR - https://www.schweissenundschneiden.de/artikel/prozessfuehrung-und-erreichbare-naht-qualitaeten-elektronenstrahlschweissen-von-additiv-gefertigtem-inconel-939 DO - https://doi.org/10.53192/SUS202510 VL - 77 IS - 10 SP - 2 EP - 8 PB - DVS Media Verlag CY - Eltville am Rhein, Deutschland AN - OPUS4-64300 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Raute, Julius A1 - Beret, Alexander A1 - Biegler, Max A1 - Rethmeier, Michael T1 - Ökobilanzierung in der additiven Fertigung – Laser- vs. Elektronenstrahl N2 - Die additive Fertigung gewinnt für industrielle Anwendungen zunehmend an Bedeutung. In diesem Zusammenhang sind Verfahren der Directed Energy Deposition (DED) besonders gefragt, um hohe Aufbauraten zu erreichen. Neben den bekannten laserstrahlbasierten Verfahren hat auch der Elektronenstrahl die industrielle Marktreife erreicht. Das Wire Electron Beam Additive Manufacturing bietet zum Beispiel Vorteile bei der Verarbeitung von Kupferwerkstoffen. In der Literatur wird die höhere Energieeffizienz und die daraus resultierende Verbesserung der CO2-Bilanz des Elektronenstrahls hervorgehoben. Es fehlt jedoch an praktischen Studien mit Messdaten, um das Potenzial der Technologie zu quantifizieren. In dieser Arbeit wird eine vergleichende Ökobilanz zwischen der additiven Fertigung mit Draht und Elektronenstrahl (DED-EB) und der additiven Fertigung mit Laserstrahl und Pulver (DED-LB) durchgeführt. Dazu werden die Ressourcen für die Herstellung ermittelt, ein Testbauteil mit beiden Verfahren hergestellt und der gesamte Energieverbrauch gemessen. Die Umweltauswirkungen werden dann mit den Faktoren Treibhauspotenzial (GWP100), Ozonbildungspotenzial (POCP), Versauerungspotenzial (AP), Eutrophierungspotenzial (EP) abgeschätzt. Es zeigt sich, dass das Wire Electron Beam Additive Manufacturing durch einen deutlich geringeren Energiebedarf gekennzeichnet ist. Darüber hinaus gewährleistet die Verwendung von Draht eine größere Ressourceneffizienz, was zu insgesamt besseren Ökobilanzergebnissen führt. KW - Ökobilanzierung (LCA) KW - Additive Fertigung KW - Directed Energy Deposition KW - Kupfer KW - Wire Electron Beam Additive Manufacturing PY - 2024 SP - 26 EP - 32 AN - OPUS4-62234 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -