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 T2 - Mathematical Modelling of Weld Phenomena 13 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 T2 - Mathematical Modelling of Weld Phenomena 13 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, 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 T2 - Mathematical Modelling of Weld Phenomena 13 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 - 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 T2 - Mathematical Modelling of Weld Phenomena 13 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 T2 - Mathematical Modelling of Weld Phenomena 13 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 T2 - Proceedings of the ICALEO 2023, 42ndt International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics 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 - 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 T2 - Proceedings of the ICALEO 2023, 42ndt International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics 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 - Srinivasan, Krishnanand A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laser Metal Deposition of Rene 80 – Microstructure and Solidification Behaviour Modelling T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2023 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 - 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 T2 - 3. Fachtagung Additive Manufacturing 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 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Verbesserung der Übertragbarkeit eines künstlichen neuronalen Netzes zur Qualitätsvorhersage beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen T2 - DVS Congress 2023 Große Schweißtechnische Tagung 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 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmier, Michael T1 - Influence of the spatial laser energy absorption on the molten pool dynamics in high-power laser beam welding T2 - Proceedings of the ICALEO 2023, 42ndt International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics N2 - The spatial laser energy absorption inside the keyhole is decisive for the dynamic molten pool behaviors and the resultant weld properties in high-power laser beam welding (LBW). In this paper, a numerical simulation of the LBW process, considering the 3D transient heat transfer, fluid flow, and keyhole dynamics, is implemented, in which the free surface is tracked by the volume-of-fluid algorithm. The underlying laser-material interactions i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by an advanced ray-tracing method based on a localized Level-Set strategy and a temperature-dependent absorption coefficient. The laser energy absorption is analyzed from a time-averaged point of view for a better statistical representation. It is found for the first time that a noticeable drop of the time-averaged laser energy absorption occurs at the focus position of the laser beam, and the rest region of the keyhole has relatively homogenous absorbed energy. This unique absorption pattern may lead to a certain keyhole instability and have a strong correlation with the detrimental bulging and narrowing phenomena in the molten pool. The influence of the different focus positions of the laser beam on the keyhole dynamics and molten pool profile is also analyzed and compared. The obtained numerical results are compared with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2023 CY - Chicago, USA DA - 16.10.2023 KW - Laser beam welding KW - laser energy absorption KW - molten pool KW - keyhole dynamics KW - numerical modeling PY - 2023 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-58754 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 T2 - DVS-Berichte: Band 385 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 - 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 T2 - Proceedings of the ICALEO 2023, 42ndt International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics 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 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Der Einfluss verschiedener räumlicher Diskretisierungsansätze des Ray-Tracing-Verfahrens bei der Simulation des Laserstrahltiefschweißen T2 - 43. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik N2 - Die Wärmeverteilung des Lasers beim Laserstrahltiefschweißen ist für die Formgebung der Dampfkapillare und für die Schweißbaddynamik entscheidend. In dieser Arbeit werden die Laserwärmeverteilung und deren Einflüsse auf die Schweißbadtiefe sowie -breite numerisch anhand des Ray-Tracing-Verfahrens analysiert. Hierbei wird der La-serstrahl in mehreren Strahlenbündeln bzw. Subrays unterteilt. Diesbezüglich soll der Pfad der Subrays präzis be-rechnet werden, um die Dynamik der Dampfkapillare und des Schweißbades eines realen Schweißprozesses rich-tig abzubilden. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Genauigkeitsverbesserung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays auf der freien Oberfläche anhand der Level-Set-Methode. Um die Güte dieses Simulationsansatzes zu gewährleisten, wurde eine Gegenüberstellung mit den zwei klassischen Ray-Tracing-Verfahren mittels drei verschiedenen Benchmark-Testreihen durchgeführt. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse zur Validierung der implementierten numerischen Ansätze verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit kann es gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmeverteilung aufgrund der verschiedenen Ray-Tracing-Verfahren deutlich zu erkennen ist, welche wiederum die Schweißbaddynamik sowie die lokalisierte Dampfkapil-lardynamik stark beeinflussen. Ferner wurde es bestätigt, dass die implementierte Level-Set-Methode zu einer ge-naueren Ermittlung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays und somit zu einer Verbesserung der simulierten Schmelzkontur führt. T2 - 43. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik CY - Schwarzenberg/Erzgebirge, Germany DA - 27.09.2022 KW - Laser beam welding KW - Ray tracing method KW - Weld pool dynamics KW - Numerical modeling PY - 2023 UR - https://www.dvs-media.eu/de/neuerscheinungen/4584/43.-assistentenseminar-fuegetechnik SN - 978-3-96144-212-6 VL - 386 SP - 91 EP - 102 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-59119 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 T2 - 43. Assistentenseminar Fügetechnik 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 - Raute, J. A1 - Seitz, G. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Wire Electron Beam Additive Manufacturing von niedriglegierten Zinnbronzen – Erreichbare Bauteileigenschaften und Prozessmerkmale T2 - Kupfer-Symposium 2023 Vortragsband 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 - 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) T2 - 41. Assistentenseminar der Füge- und Schweißtechnik 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 - Scheuschner, Nils A1 - Altenburg, Simon A1 - Straße, Anne A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Maierhofer, Christiane T1 - In-situ thermographic monitoring of the laser metal deposition process T2 - II International Conference on Simulation for Additive Manufacturing - Sim-AM 2019 N2 - In this paper shortwave infrared (SWIR) thermographic measurements of the manufacturing of thin single-line walls via laser metal deposition (LMD) are presented. As the thermographic camera is mounted fixed to the welding arm, an acceleration sensor was used to assist in reconstructing the spatial position from the predefined welding path. Hereby we could obtain data sets containing the size of the molten pool and the oxide covered areas as functions of the position in the workpiece. Furthermore, the influence of the acquisition wavelength onto the thermograms was investigated in a spectral range from 1250 nm to 1550 nm. All wavelengths turned out to be usable for the in-situ process monitoring of the LMD process. The longer wavelengths are shown to be beneficial for the lower temperature range, while shorter wavelengths show more details within the molten pool. T2 - Sim-AM 2019 - 2. International Conference on Simulation for Additive Manufacturing CY - Pavia, Italy DA - 11.09.2019 KW - Additive manufacturing KW - 3D printing KW - Thermography KW - Direct energy deposition KW - Laser Metal Deposition KW - 3D Druck KW - Laser Pulver Auftragsschweißen KW - Additive Fertigung KW - Thermografie PY - 2019 UR - http://congress.cimne.com/SIM-AM2019/frontal/Doc/proceedings.pdf SN - 978-84-949194-8-0 SP - 246 EP - 255 AN - OPUS4-49086 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon A1 - Scheuschner, Nils A1 - Straße, Anne A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Maierhofer, Christiane T1 - Towards the determination of real process temperatures in the LMD process by multispectral thermography T2 - Thermosense: Thermal Infrared Applications XLIII N2 - Due to the rapid thermal cycles involved in additive manufacturing of metals, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine their formation, in-process measurements of the temperature are needed. Since the part emissivity is strongly inhomogeneous and rapidly changing in the process, the applicability of thermography for the determination of thermodynamic temperatures is limited. Measuring the thermal radiation in different wavelengths simultaneously, temperature and emissivity can be separated. Here, we present results of a preliminary study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in directed energy deposition (DED) processes. T2 - Thermosense: Thermal Infrared Applications XLIII CY - Online meeting DA - 12.04.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Process monitoring KW - Multispectral thermography KW - Laser metal deposition KW - TES KW - LMD KW - Temperature emissivity separation PY - 2021 DO - https://doi.org/10.1117/12.2587881 VL - 2021 SP - 77 EP - 83 PB - SPIE AN - OPUS4-52516 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mohr, Gunther A1 - Seeger, Stefan A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Measurement of particle emissions in Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) processes and its potential for in-situ process monitoring T2 - Euro PM 2019 Proceedings N2 - Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a promising additive manufacturing (AM) technology for metal part production especially for complex and lightweight structures or functional designs. In L PBF processes several by-products including welding plume and its condensates, spatter and ejected powder are generated during laser exposure. Investigations of micro- and nano-sized by-products have received little attention in literature. This study focuses on the analysis of particle emissions in L PBF of 316L stainless steel using a scattered light aerosol spectrometer and a fast mobility particle sizer spectrometer during the process which allows for in-situ analysis of particle sizes in the range of 6 nm to 100 µm. A distinct correlation of emission signals to part position can be revealed. In addition, a significant influence of laser scanning vector directions on emission signals is presented. Furthermore, differing powder layer thicknesses can be recognised by deviations in emission signals. T2 - Euro PM 2019 CY - Maastricht, The Netherlands DA - 13.10.2019 KW - Plume KW - Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) KW - Additive Manufacturing (AM) KW - Spatter KW - Fume KW - Particle gas emission KW - Aerosol measurements PY - 2019 SP - 1 EP - 7 AN - OPUS4-49388 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -