TY - CONF A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Yang, Fan A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Einfluss der temperaturabhängigen Modellierung der Laserstrahlabsorption auf die Schmelzbadgeometrie beim Hochleistungslaserstrahlschweißen N2 - Der Absorptionsgrad metallischer Werkstoffe spielt bei Fügeprozessen mit einer Strahlungsquelle wie dem Hochleistungslaserstrahltiefschweißen eine bedeutende Rolle. Dieser beeinflusst die Menge der absorbierten Laserenergie, welche zum Aufschmelzen sowie zur lokalen Verdampfung des zu verbindenden Materials führt. Die Laserstrahlabsorption wird von vielen physikalischen Faktoren, z.B. Laserprofil, Laserwellenlänge, Materialeigenschaft sowie Temperatur, entschieden. Dennoch wird die Temperaturabhängigkeit in vielen Simulationsarbeiten häufig ignoriert und stattdessen ein empirisch angepasster Parameter zur Kalibrierung der Ergebnisse implementiert. Diese Vorgehensweise wirkt sich negativ auf die Zuverlässigkeit des numerischen Modells sowie auf die Vorhersagbarkeit der Simulationsergebnisse aus. In der vorliegenden Arbeit wird die Temperaturabhängigkeit des Laserabsorptionsgrades in ein selbstkonsistentes zweiphasiges Modell unter Berücksichtigung der gekoppelten 3D-Fluidströmung und Wärmeübertragung einbezogen. Die berechnete Laserstrahlabsorption wird durch die temperaturabhängigen Materialeigenschaften, die Lasercharakteristik und den Einfallswinkel des Laserstrahls bestimmt. Die freie Oberfläche jeder Phase wird mithilfe der Volume-of-Fluid Methode (VOF), berechnet und die Laser-Material-Wechselwirkung wird durch ein implementiertes Ray-Tracing-Verfahren modelliert, welches auf einem lokalisierten Level-Set-Algorithmus basiert. Anschließend wird die transiente Wärmeeinbringung und die Geometrie der Schweißnaht analysiert und mit dem temperaturunabhängigen Absorptionsmodell verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Temperaturabhängigkeit der Laserabsorption entscheidend für die genaue Bestimmung der Wärmeeinbringung und der Schmelzbadgeometrie ist. Das entwickelte Modell wurde anhand der experimentellen Untersuchungen validiert und die Bedeutung der Temperaturabhängigkeit bei der Laserstrahlabsorption wurde für die Simulation des Laserstrahltiefschweißens quantifiziert. T2 - 44. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik CY - Päwesin, Germany DA - 20.09.2023 KW - Laser beam welding KW - Numerical modeling KW - Ray tracing method KW - Weld pool dynamics PY - 2024 UR - https://www.dvs-media.eu/de/neuerscheinungen/4671/44.-assistentenseminar-fuegetechnik SN - 978-3-96144-267-6 VL - 394 SP - 57 EP - 68 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-60779 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Heßmann, Jennifer A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Entwicklung einer neuartigen Fügetechnologie N2 - Vorstellung einer neuartigen Fügetechnologie für artungleiche Werkstoffe (Aluminium und Stahl) mit Hilfe von Laserstrahlschweißen und elektromagnetischer Schmelzbadbeeinflussung. T2 - Assistentenseminar CY - Braunlage, Germany DA - 25.09.2019 KW - Laserstrahlschweißen KW - Artungleiche Werkstoffe KW - Elektromagnetische Schmelzbadbeeinflussung KW - Fügetechnologie KW - Stahl und Aluminium PY - 2020 SN - 978-3-96144-071-9 VL - 357 SP - 34 EP - 43 PB - DVS Media GmbH CY - Deutschland, Düsseldorf AN - OPUS4-51052 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gook, S. A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Verfahren zum fehlerfreien Laserstrahl-Hybridschweißen von gechlossenen Rundnähten N2 - In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Untersuchungen eines Verfahrens zum fehlerfreien Laserstrahl Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten vorgestellt. Das Verfahren zielt auf die Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht. Eine Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht wurde entwickelt, mit der ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG­ Schweißprozess realisiert. Experimentelle Untersuchungen wurden an 12 mm bis 15 mm dicken Rohrabschnitten durchgeführt. Der Einfluss von Prozessparametern wie der Laserleistungsrampe und Rampenzeit, der Veränderung des Abbildungsmaßstabes und der Defokussierung des Laserstrahls auf die Erstarrungsbedingungen am Ende der Rundnaht wurde untersucht, um eine optimale Strategie zum Herausführen der Prozessenergie zu finden. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls im Bereich zwischen 60 mm und 100 mm über einen kurzen Auslaufbereich der Naht von ca. 15 mm zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führte. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden. Die Laseroptik mit motorisch angesteuertem Linsensystem ermöglichte dabei eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers ohne eine Veränderung der Position des MSG-Lichtbogens relativ zur Bauteiloberfläche. T2 - DVS Congress 2020 CY - Online meeting DA - 14.09.2020 KW - Defokussierung KW - Endkrater KW - Laser-Hybridschweißen KW - Rundnaht KW - Überlappbereich PY - 2020 SN - 978-3-96144-098-6 VL - 365 SP - 855 EP - 860 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-51324 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Jokisch, T. A1 - Marko, A. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen heißrissgefährdeter Nickelbasis-Superlegierungen mittels statistischer Versuchsplanung N2 - Nickelbasis-Superlegierungen sind seit vielen Jahren in unterschiedlichen Industrieanwendungen im Einsatz. Aufgrund der großen Heißrissneigung ist das Schweißen dieser Werkstoffe jedoch bei einer Vielzahl von Legierungen problematisch. Neue Arbeiten auf dem Gebiet zeigen, dass entgegen den gängigen Theorien auch reduzierte Schweißgeschwindigkeiten eine Tendenz zur Verringerung der Rissneigung aufweisen. Bisher existieren jedoch kaum Erkenntnisse zum Prozessverhalten in diesem Parameterbereich. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der relevanten Prozessparameter beim Elektronenstrahlschweißen (EBW) auf die Nahtgestalt im Bereich geringer Vorschubgeschwindigkeiten untersucht. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse soll ein Ansatz zum rissfreien Fügen von komplexen Nickelbasis-Superlegierung gebildet werden. Die praktische Umsetzbarkeit wird abschließend anhand einiger Probeschweißungen an einem besonders heißrissgefährdeten Werkstoff demonstriert. Um fehlerfreie Verbindungen zu ermöglichen, wurden zunächst die relevanten Parameter für die Einstellung von Nahtbreite, Einschweißtiefe, Aspektverhältnis und Nahtfläche anhand einer Versuchsreihe mit 17 Blindschweißungen auf einer 12 mm dicken Platte aus Inconel 718 bestimmt. Die genaue Beschreibung des Einflusses der als signifikant identifizierten Faktoren erfolgte über die Anwendung einer Regressions- und Varianzanalyse. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einschweißtiefe, die Nahtbreite, das Aspektverhältnis sowie die Nahtfläche vorrangig über den Strahlstrom, die Fokuslage sowie den Vorschub beeinflusst werden können. Auf Basis der gebildeten statistischen Modelle erfolgte die Vorhersage geeigneter Parameter für eine finale Versuchsreihe. Die abschließenden Demonstratorschweißungen wurden exemplarisch an einer Nickelbasis-Gusslegierung mit besonders hohem Ausscheidungsphasenanteil durchgeführt. Hierfür wurden Schweißungen im I- Stoß an 6,5 mm und 10 mm dicken Blechen ausgeführt. Trotz der mangelnden Schweißeignung und dem hohen Anteil an Ausscheidungsphase des Werkstoffes, zeigten sich nach Optimierung der Prozessparameter keine Heißrisse mehr. T2 - DVS Congress 2020 CY - Online meeting DA - 14.09.2020 KW - Heißrisse KW - Nickelbasis-Superlegierungen KW - Elektonenstrahlschweißen KW - Alloy 247 PY - 2020 SN - 978-3-96144-098-6 VL - 365 SP - 17 EP - 22 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-51320 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bachmann, Marcel A1 - Artinov, Antoni A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical study of the bulging effect in deep penetration laser beam welding N2 - This article is devoted to the study of the bulging effect in deep penetration laser beam welding. The numerical results of the investigations are based upon experimental results from previous studies to reveal the relationship between the bulging effect and the hot cracking formation, as well as the mixing of alloying elements in the weld pool. The widening of the molten pool in its center area can be observed in full penetration as well as in partial penetration welds on 8 mm and 12 mm thick structural steel plates, respectively. The weld pool shape is extracted from the simulations to evaluate the extent of the necking of the solidification line as well as the bulging phenomena and its influence on the hot cracking phenomena. Relying on an earlier numerical study utilizing a fixed keyhole, simulation models considering a dynamic keyhole are developed thereto. Additionally, the mixing behavior of alloying elements during partial penetration is investigated. The link between the bulge and the studied phenomena is found to be significant. T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2021 CY - Online meeting DA - 21.06.2021 KW - Deep penetration laser beam welding KW - Welding simulation KW - Solidification cracking KW - Bulging effect PY - 2021 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-52848 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Winterkorn, R. A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Vorteile und Herausforderungen dynamischer Parameterstudien beim Wire Arc Additive Manufacturing von Al-Mg-Si-Legierungen N2 - Der Einsatz von Aluminiumlegierungen als Konstruktionswerkstoff hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Insbesondere höherfeste Aluminiumlegierungen, wie die Vertreter der 6000’er Aluminiumgruppe, rücken Aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits- / Gewichtsverhältnisses immer mehr in den Fokus. Vertreter dieser Aluminiumklasse, die als Hauptlegierungselemente Magnesium und Silizium beinhalten, weisen neben der bei allen Aluminiumlegierungen präsenten Affinität zur Porenbildung zusätzlich eine ausgeprägte Heißrissanfälligkeit auf. Die additive Verarbeitung von Al-Mg-Si-Legierungen mittels MSG Verfahren gestaltet sich daher herausfordernd. Neben der Schweißeignung ist die geometrische Gestalt der Schweißraupe für die additive Fertigung von entscheidender Bedeutung. Spurbreite und Spurhöhe sind maßgebliche Größen, die bei der Pfadgenerierung im Hinblick auf Endkonturnähe und der Vermeidung von Ungänzen, Poren und Bildefehlern zu beachten sind. Dieser Beitrag zeigt am Beispiel des Wire Arc Additive Manufacturing von Al-Mg-Si-Legierungen einen Ansatz, mit dem es möglich ist, zeit- und kostenintensive vollfaktorielle Parameterstudien zum Erhalt von Spurgeometrie und Schweißqualität durch dynamische Parameterstudien zu ersetzen. T2 - 41. Assistentenseminar Fügetechnik CY - Magdeburg, Germany DA - 02.09.2020 KW - WAAM PY - 2021 SN - 978-3-96144-141-9 VL - 370 SP - 1 EP - 10 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-52902 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 - Thermal Cycles and Charpy Impact Toughness of Single-Pass Hybrid Laser-Arc Welded Thick-Walled Structures N2 - The study deals with the influence of the heat input on the thermal cycles and Charpy impact toughness for hybrid laser-arc welding of 25 mm thick structural steel S355J2 using a 20-kW high-power laser in combination with an electromagnetic weld pool support. The main focus is on the change of the mechanical properties over the entire seam thickness. The cooling times were measured using a pyrometer in combination with an optical fibre in three different locations near to fusion lines corresponding to different heights of the seam. Also, Charpy impact specimens were taken from different parts of the weld joint corresponding to the different heights. The influence of the heat input was investigated for 1.8 kJ mm-1 and 3.2 kJ mm-1. Despite the observed decreased values of both t8/5-cooling time and the Charpy impact toughness in the root part of the seam, the required values could be reached in dependance on applied heat input. T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2021 CY - Online meeting DA - 21.06.2021 KW - laser hybrid welding KW - Charpy impact toughness KW - thick plate welding KW - thermal cycles PY - 2021 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-53926 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 - Straße, Anne A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Scheuschner, Nils A1 - Altenburg, Simon A1 - Pignatelli, Giuseppe A1 - Gornushkin, Igor B. A1 - Baensch, Franziska A1 - Rethmeier, Michael T1 - In-situ Prozessüberwachung beim Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) mittels Thermografie, optischer Emissionsspektroskopie (OES) und Schallemissionsanalyse (SEA) N2 - Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet. T2 - 41. Assistentenseminar der Füge- und Schweißtechnik CY - Magdeburg, Germany DA - 02.09.2020 KW - Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) KW - Thermographie KW - Optische Emissionsspektroskopie (OES) KW - Schallemissionsanalyse (SEA) PY - 2021 SN - 978-3-96144-141-9 VL - 370 SP - 132 EP - 140 PB - DVS MEdia CY - Düsseldorf AN - OPUS4-53967 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Müller, V. A1 - Marko, A. A1 - Kruse, T. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Analysis and recycling of bronze grinding waste to produce maritime components using directed energy deposition N2 - Additive manufacturing promises a high potential for the maritime sector. Directed Energy Deposition (DED) in particular offers the opportunity to produce large-volume maritime components like propeller hubs or blades without the need of a costly casting process. The post processing of such components usually generates a large amount of aluminum bronze grinding waste. The aim of the presented project is to develop a sustainable circular AM process chain for maritime components by recycling aluminum bronze grinding waste to be used as raw material to manufacture ship Propellers with a laser-powder DED process. In the present paper, grinding waste is investigated using a dynamic image Analysis system and compared to commercial DED powder. To be able to compare the material quality and to verify DED process parameters, semi-academic sample geometries are manufactured. T2 - LiM 2021 CY - Munich, Germany DA - 21.06.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Maritime Components KW - Powder Analysis KW - Recycling KW - Directed Energy Deposition PY - 2021 SP - 1 EP - 9 AN - OPUS4-54067 LA - eng 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 - Yang, Fan A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical analysis of the effect of the metal vapor plume on the keyhole and the molten pool behavior during deep penetration laser beam welding N2 - The effect of the oscillating metal vapor plume on the keyhole and molten pool behavior during the laser beam welding of AlMg3 aluminum alloys is investigated by the experimental and numerical method. The real-time height of the metal vapor plume is measured by high-speed camera observation. The obtained experimental results are used to evaluate the additional heating source and laser beam attenuation caused by the scattering and absorption based on the Beer-Lambert theory. Furthermore, the dynamic behavior of the metal vapor plume is incorporated into a 3D transient heat transfer and fluid flow model, coupled with the ray tracing method, for the laser beam welding of the AlMg3 alloy. It is found that the additional heating resulting from the scattered and absorbed laser beam energy by the metal vapor plume significantly expands the shape of the molten pool on the top region. Moreover, the oscillating metal vapor plume caused the fluctuation of the molten pool shape. The probability of keyhole collapse at the bottom increases significantly to 72% due to the oscillating laser power induced by the laser beam attenuation. The internal interplay between the metal vapor plume, molten pool shape, and the keyhole collapse are obtained. The developed model has been validated by the experiments, which shows a good agreement. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2023 CY - Chicago, Illinois, USA DA - 16.10.2023 KW - Deep penetration laser beam welding KW - Numerical simulation KW - Oscillating vapor plume KW - Keyhole collapse PY - 2023 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-58841 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Seitz, G. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Wire Electron Beam Additive Manufacturing von niedriglegierten Zinnbronzen – Erreichbare Bauteileigenschaften und Prozessmerkmale N2 - Die Additive Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Verarbeitung von Kupferwerkstoffen im industriellen Umfeld. Hierbei wird verstärkt auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits aus der Schweißtechnik bekannt sind und sich zumeist durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich unter den drahtbasierten Verfahren der Directed-Energy-Deposition (DED) eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die Technologie Wire Electron Beam Additive Manufacturing (DED-EB) besondere Vorteile gegenüber anderen DED-Prozessen für die Anwendung an Kupfer. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeit- en. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel der Legierung CuSn1MnSi. Über mehrstufige Testschweißungen werden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. An verschiedenen additiv gefertigten Probekörpern werden anschließend Kennwerte für Aufbaurate, Härte, Mikrostruktur, Oberflächenqualität sowie mechanische Festigkeitswerte ermittelt. Es zeigt sich, dass das die durch DED-EB hergestellten Proben, trotz des groben Gefüges sowie der thermischen Belastung im Aufbauprozess, in ihren Eigenschaften gut mit den Spezifikationen des Ausgangsmaterials übereinstimmen. T2 - Kupfersymposium 2023 CY - Jena, Germany DA - 29.11.2023 KW - Wire Electron Beam Additive Manufacturing KW - DED-EB KW - CuSn1 KW - Additive Fertigung PY - 2023 SN - 978-3-910411-03-6 SP - 28 EP - 33 PB - Kupferverband e. V. AN - OPUS4-59118 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Marquardt, R. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laser-Pulver-Auftragschweißen von funktional gradierten Materialien auf Cobalt-Chrom Basis N2 - Um Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen werden Beschichtungen aus resistenteren Materialien aufgetragen. Hierzu zählen unter anderen die Legierungen auf Cobalt-Chrom Basis. Der diskrete Materialsprung ist jedoch unter thermischen und mechanischen Belastungen häufig Ursache für das Versagen der Beschichtung. In dieser Arbeit werden daher Materialgradierungen von verschiedenen Stahllegierungen zu einer Cobalt-Chrom Basislegierung untersucht. Die Ergebnissen werden dafür auch mit Resultaten zu vorangegangenen Untersuchungen verglichen. Kern der Arbeit bilden geätzte Schliffbilder der Materialpaarungen und Auswertungen mittels Farbeindringprüfung sowie die metallografische Bestimmung der Porosität. Ziel der Arbeit ist ein defektfreier Aufbau der funktional gradierten Materialpaarungen. T2 - 43. Assistentenseminar Fügetechnik CY - Päwesin, Germany DA - 20.09.2023 KW - Directed Enery Deposition KW - Funktionally Graded Material KW - Additive Manufacturing KW - DED KW - FGM KW - AM PY - 2023 SN - 978-3-96144-212-6 SP - 1 EP - 6 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-59116 LA - deu 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 - 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 - 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 - 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 - Yang, Fan A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Experimental and numerical study on grain refinement in electromagnetic assisted laser beam welding of 5754 al alloy N2 - Through experimental observation and auxiliary numerical simulation, this investigation studies the different types of grain refinement of 5754 aluminum alloy laser beam welding by applying a transverse oscillating magnetic field. Scanning electron microscope results have proved that the application of a magnetic field can reduce the average crystal branch width and increase its number. The interaction between the induced eddy current generated by the Seebeck effect and the applied external magnetic field produces a Lorentz force, which is important for the increase of the number of crystal branches. Based on the theory of dendrite fragmentation and the magnetic field-induced branches increment, the grain size reduction caused by the magnetic field is studied. Furthermore, the effects of the magnetic field are analyzed by combining a phase field method model and simulations of nucleation and grain growth. The grain distribution and average grain size after welding verifies the reliability of the model. In addition, the introduction of a magnetic field can increase the number of periodic three-dimensional solidification patterns. In the intersection of two periods of solidification patterns, the metal can be re-melted and then re-solidified, which prevents the grains that have been solidified and formed previously from further growth and generates some small cellular grains in the new fusion line. The magnetic field increases the building frequency of these solidification structures and thus promotes this kind of grain refinement. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2023 CY - Chicago, USA DA - 16.10.2023 KW - Laser beam welding KW - Magnetic field KW - Crystal branch development KW - Grain refinement KW - Periodic solidification pattern PY - 2023 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-58809 LA - eng 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 -