TY - CONF A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Hälsig, A. A1 - Hensel, J. A1 - Wandtke, Karsten A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Einfluss von Wärmeführung und Bauteildesign auf die Eigenschaften und fertigungsbedingten Beanspruchungen additiv geschweißter hochfester Feinkornbaustähle N2 - Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein. T2 - DVS Congress 2022 CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - MAG-Schweißen KW - Additive Fertigung KW - Eigenspannungen KW - Hochfester Stahl KW - Kaltrisssicherheit KW - Wärmeführung KW - Windenergie PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 VL - 382 SP - 737 EP - 745 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-56719 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Hälsig, A. A1 - Wandtke, Karsten A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenschaften und fertigungsbedingten Beanspruchungen additiv geschweißter hochfester Feinkornbaustähle N2 - Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen. T2 - DVS Congress 2021 CY - Online meeting DA - 14.09.2021 KW - MAG-Schweißen KW - Hochfester Stahl KW - Eigenspannungen KW - Additive Fertigung KW - Kaltrisssicherheit PY - 2021 SN - 978-3-96144-146-4 VL - 371 SP - 16 EP - 22 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-56669 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kromm, Arne A1 - Liepold, Philipp A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Projektkurzvorstellung: Bewertung konstruktiv bedingter Erstarrungsrisse beim Schweißen hochfester Feinkornbaustähle N2 - Die Integrität von Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stählen ist zunehmend durch die Bildung von Heißrissen gefährdet. Aktuell treten Erstarrungsrisse an Konstruktionsmerkmalen auf, obwohl heißrisssichere niedriglegierte Grund- und Zusatzwerkstoffe als auch Schweißprozessbedingungen eingesetzt wurden. Werkstoff- und prozessseitig wurden diese Rissursachen bereits eingehend erforscht. Untersuchungen zum Aspekt der konstruktiv bedingten Heißrissvermeidung, aus denen sich Empfehlungen für ein beanspruchungsgerechtes Gestalten für KMU ableiten lassen, liegen bislang lückenhaft vor bzw. sind veraltet und für hochfeste Leichtbauten kaum zielführend. Konstruktive Gegenmaßnahmen zur Vermeidung von Erstarrungsrissen liegen oft nicht vor. Das Design und die konstruktiven Randbedingungen beeinflussen die Erstarrungsrisse entscheidend. Um eine schnelle Umsetzbarkeit der Resultate für KMU zu ermöglichen, soll eine einfache und kostengünstige Methodik zur Heißrissbewertung entwickelt werden. Gerade KMU haben einen hohen Nachholbedarf an heißrisssicheren und wirtschaftlichen Leichtbaulösungen. Konstrukteure und Anwender aus KMU würden durch fundierte Kenntnisse über mögliche erstarrungsrisskritische Beanspruchungszustände kostenintensive Qualitätsmängel vermeiden. Das Ziel ist es, Kenngrößen zu identifizieren, die während des Schweißens unter realitätsnahen Bedingungen erfasst werden können. Diese Parameter werden als Transfergrößen genutzt, um eine Heißrissbewertung eines geschweißten Bauteils zu ermöglichen. Anliegen des Vorhabens wird die Prüfung und Bewertung von typischen Beanspruchungszuständen beim Schweißen von Leichtbaustrukturen hinsichtlich ihrer Erstarrungsrissneigung sein. Durch Ableitung klassifizierter Gestaltungshinweise wird ein signifikanter Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit insbesondere für KMU geliefert. Die Ergebnisse werden in Normen zur sicheren schweißtechnischen Fertigung von Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stählen direkt einfließen. T2 - Sitzung des NA 092-00-05 GA "Gemeinschaftsarbeitsausschuss NAS/NMP: Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen (DVS AG Q 4/Q 4.1)" CY - Online meeting DA - 10.03.2022 KW - Schweißen KW - Erstarrungsrisse KW - hochfester Stahl PY - 2022 AN - OPUS4-54579 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Roveda, Ilaria A1 - Serrano Munoz, Itziar A1 - Kromm, Arne A1 - Madia, Mauro T1 - Investigation of residual stresses and microstructure effects on the fatigue behaviour of a L-PBF AlSi10Mg alloy N2 - Al-Si alloys produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) techniques allow the fabrication of lightweight free-shape components that find space in aerospace, automotive, biomedical and military applications. Due to the high cooling rates occurring during the building process, L-PBF AlSi10Mg alloys exhibit an ultra-fine microstructure that leads to superior mechanical properties in the as-built condition compared to conventional cast Al-Si materials. Nevertheless, L-PBF processing induces high thermal gradients, leading to deleterious residual stress levels that must be considered to avoid part distortion and unpredicted failures. In order to relax detrimental residual stress and to increase the ductility, post-processing stress relief treatments are generally performed. In as-built condition the hypoeutectic AlSi10Mg microstructure consist of fine α-Al cells containing uniformly dispersed silicon nanoparticles, which are, in addition, surrounded by a eutectic Si network. Above 260°C the silicon interconnectivity starts to breakdown into spheroidized particles and to coarsen. At the same time, the heating residual stresses are relieved. The objective of the contribution is to investigate, under different heat treatment conditions, the evolution of microstructure and residual stresses in view of optimizing the fatigue performance of the alloy. To this purpose various heat treatments in a range of temperatures between 265°C and 300°C for a duration between 15 minutes and 2 hours are performed. The microstructure modifications are analysed using a scanning electron microscope and the residual stress state is measured by laboratory X-ray diffraction. T2 - FATIGUE DESIGN 2021 CY - Online meeting DA - 17.11.2021 KW - AlSi10Mg alloy KW - Additive manufacturing KW - L-PBF KW - Residual stress KW - Heat treatment PY - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-544942 SN - 2452-3216 VL - 38 SP - 564 EP - 571 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-54494 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Sprengel, Maximilian A1 - Mohr, Gunther A1 - Altenburg, Simon A1 - Evans, Alexander A1 - Serrano Munoz, Itziar A1 - Kromm, Arne A1 - Pirling, T. A1 - Bruno, Giovanni A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Triaxial Residual Stress in Laser Powder Bed Fused 316L: Effects of Interlayer Time and Scanning Velocity N2 - The triaxial distribution of the residual stress in laser powder bed fused austenitic steel 316L was determined by X-ray and neutron diffraction. The residual stress analysis results were linked to the thermal history of the specimens, which were manufactured with varying inter-layer-times and scanning velocities. A clear link between the in-process temperature of the specimens and the residual stress was found, based on in-situ monitoring data. KW - Stainless Steel KW - AGIL KW - Residual Stress KW - X-ray and Neutron Diffraction KW - Additive Manufacturing PY - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-542620 SP - 1 EP - 13 PB - Wiley-VCH GmbH AN - OPUS4-54262 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schröder, Jakob A1 - Evans, Alexander A1 - Mishurova, Tatiana A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Sprengel, Maximilian A1 - Serrano Munoz, Itziar A1 - Fritsch, Tobias A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Bruno, Giovanni T1 - Diffraction-Based Residual Stress Characterization in Laser Additive Manufacturing of Metals N2 - Laser-based additive manufacturing methods allow the production of complex metal structures within a single manufacturing step. However, the localized heat input and the layer-wise manufacturing manner give rise to large thermal gradients. Therefore, large internal stress (IS) during the process (and consequently residual stress (RS) at the end of production) is generated within the parts. This IS or RS can either lead to distortion or cracking during fabrication or in-service part failure, respectively. With this in view, the knowledge on the magnitude and spatial distribution of RS is important to develop strategies for its mitigation. Specifically, diffraction-based methods allow the spatial resolved determination of RS in a non-destructive fashion. In this review, common diffraction-based methods to determine RS in laser-based additive manufactured parts are presented. In fact, the unique microstructures and textures associated to laser-based additive manufacturing processes pose metrological challenges. Based on the literature review, it is recommended to (a) use mechanically relaxed samples measured in several orientations as appropriate strain-free lattice spacing, instead of powder, (b) consider that an appropriate grain-interaction model to calculate diffraction-elastic constants is both material- and texture-dependent and may differ from the conventionally manufactured variant. Further metrological challenges are critically reviewed and future demands in this research field are discussed. KW - Laser-based additive manufacturing KW - Residual stress analysis KW - X-ray and neutron diffraction KW - Diffraction-elastic constants KW - Strain-free lattice spacing PY - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-538054 VL - 11 IS - 11 SP - 1830 PB - MPDI CY - Basel AN - OPUS4-53805 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kromm, Arne A1 - Dixneit, Jonny A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Vollert, F. A1 - Gibmeier, J. T1 - Phase Transformation and Strain Evolution during Welding of Low Transformation Temperature Alloys N2 - In this work, the phase and strain formation in multipass welding of LTT gas metal arc welds were observed under realistic restraints by means of time resolved angular-dispersive synchrotron X-ray diffraction at the High Energy Materials Science beamline HEMS at PETRA III (DESY), Hamburg Germany. It was shown that the strain evolution during cooling correlates with the amount of martensite formed. Both, the strain of martensite and austenite are affected during phase transformation. Even though dilution processes limit the LTT effect in the root compared to the top layer, the strains are significantly reduced compared to the conventional weld metal. The observed effects are found for both Ni and Mn based LTT filler metals regardless of their respective Ms temperature. T2 - 2nd International Conference on Advanced Joining Processes AJP 2021 CY - Sintra, Portugal DA - 21.10.2021 KW - Welding KW - Residual Stress KW - In-situ diffraction KW - Synchrotron PY - 2021 AN - OPUS4-53609 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wandtke, Karsten A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Hälsig, A. A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas T1 - WAAM process influences on local microstructure and residual stresses in high-strength steels N2 - High-strength fine-grain structural steels have great potential for weight optimization of many modern engineering structures. Efficient manufacturing can be achieved here above all by Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). First commercial high-strength welding consumables for WAAM are already available. Due to a lack of knowledge and guidelines for the industry regarding welding residual stresses and component safety in manufacturing and operation, their application is still severely limited. Residual stresses play a crucial role here, as the special microstructure of high-strength steels is sensitive to cold cracking. For this reason, process- and material-related influences, as well as the design effects on residual stress formation, are being investigated in a project funded by the AiF (FOSTA P1380/IGF 21162 BG). This study focuses on determining the interactions between heat control during WAAM process, resulting hardness, microstructure, and residual stresses, analyzed by X-ray diffraction. Welding experiments using geometrically similar AM specimens show that, with regard to the heat input, the energy per unit length in particular leads to significantly affected cooling times and microstructures and causes pronounced localized effects in terms of residual stresses in the upper weld beads. T2 - 46th MPA-Seminar CY - Stuttgart, Germany DA - 12.10.2021 KW - Wire Arc Additive Manufacturing KW - High-strength structural steels KW - Vickers hardness KW - Residual stresses PY - 2021 VL - 46 SP - 296 EP - 306 PB - MPA-Stuttgart AN - OPUS4-53571 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Serrano Munoz, Itziar A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Fritsch, Tobias A1 - Mishurova, Tatiana A1 - Kromm, Arne A1 - Hofmann, M. A1 - Wimpory, R. C. A1 - Evans, Alexander A1 - Bruno, Giovanni T1 - Scanning Manufacturing Parameters Determining the Residual Stress State in LPBF IN718 Small Parts N2 - The influence of scan strategy on the residual stress (RS) state of an as-built IN718 alloy produced by means of laser powder bed fusion (LPBF) is investigated. Two scan vector rotations (90°-alternation and 67°-rotation), each produced following two different scan vector lengths (long and short), are used to manufacture four rectangular prisms. Neutron diffraction (ND) and laboratory X-ray diffraction (XRD) techniques are used to map the bulk and surface RS state, respectively. The distortion induced upon removal from the baseplate is measured via profilometry. XRD measurements show that the two long scan vector strategies lead to higher RS when compared with the equivalent short scan vector strategies. Also, the 67°-rotation strategies generate lower RS than their 90°-alternation counterparts. Due to the lack of reliable stress-free d0 references, the ND results are analyzed using von Mises stress. In general, ND results show significant RS spatial non-uniformity. A comparison between ND and distortion results indicates that the RS component parallel to the building direction (Z-axis) has a predominant role in the Z-displacement. The use of a stress balance scheme allows to discuss the d0 variability along the length of the specimens, as well as examine the absolute RS state. KW - As-built LPBF IN718 alloy KW - Scan strategy influence KW - Neutron diffraction KW - Residual stress state KW - Stress balance condition KW - Distortion PY - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-526360 VL - 23 IS - 7 SP - 158 PB - Wiley AN - OPUS4-52636 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Hälsig, A. A1 - Wandtke, Karsten A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Process-related influences and correlations in wire arc additive manufacturing of high-strength steels N2 - High-strength fine-grained structural steels have great potential for weight-optimized, efficient structures in many modern steel applications. Further advances in efficiency can be achieved through additive manufacturing and bionic design. Commercial high-strength filler materials for wire arc additive manufacturing (WAAM) are already provided by the consumable producers. Today, application would be strictly limited due to absence of quantitative findings or any guidelines for the industry regarding welding-related stresses and component safety during manufacturing and service. Hence, process- and material-related influences and design-related restraint conditions associated with formation of residual stresses and cold cracking risk are investigated. The aim is the accessibility of special WAAM self-restraining cold cracking tests and easy applicable processing recommendations, enabling an economical, fit-for-purpose and crack-safe WAAM of high-strength steels. This first study focuses on determination of interactions between WAAM process parameters, resulting layer geometry, microstructure and residual stresses, analyzed via X-ray diffraction. Defined reference specimens are automated welded using a special WAAM solid wire (yield strength >820 MPa). Geometric properties can be specifically adjusted by wire feed and welding speed, but cannot be varied arbitrarily, since a high heat input causes local overheating, inadmissible changes of microstructure and mechanical properties, defects and comparable high tensile residual stresses. T2 - 22. Werkstofftechnischen Kolloquium der TU Chemnitz CY - Online meeting DA - 24.03.2021 KW - Residual stresses KW - Additive Manufacturing KW - High-strength steel PY - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-533300 VL - 1147 SP - 012002 PB - IOP Publishing Ltd AN - OPUS4-53330 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -