TY - JOUR A1 - Bachmann, Marcel A1 - Kunze, R. A1 - Avilov, Vjaceslav A1 - Rethmeier, Michael T1 - Finite element modeling of an alternating current electromagnetic weld pool support in full penetration laser beam welding of thick duplex stainless steel plates N2 - An electromagnetic weld pool support system for 20 mm thick duplex stainless steel AISI 2205 was investigated numerically and compared to experiments. In our former publications, it was shown how an alternating current (AC) magnetic field below the process zone directed perpendicular to the welding direction can induce vertically directed Lorentz forces. These can counteract the gravitational forces and allow for a suppression of material drop-out for austenitic stainless steels and aluminum alloys. In this investigation, we additionally adopted a steady-state complex magnetic permeability model for the consideration of the magnetic hysteresis behavior due to the ferritic characteristics of the material. The model was calibrated against the Jiles–Atherton model. The material model was also successfully tested against an experimental configuration before welding with a 30 mm diameter cylinder of austenitic stainless steel sur-rounded by duplex stainless steel. Thereby, the effects of the Curie temperature on the magnetic characteristics in the vicinity of the later welding zone were simulated. The welding process was modeled with a three-dimensional turbulent steady-state model including heat transfer and fluid dy-namics as well as the electromagnetic field equations. Main physical effects, the thermo-capillary (Marangoni) convection at the weld pool boundaries, the natural convection due to gravity as well as latent heat of solid–liquid phase transitions at the phase boundaries were accounted for in the model. The feedback of the electromagnetic forces on the weld pool was described in terms of the electromagnetic-induced pressure. The finite element software COMSOL Multiphysics 4.2 was used in this investigation. It is shown that the gravity drop-out associated with the welding of 20 mm thick duplex stainless steel plates due to the hydrostatic pressure can be prevented by the application of AC magnetic fields between around 70 and 90 mT. The corresponding oscillation frequencies were between 1 and 10 kHz and the electromagnetic AC powers were between 1 and 2.3 kW. In the experiments, values of the electromagnetic AC power between 1.6 and 2.4 kW at os-cillation frequencies between 1.2 and 2.5 kHz were found to be optimal to avoid melt sagging or drop-out of melt in single pass full-penetration laser beam welding of 15 and 20 mm thick AISI 2205. KW - Laser KW - Numerical simulation KW - Laser beam welding KW - Electromagnetic weld pool support KW - Duplex stainless steel PY - 2016 DO - https://doi.org/10.2351/1.4943906 VL - 28 IS - 2 SP - 022404-1 EP - 022404-9 PB - AIP Publishing AN - OPUS4-35676 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Neubert, Sebastian A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical sensitivity analysis of TRIP-parameter K on weld residual stresses for steel S355J2+ N N2 - A combined experimental numerical approach is applied for sensitivity analysis of the transformation induced plasticity (TRIP)-parameter K on weld residual stresses for welding of structural steel of grade S355J2+N. K was determined experimentally using the Gleeble 3500 facility. A thermomechanical FE model of the real welding process was experimentally validated against temperature field and X-ray stress measurements. Within sensitivity analyses K was varied by several orders of magnitude and the influence on the calculated residual stresses is evaluated by performing corresponding FEA. The correct order of magnitude is sufficient to reproduce the residual stresses qualitatively and quantitatively. KW - TRIP - transformation induced plasticity KW - welding residual stresses KW - sensitivity analysis KW - FEA PY - 2016 DO - https://doi.org/10.1080/01495739.2015.1124641 SN - 0149-5739 VL - 2016 IS - 39/2 SP - 201 EP - 219 PB - Journal of Thermal Stresses AN - OPUS4-35880 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael A1 - Wu, Chuan Song T1 - Sensitivity analysis of the residual stress state in friction stir welding of high strength aluminium alloy N2 - In this paper, the friction stir welding process was numerically investigated for 6 mm thick aluminum alloy AA2024-T3. The finite element software COMSOL Multiphysics was used to calculate the transient thermal field during welding and the mechanical reaction depending on different mechanical clamping conditions and hardening models subsequently. A thermal pseudo-mechanical (TPM) heat source was implemented. Softening effects of the material due to precipitation hardening dissolution caused by the frictional heat were accounted for. The transient temperature evolution measured by thermocouple elements at various locations was compared to the numerical results. A good agreement was found for the thermal field. A sensitivity study of the mechanical models showed the strong influence of the clamping conditions and the softening model. PY - 2016 DO - https://doi.org/10.3139/120.110809 SN - 0025-5300 VL - 58 IS - 1 SP - 20 EP - 26 PB - Hanser CY - München AN - OPUS4-35269 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bakir, Nasim A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael ED - Bakir, Nasim T1 - Numerical simulation of solidification crack formation during laser beam welding of austenitic stainless steels under external load N2 - Solidification cracking phenomena taking place under Controlled Tensile Weldability (CTW) test conditions have already been investigated both experimentally and numerically via FEA in order to get a better understanding of the mechanisms of hot crack formation during laser beam welding of austenitic steel grades. This paper develops a three dimensional finite element model employing the contact elements technique to simulate the formation and propagation of solidification cracks during laser full penetration welding of fully austenitic stainless steel 1.4376. During the experimental procedure the resulting strain and displacement directed to the laser beam in the Close vicinity of the weld pool was measured at the surface of the workpiece using a Digital Image Correlation (DIC) technique with an external diode laser as an illuminating source. Local strain fields, global loads and crack lengths predicted by the model are in good Agreement with those observed in experiments. T2 - The 3rd IIW South‐East European Welding Congress CY - Timisoara, Romania DA - 03.06.2015 KW - Solidification cracking KW - DIC technique KW - Laser beam welding KW - Contact element KW - FEA PY - 2015 SN - 978-606-554-955-5 SP - 1 EP - 6 CY - Timisoara, Romania AN - OPUS4-36519 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rethmeier, Michael A1 - Gook, Sergej T1 - Verfahren zum fehlerfreien Laserstrahl-Hybridschweißen von geschlossenen 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 - Endkrater KW - Rundnaht KW - Laserhybridschweißen PY - 2020 AN - OPUS4-51749 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - El-Batahgy, A. A1 - Saiyah, A. A1 - Khafagi, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Gook, S. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Shielded metal arc welding of 9%Ni steel using matching ferritic filler metal N2 - Motivated by the tensile strength loss of 9%Ni steel arc welded joints made using Ni-based austenitic filler metals, the feasibility of maintaining the tensile strength using matching ferritic filler metal has been demonstrated. In comparison with shielded metal arc welded joint made using Ni-based austenitic electrode ENiCrMo-6, higher tensile strength comparable to that of the base metal was obtained using matching ferritic electrode. Besides, sufficient impact toughness energies with much lower mismatch were obtained for weld metal and heat-affected zone. Welded joint with a lower mechanical mismatching is of considerable importance for achieving acceptable combination of tensile strength and impact toughness.Abetter combination of These mechanical properties is ensured by applying a post weld heat treatment. KW - Mechanical mismatching KW - Mechanical properties KW - Microstructure KW - Austenitic welding electrode KW - Matching ferritic welding electrode PY - 2020 DO - https://doi.org/10.1080/13621718.2020.1846936 SN - 1362-1718 SP - 1 EP - 7 PB - Taylor & Francis AN - OPUS4-51835 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Gook, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Neueste Entwicklungen im Bereich des Hochleistungslaserstrahl- und Hybridschweißens von hohen Blechdicken N2 - Bislang kommt das Laserstrahlschweißen bzw. Laserhybridschweißen hauptsächlich bei Dickblechen mit einer Wandstärke von bis zu 15 mm zum Einsatz. Für Anwendungen über 20 mm war dieses Verfahren aufgrund einiger Herausforderungen bisher nur bedingt realisierbar. Eine von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelte elektromagnetische Schmelzbadunterstützung ermöglicht nun ein einlagiges Schweißen von bis zu 30 mm Wandstärke. KW - Laserstrahlschweißen KW - Laserhybridschweißen KW - Modellierung KW - Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung KW - Kaltzähe Stähle PY - 2020 VL - 2 SP - 26 EP - 30 PB - DVV Media Group GmbH CY - Hamburg AN - OPUS4-51632 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Gook, S. A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael A1 - Lichtenthäler, F. A1 - Stark, M. T1 - Multiple-wire submerged arc welding of high-strength fine-grained steels N2 - Ensuring the required mechanical-technological properties of welds is a critical issue in the application of multi-wire submerged arc welding processes for welding high-strength fine-grained steels. Excessive heat input is one of the main causes for microstructural zones with deteriorated mechanical properties of the welded joint, such as a reduced notched impact strength and a lower structural robustness. A process variant is proposed which reduces the weld volume as well as the heat input by adjusting the welding wire configuration as well as the energetic parameters of the arcs, while retaining the advantages of multiwire submerged arc welding such as high process stability and production speed. KW - Submerged arc welding KW - High-strength fine-grained steels KW - Mechanical properties of the joints KW - Energy parameters of the arc PY - 2022 DO - https://doi.org/10.37434/tpwj2022.01.02 SN - 0957-798X IS - 1 SP - 9 EP - 13 PB - Paton Publishing House CY - Kiev AN - OPUS4-54701 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zur Herstellung von Cu-Strukturen mittels Wire Electron Beam Additive Manufacturing N2 - Das Additive Manufacturing gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Fertigung metallischer Bauteile im industriellen Umfeld. Hierbei wird zunehmend auch auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits in der Industrie etabliert sind und sich in der Regel durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich neben den bereits im großen Umfeld untersuchten Wire-DED-Verfahren auch eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die als Wire Electron Beam Additive Manufacturing bezeichnete Technologie besondere Vorteile gegenüber anderen, zumeist Laser- oder Lichtbogen-basierten DED-Prozessen. Das Verfahren bietet vor allem Potenzial für die Verarbeitung von hochleitfähigen, reflektierenden oder oxidationsgefährdeten Werkstoffen. Insbesondere für die Herstellung von Bauteilen aus Kupferlegierungen zeigt sich der Elektronenstrahl als besonders geeignet. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch übergreifende Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel zweier Cu-Werkstoffe. Dabei werden ein korrosionsbeständiger Werkstoff aus dem maritimen Bereich sowie eine Bronze mit guten Verschleißeigenschaften aus dem Anlagenbau getestet. Über mehrstufige Testschweißungen wurden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. Hierfür wurden zunächst optimale Bereiche für den Energieeintrag anhand von Volumenenergie sowie mögliche Schweißgeschwindigkeiten untersucht. Anschließend wurde die Skalierbarkeit des Prozesses anhand von Strahlstrom und Drahtvorschub getestet. Als wesentliche Zielgrößen wurden dabei Spurgeometrie, Aufmischung und Härte herangezogen. Die Eignung der ermittelten Parameter wurde im letzten Schritt exemplarisch anhand einer additiven Testgeometrie in Form eines Zylinders nachgewiesen. T2 - DVS Congress 2022 Große Schweißtechnische Tagung DVS CAMPUS CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - WEBAM KW - Electron beam KW - EBAM KW - Wire electron beam additive manufacturing PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 VL - 382 SP - 446 EP - 454 PB - DVS Media AN - OPUS4-56058 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Srinivasan, Krishnanand A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laser Metal Deposition of Rene 80 – Microstructure and Solidification Behaviour Modelling N2 - New developments in nickel-based superalloys and production methods, such as the use of additive manufacturing (AM), can result in innovative designs for turbines. It is crucial to understand how the material behaves during the AM process to advance industrial use of these techniques. An analytical model based on reaction-diffusion formalism is developed to better explain the solidification behavior of the material during laser metal deposition (LMD). The well-known Scheil-Gulliver theory has some drawbacks, such as the assumption of equilibrium at the solid-liquid interface, which is addressed by this method. The solidified fractions under the Scheil model and the pure equilibrium model are calculated using CALPHAD simulations. Differential scanning calorimeter is used to measure the heat flow during the solid-liquid phase transformation, the result of which is further converted to solidified fractions. The analytical model is compared with all the other models for validation. T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2023 CY - Munich, Germany DA - 26.06.2023 KW - Additive manufacturing KW - Laser metal deposition KW - Solidification behaviour KW - Analytical model KW - Nickel-based superalloy PY - 2023 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-58612 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -